Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ изученности массивов соляных пород и методика исследований 9
1.1. Современное состояние исследований физико-механических свойств соляных пород 9
1.2. Особенности системы: массив соляных пород - подземное сооружение 20
1.3. Методы исследования физико-механических свойств соляных пород 30
2. Сравнительный анализ инженерно-геологических особенностей Приволжской моноклинали и Прикаспийской впадины 40
2.1. Инженерно-геологические особенности Приволжской моноклинали 42
2.2. Инженерно-геологические особенности Прикаспийской впадины 58
2.3. Гидрогеологические условия массивов соляных пород 76
2.3.1. Приволжская моноклиналь 76
2.3.2. Прикаспийская впадина 83
3. Исследование физико-механических и реологических свойств массивов соляных пород 89
3.1. Характеристика солевых пород 89
3.2. Физико-механические свойства массивов соляных пород 110
3.2.1. Исследование массивов соляных пород в условиях пластового залегания на Приволжской моноклинали 111
3.2.2. Исследование массивов соляных пород в условиях соляно-купольной Прикаспийской впадины 124
3.3. Реологические характеристики солей 144
3.4. Сравнение физико-механических свойств солей, определенных экспериментальными и геофизическими методами 162
Заключение 173
Список использованных источников 175
- Особенности системы: массив соляных пород - подземное сооружение
- Инженерно-геологические особенности Прикаспийской впадины
- Исследование массивов соляных пород в условиях пластового залегания на Приволжской моноклинали
- Сравнение физико-механических свойств солей, определенных экспериментальными и геофизическими методами
Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение все более глубоких земных недр становится насущной необходимостью современной геологии и инженерной геологии. В настоящее время сложилось новое направление, которое можно назвать по Г.С. Золотареву (1990) "инженерная геология глубоких зон земной коры" со своими особенными, специфическими задачами и методиками исследований. Активное проникновение человека в недра Земли сравнимо с I деятельностью природных геологических процессов.
Мировой опыт создания подземных хранилищ (ПХ) для резервирования углеводородов (УВ) и захоронения промышленных отходов показал, что наиболее рациональными и надежными вместилищами является каменная соль. Это упруго-вязкая с низкой пористостью и проницаемостью среда, обладающая высокой прочностью (20-35 МПа) и практически инертная к углеводородам. Как известно, каменная соль характеризуется рядом свойств, пре-допределяющих инженерно-геологические условия соляных массивов: высокая растворимость - это карстовые процессы, кавернообразование, явления оседания земной поверхности, а содержание прослоев еще более растворимых калийно-магниевых солей приводит к интенсификации вышеперечисленных процессов. Наличие в массивах солей участков с пониженной плотностью и интенсивной трещиноватостью, зон дроблений, тектонических нарушений, связанных с галокинезом, обусловливают обвалы и обрушения соляных пород в подземных объектах. Соли обладают таким специфическим свойством, как . х пластическое течение - ползучесть на больших глубинах при высоких темпе рі ратурах и давлениях. Пластичность соли представляет особую опасность как для подземных хранилищ по причине конвергенции, так и для скважин, которые бурятся с различными целями и рассчитаны на длительную работу. Высо коминерализованные рассолы - рапа с сероводородом H2S, залегающие в соляной толще, являются опасными и агрессивными зонами техногенного рис- w ка, влияющими на развитие инженерно-геологических процессов.
На Россошинской площади, расположенной в пределах Приволжской моноклинали (ПМ), проведены инженерно-геологические исследования для строительства Волгоградского подземного хранилища газа (ВПХГ) в отложениях каменной соли. Создание хранилища подобного типа является одним из первых в России, но и оно не сможет в полной мере обеспечить такой мегаполис, как Волгоград, поэтому имеется необходимость создания ряда аналогичных ПХГ в толще солей в недалеком будущем. Для исследований соле щ носных отложений на ПМ выбрана Антиповско-Балыклейская площадь, где в соляных породах отбирался керн и проводился комплекс промыслово-геофизических исследований, включая акустический каротаж. На ее территории проходят трассы системообразующих газопроводов «Оренбург-Новопсков», «Средняя Азия - Центр», что экономически целесообразно для создания ПХГ.
Массивы соляных пород Прикаспийской впадины (ПКВ) имеют достаточную мощность и глубину залегания для создания ПХ, отличаются более сложным геологическим строением, а соляная тектоника оказывает огромное влияние на комплекс инженерно-геологических условий. Основной базой для обоснования проекта и строительства подземных сооружений в массиве соляных пород является изучение физико-механических и реологических свойств.
Создание ПХ приводит к изменению напряженного состояния массива, его деформациям, в связи с этим большое внимание уделяется изучению массива в условиях естественного залегания методами акустического каро-тажа (АК) и акустического широкополосного каротажа (АШК). По данным скоростей распространения упругих волн в соляном массиве вычисляются деформационные свойства, дается оценка степени трещиноватости, кавер нозности.
Цель и задачи работы. Целью работы являлось изучение и сравнительный анализ инженерно-геологических особенностей соляных массивов ПМ и ПКВ, исследование физико-механических свойств соляных пород по экспериментальным и геофизическим данным для создания ПХ, захоронения вредных промышленных отходов, бурения скважин и др. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• анализ современного состояния изученности соляных массивов, геологических и тектонических условий как важнейших факторов, обусловливающих инженерно-геологические особенности территорий ПМиПКВ;
• сравнительная характеристика массивов соляных пород ПМ и ПКВ и их изменение под влиянием создания ПХ в толще солей;
• изучение гидрогеологических условий массивов соляных пород;
• анализ и изучение влияния солянокупольной тектоники на формирование физико-механических и реологических свойств массивов; выделение неблагоприятных зон для создания ПХ;
• расчеты упругих динамических характеристик - модуля упругости и коэффициента Пуассона по АК и АШК в тех же точках массива соляных пород, где отбирался и исследовался керн, с целью сопоставления экспериментальных и геофизических данных;
• определение по керну прочностных свойств каменной соли в зависимости от содержания калийно-магниевых солей, ангидрита и определение связи между прочностью соляных пород и скоростью распространения продольных волн.
Научная новизна. Впервые проведено сравнение инженерно-геологических особенностей соляных массивов ПМ и ПКВ для создания в них ПХ; впервые обобщены и систематизированы материалы статических и динамических исследований физико-механических свойств соляных массивов ПМ и ПКВ; впервые рассчитаны и сравнены модуль деформации и коэффициент Пуассона каменной соли, сильвинита, карналлита, бишофита по экспериментальным и акустическим данным; обобщен опыт бурения глубоких скважин в соляных отложениях на предмет ползучести солей; по керно-вому материалу Антиповско-Балыклейской площади определена прочность на одноосное сжатие каменной соли в зависимости от содержания калийно-магниевых солей и ангидрита; впервые для сильвинита, карналлита и бишофита определена зависимость между прочностью на одноосное сжатие и скоростью распространения продольных волн. Защищаемые положения:
1. Соляные массивы в условиях моноклинали и солянокупольных бассейнов представляют принципиально различные геологические тела с различными инженерно-геологическими условиями.
2. Создание базы данных физико-механических свойств соляных пород для обоснования вариантов размещения ПХ в соляных массивах, с учетом региональных геологических и тектонических особенностей.
3. Прочностные характеристики каменных солей зависят от содержания в них сильвина, карналлита, бишофита и ангидрита; предел прочности соляных пород при одноосном сжатии и скорость продольных волн имеют тесную связь, что дает возможность по данным геофизических исследований скважин определить прочностные и упругие деформационные характеристики.
Практическая значимость и реализация исследований определяется тем, что создана база данных в таблицах по физика-механическим свойствам соляных пород в условиях приближенных к пластовым, что важно для подземных сооружений на больших глубинах (более 1000 м). Результаты исследований упруго-динамических характеристик массивов соляных пород по данным АК и АШК найдут практическое применение не только при ин женерно-геологических изысканиях для обоснования проекта и строительства ПХ различного назначения, но и для бурения и крепления скважин. Показатели деформационных свойств соляных пород - модуль упругости Е и коэффициент Пуассона д. имеют большое значение при оценке процессов деформации и разрушений соляных пород, а также для расчетов устойчивости камер выщелачивания и целиков каменной соли между подземными выработками. Определение зависимости между прочностью солей на одноосное сжатие и скоростью распространения продольных волн позволит предварительно оценить прочность солей по АК.
Фактический материал и личный вклад автора. Диссертация основана на анализе, систематизации, научном обобщении материалов изданной и фондовой литературы институтов "ЛУКОЙЛ — ВолгоградНИПИморнефть", ООО "АстраханьНИПИгаз", ООО "Подземгазпром", ВолгГАСУ и на результатах научных исследований проведенных автором в течение 4-х лет обучения в институте и аспирантуре. Проанализирован фактический материал исследований физико-механических свойств каменной соли по 30-ти скважинам на Антиповско-Балыклейской, Россошинской, Городищенской и Свет-лоярской площадях, по трем скважинам на куполе Северный Камысколь, (где проводились инженерно-геологические исследования с целью создания ПХ) и по 15-ти скважинам Тенгизского месторождения, (на которых исследовались физико-механические свойства каменной соли для целей бурения). Автором обработано более 400 результатов лабораторных определений физико-механических свойств каменной соли на Тенгизском месторождении и до 200 исследований, проведенных в Днепровско-Донецкой впадине. Проанализированы геофизические исследования соляных пород по 50 скважинам, в том числе по АК более 20 скважин. Автором, при прохождении производственной практики в институте "ЛУКОЙЛ - ВолгоградНИПИморнефть", по керну из скважин Антиповско-Балыклейской площади, в количестве 109 образцов определены прочность сильвинита, карналлита и бишофи та, а также влияние примесей на прочность каменной соли. По данным АК и АТЇІК рассчитаны модуль упругости и коэффициент Пуассона, которые имеют большое значение при оценке процессов деформации и разрушений соляных пород, для площадей ПМ и ПКВ в тех же точках массива, где отбирался и исследовался керн. Для солей определена связь между прочностью на одноосное сжатие и скоростью распространения продольных волн.
Апробация. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на конференциях различного уровня: ВолгГАСА (Волгоград 2000-2003 гг.), Межрегиональной молодежной научной конференции "Севергеоэкотех-2003" (Ухта, 2003 г.), на экологических чтениях Волгоградского отделения РЭА (Волгоград, 2004 г.) и III международной научно-технической конференции (Астрахань, 2004 г). Автор награжден дипломом за участие в региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области в 2000 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения. Общий объем текста 186 страниц, 54 рисунка и 36 таблиц. Библиографический список включает 127 наименований.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору В.Н. Синякову за направление исследований, поддержку и помощь при работе над диссертацией. Автор искренне признателен докторам г.-м.н., профессорам СВ. Кузнецовой, О.Г. Бражникову, докторам т.н. Потапову А.Г., Новикову B.C., к.ф-м.н. Акуловой Р.С. и др. за консультации, ценные практические рекомендации и замечания.
Особенности системы: массив соляных пород - подземное сооружение
Понятие инженерно-геологический массив в литературу ввел П.Н. Па-нюков (1959, 1978) применительно к горному делу - "структурно-обособленные части земной коры в сфере инженерного воздействия, исследуемые с целью установления условий производства работ и эксплуатации сооружения".
Согласно Л. Мюллеру (1971) необходимо различать горную породу и скалу или горный массив (Gestein - Gebirge; rock-sample - rock, или rock-mass; roche - rocher montagne; lapido - roccia), прочность горной породы и горного массива, модуль горной породы и горного массива и т. д., причем под горным массивом следует подразумевать не географическую или тектоническую единицы, а, согласно разговорной терминологии горняков, строителей туннелей и др., ту горную породу, в которой производятся работы.
Следовательно, термин "горная порода" употребляется для обозначения определенной совокупности минералов, с термин "скальный массив" - для обозначения формы, в которой эта совокупность встречается в природе. Эти понятия различаются не тем, что они употребляются для обозначения объек тов разного масштаба, как это считал Кервен (образец и большая часть массива), а тем, что они находятся в строгом соподчинении. Аналогично рассуждениям Мюллера, например, "соляная горная порода" является как бы первичным, а "соляной массив" - подчиненным и при этом более узким понятием. Два образца галита могут быть очень сходными по своим признакам, однако, несмотря на это, соляные массивы могут иметь совершенно различный внешний вид, различаться сложением и степенью трещиноватости, по разному вести себя при сооружении подземных емкостей или скважин. Техническая характеристика таких массивов будет определяться количеством трещин, характером их распределения (закономерным или беспорядочным, параллельным или под углом к направлению падения или напластования), а также степенью трещиноватости породы.
Свойства горного массива могут быть совершенно иными, чем свойства горных пород, которые слагают этот массив. Прочностные характеристики горного массива не являются в то же время прочностными характеристиками горных пород, каких-либо переводных коэффициентов не существует. Известны случаи, когда прочность соляного массива оказалась не намного ниже прочности горных пород. Такую же относительно высокую прочность установил Бухгейм на обычной каменной соли (25 МПа) и на "твердой соли" -(23-26 МПа), производя опыты по сжатию с акустическими измерениями. В целиках из каменной соли Хейфер выявил наличие напряжений 30-50 МПа, которые близки к разрушающему напряжению [71]. Известно, что солевой массив, особенно в условиях Прикаспийской впадины, где происходило интенсивное образование куполов, находится в напряженном состоянии. На протяжении всей геологической истории впадины превалирующим типом тектонических движений было погружение, что привело к образованию мощного осадочного чехла. Формирование соляных структур вызвано низкой плотностью каменной соли, ее кристаллической структурой, залеганием под более плотными породами надсолевого комплекса и региональными восходящими тектоническими движениями. При неравномерном распределении давления пластичный материал нагнетается из одних участков в другие, образуя характерные «ядра нагнетания», или прорывает толщу вышележащих молодых пород, образуя структуры: соляные антиклинали, купола и соляные структуры типа платформенных складок. В западной части Прикаспийской впадины формировались соляные купола и антиклинали, вытянутые вдоль борта; ближе к центру впадины формируются соляные купола, как правило приуроченные к разломам фундамента. При этом породы внутри купола сильно дислоцированы и наклонены под разными углами. В связи с растягивающими напряжениями, возникающими при подъеме купола, характерно образование густой сети концентрических и радиальных разломов. Вокруг куполов за счет оттока соли образуются компенсационные мульды. Для зон растяжения характерна трещиноватость, флюидопроницаемость, усиленный газо - и водообмен и аномалии естественных геофизических и геохимических полей.
Формирование соляных структур происходило в Прикаспийской впадине с позднепермского этапа. Купола испытывали подъем со средней скоростью 0,018 мм/год, а из межкупольных депрессий происходил отток соли. Современная скорость роста куполов изучена недостаточно, но вблизи Волгограда на геодезических полигонах Светлоярского и Паромненского куполов проводились наблюдения, которые подтвердили нестационарность движений во времени и то, что современные движения не являются однородными, а зависят от внутренней складчатости купола, где имеются поднятия и погружения второго порядка. Кузнецовой СВ. (2000) установлено, что скорость роста соляных куполов в Прикаспии значительно выше предполагавшейся ранее и составляет 8,85-14 мм/год.
Наличие в массивах пород различной (литогенетической, тектонической) трещиноватости, неоднородности состава, сложения и форм залегания, разгрузка напряжений, и другие особенности определяют резкие различия в ве личинах показателей свойств образца и массива в целом. Показатели деформационных свойств соляных пород — модуль упругости Е и коэффициент Пуассона Л имеют важные значения при оценке процессов деформации и разрушений соляных пород, происходящих при сооружении подземных емкостей и скважин. Величина модуля деформации кристаллов каменной соли по данным А.Ф. Иоффе составила 4.2 104 МПа, а для массива мелкокристаллической каменной соли Тенгизского месторождения находится в пределах 1.63-3.27 104МПа[84, 123].
Для прогноза инженерно геологических процессов, расчетов деформации пород в основании сооружений, устойчивости откосов и т. д., а также при инженерно-геологическом моделировании необходимо различать - инженерно-геологические элементы и массивы пород. Элементы (по Н.В. Коломенскому, 1956) представляют часть геологического разреза, обособленную по стратиграфическим, фациальным и петрографическим признакам (пачка, слой, линза, контактная зона и т.п.), в пределах которых породы обладают одинаковыми инженерно-геологическими показателями свойств, трещиноватостью, выветрелостью, и другими особенностями. По В.Т. Трофимову "горную породу в естественных условиях ее залегания следует рассматривать как некоторую систему, находящуюся в подвижном, постоянно меняющемся равновесии и состоящую из нескольких фаз, или точнее компонентов. Изменение одной из фаз приводит к изменению свойств всей системы [98].
Инженерно-геологические особенности Прикаспийской впадины
Прикаспийская впадина, расположена на юго-восточной окраине Русской плиты Восточно-Европейской платформы. Это отрицательная платформенная структура площадью свыше 500 тыс. кв.км. На западе и на севере впадина ограничена Воронежской антеклизой, отделенной с севера Пачелм-ско-Саратовским авлакогеном от Волго-Камской антеклизы. Западная граница проходит по гравитационному бортовому уступу, называемым Волгоградским разломом или западным бортом Прикаспийской впадины, вдоль русла Волги [41]. С востока Прикаспийская впадина ограничена складчатыми со-оружениями Урала и Мугоджар. С юго-востока впадина отделена Южно-Эмбинским разломом от Северо-Устюртского массива, с юга граница проходит по разлому вдоль Астраханского сводового поднятия, отделяющему ее от Донецко-Каспийской складчатой зоны (рис. 2.6). Сочленение Прикаспийской впадины с обрамляющими структурными элементами выражено в глубинных разломах и краевых прогибах. Прикаспийская впадина - это область развития мощных галогенных толщ кунгурского яруса нижнепермских отложений и глубокого залегания кристаллического фундамента. С позиции классической геологии (А.А. Архангельский, Н.И. Шатский, В.Д. Наливкин) Прикаспийская впадина является частью Русской платформы, что предопределяет существование во впадине дорифейского кристаллического фундамента, а также ее формирование связано с областью длительного погружения земной коры. Здесь отрицаются горизонтальные перемещения блоков фундамента [73]. С позиции О.Г. Бражникова (1987), Прикаспийская впадина не является частью Русской платформы, а представляет собой более молодое каледонское тектоническое образование с реликтовой базальтовой корой Палео-Азиатского океана. Значительные различия обнаруживаются в толщине и составе осадочного чехла, его структуре и соотношении со структурой поверхности фундамента. В результате интерпретации материалов сейсморазведки установлено блоковое строение фундамента впадины, которая представляет собой асси-метричную отрицательную структуру. Отмечается неравномерное ступенчатое погружение поверхности фундамента от 7-9 км в прибортовых зонах до 16-19 и 24-26 км в ее центре (рис. 2.7).
По материалам глубинного сейсмического зондирования уточнен разрез земной коры и верхней мантии Прикаспийской впадины. Под центром впадины мощность коры уменьшается от 30 до 32 км. Под прогнутой частью впадины на уровне фундамента установлены большие скорости сейсмических волн 6,7 - 7,4 км/с. Это позволяет отождествлять фундамент центральной части Прикаспийской впадины с "базальтовым" геофизическим слоем. В подсолевой части разреза выделяют три струк турных комплекса - байкальский, каледонский и герцинский, сложенные карбонатно-терригенными породами. Наличие мощных толщ каменной соли (галитовой породы) является характерной чертой разреза солевого комплекса. В каменной соли содержатся пласты калийно-магниевых солей (в основном в западной части Прикаспийской впадины) и прослои ангидритов, ангидрито-доломитов. Также вскрываются линзы, пласты и горизонты высокоминерализованных подземных вод - рапы. Мощность солевого комплекса по данным геофизических исследований в ядрах солевых куполов Прикаспия может доходить до 8 км, а в межкупольных мульдах сокращается от нескольких сотен метров до нуля. Средняя первоначальная толщина соли в центре впадины оценивается в 2-6 км. Вследствие соляной тектоники она может изменяться от 3872 м. (скв.З Упрямовская) и 445 м. (скв.1 Упрямовская) [122]. На территории Прикаспийской впадины известно 1758 соляных куполов. Они распространены по двум линиям, одна из которых протягивается вдоль реки Урал, а вторая ориентирована в северо-западном направлении от города Актырау до озера Эльтон. С увеличением глубины погружения купола сливаются в соляные гряды, образующие вместе с межкупольными де- прессиями сложную ячеисто-сотовую структуру. Штоки куполов имеют высоту до 8 км и достигают огромных размеров в плане. Например, площадь купола Баскунчак равна 100 км2, а Индер - 650 км2. Соляные антиклинали представляют складки вытянутой формы, осложненные в верхней части соляными куполами. Они характерны для прибортовых зон бассейна. Межкупольные депрессии оформились как отрицательные структуры одного ранга с соляными куполами в результате оттока соли к этим куполам. В отличие отних компенсационные мульды, мульды оседания и грабены возникли непо- средственно внутри массивов соляных куполов и антиклиналей и являются вторичными структурами [125]. Соляная тектоника - это вид складчатости нагнетания, присущий соляным образованиям. Объективным критерием оценки степени проявления пластичности в соляных толщах могут служить такие факторы, как будинаж, характер внутренней складчатости и наличие разрывных нарушений [41]. Деревягиным B.C. определялась степень пластических перемещений солей в процессе формирования Эльтонской и Баскунчакской солянокупольных структур, а также сделан вывод, что под характером внутренней складчатости соляных структур следует понимать деформацию галогенных пород при тектогенезе [41]. Ниже приводится характеристика соленосных отложений Тенгизского месторождения нефти и купола Северный Камысколь, расположенных в восточной части Прикаспийской впадины. Тенгизское подсолевое поднятие представляет собой крупную тектоно-седиментационную структуру, размеры которой по замкнутой изогипсе — 5100 м 23 х 20 км при амплитуде более 1200 (рис.2.8) [99]. Соляная структура Тенгизского месторождения ложится на брахиантиклинальную складку с амплитудой до 1000 м, имеет довольно интенсивную внутреннюю тектонику и сложно-построенную форму в плане, поэтому подсолевая толща пород дислоцирована сложно и разнообразно (рис. 2.9). На площади выделяется два участка: юго-западный со слабо нарушенной поверхностью солевого комплекса и северо-восточный, где кровля соленосных отложений очень сильно нарушена разрывными нарушениями.
Исследование массивов соляных пород в условиях пластового залегания на Приволжской моноклинали
Основной базой для обоснования проекта и строительства подземных сооружений в толще соляных пород является изучение их физико-механических свойств. В настоящее время на Россошинской площади, расположенной в пределах Приволжской моноклинали, проводились инженерно-геологические исследования под строительство подземных емкостей для хранения газа. Создание хранилища подобного типа является одним из первых в России, но и оно не сможет в полной мере обеспечить такой мегаполис, как Волгоград, поэтому необходимость создания ряда аналогичных ПХГ в толще солей на Приволжской моноклинали недалекое будущее. Кунгурские солевые отложения здесь не затронуты соляным тектогенезом и залегают в относительно спокойных и выдержанных по площади пластовых условиях в виде мощной (в восточной части до 1000м.) толщи, которая, воздымаясь в сторону Воронежского массива, постепенно сокращается до полного ее срезания. На западе моноклинали - это преимущественно ангидриты и доломиты, а на востоке — это ритмопачки, сложенные каменной солью - галитом, калийно - магниевыми солями, прослоями ангидрита; а в подошве ангидри-то-доломитовыми породами.
Изучение физико-механических свойств на Приволжской моноклинали проводилось в 70х, начале 80х годов прошлого века в связи с интенсивными поисками месторождений нефти и, попутно, - бишофита на Антиповско-Балыклейской и Городищенской площадях. Из скважин 19, -30, -45 -Антиповско - Балыклейских и 6041, -6042 Городищенских отбирался керн из соленосных отложений, представленный галитом, сильвинитом, карналлитом и бишофитом. Исследования соляных пород проводились в институте Волго-градНИПИнефть на цилиндрических образцах как статическими, так и динамическими методами в условиях приближенным к пластовым с учетом давлений и температур. Изменение температуры с глубиной на Антиповско -Балыклейской площади показано на рис 3.10. Установлено, что повышение температуры для соляных пород значительно понижает продольную скорость. Например, для галита эта величина в интервале температур 20-200С составляет 13-16%. Скачкообразное понижение скорости Vp у бишофита при температуре свыше 150С обусловлено началом плавления минерала в собственной кристаллизованной воде. Температура плавления бишофита при нормальных условиях равна 110-114С. С повышением всестороннего давления температура плавления бишофита увеличивается [120].
На основании экспериментальных данных о скорости упругих волн и плотности, измеренных при всестороннем давлении, были вычислены динамические (эффективные) упруго-деформационные параметры: модуль Юнга Ею, модуль сдвига G и коэффициент Пуассона /х (табл.3.4).
Коэффициент Пуассона в интервале давления 150-500 МПа практически остается неизменным для галита, карналлита, сильвинита. Для бишофита сохраняется аномальность в изменении указанных параметров. В таблице 3,5 приведены упругие и плотностные характеристики для минерала галита и га-литовой породы (монокристалла, пресованного и естественных образцов), а также модули, рассчитаные по замерам Vp в скважинах, Vs для расчетов получена в результате лабораторных измерений при давлении, соответствующему пластовому.
Упругие динамические параметры для образцов из керна несколько отличаются от соответствующих значений для монокристалла. Это объясняется тем, что в естественных образцах кристаллы галита могут быть различных размеров и форм, иметь различную степень сцепления друг с другом и примеси других минералов (около 2%). Особый интерес вызывает сопоставление результатов лабораторных исследований керна галита с данными, рассчитанными для пластовых условий по акустическому каротажу [120].
Отбор керна в скважине 30 Антиповско-Балыклейской производился на глубинах от 1300 до 1500 м и исследовался динамическим методом (табл. 3.6). Результаты исследования физико-механических свойств соляных пород статическим методом на Антиповско-Балыклейской и Городищенской площадях приведены в таблице 3.7. Сопоставление геолого-геофизических разрезов кунгурской толщи по скважинам 146, -30 Антиповско-Балыклейским 3 Алексеевской показывает сходимость как по количеству ритмопачек, так и по литологическим особенностям (рис 3.11).
Сравнение физико-механических свойств солей, определенных экспериментальными и геофизическими методами
При проведении инженерно-геологических изысканий с целью сооружения подземных хранилищ в практически непроницаемом массиве соляных пород особое внимание уделяется ослабленным зонам, в которых породы отличаются более низкими прочностными свойствами по сравнению с окружающими. Большое значение имеют зоны выщелачивания, зоны тектонических нарушений, прослои калийно-магниевых солей, прослои пластичных глин с аномально высокими пластовыми давлениями, характерными для Астраханского свода, а также зоны с высокоминерализованными рассолами — рапой с АВПД.
Геофизические методы определения естественных напряжений привлекательны относительно малой трудоемкостью и вовлечением в испытание значительного объема пород, но результаты часто являются ориентировочными. Поэтому сочетание натурных геомеханических и геофизических экспериментов с физическим и механическим моделированием перспективно, получаются наиболее достоверные данные, так как имеется возможность их анализа и взаимного корректирования.
При сопоставлении данных геофизических исследований с результатами инженерно-геологического опробования большое значение приобретают вопросы масштабности. Сопоставление является корректным только в том случае, если оно относится к равным объемам пород. При сопоставлении с данными геофизических наблюдений, выполняемых в скважинах, должны использоваться данные, адекватные областям геофизических исследований. Поскольку показатели физико-механических свойств пород чаще всего определяются на небольших по размеру объемах среды, то большую роль в решении данной задачи играет применение ультразвуковых методов, так как они характеризуют также небольшие объемы.
По данным кернового материала, исследованного институтом ВолгоградНИПИнефть и автором из скв. 30, 45 Антиповско-Балыклейских и скв. 6040, 6041 Городищенских, физико-механические свойства галита следующие: плотность 2,07 — 2,18 г/см3, общая пористость 1,3 - 2,8%, предел прочности на одноосное сжатие 22.0 - 27.5 МПа, модуль упругости 3,58 — 3,98 104 МПа, модуль сдвига 1,34 - 1,94 104 МПа, коэффициент Пуассона 0,24 — 0,29. Результаты многочисленных исследований механических свойств соленосных отложений свидетельствуют, что их прочностные свойства определяются структурными неоднородностями: рассланцеватостью, трещиноватостью, размером кристаллов минералов.
В таблице 3.32 приведены динамические упругие характеристики ангидрита, сильвинита, карналлита и бишофита, рассчитанные автором по методу акустического каротажа и сравненные с ранее проведенными экспериментальными.
В пределах однотипной породы, которой является каменная соль, автором проведено исследование влияния минерального состава на прочность при одноосном сжатии (см. табл. 3.9),а также проведены расчеты динамического модуля упругости и коэффициента Пуассона по данным АК (см. табл. ЗЛО). Дело в том, что для определения динамического модуля Юнга Е и динамического модуля сдвига G необходимо дополнительно знать величину плотности породы. Однако, с помощью одних акустических измерений (интервального времени пробега и скорость распространения упругих волн) величины Е и G вычисляются с достаточно высокой точностью.
Для Приволжской моноклинали характерны широкие вариации (от 5 до 80%) содержания в каменной соли таких минералов как карналлит, бишофит, сильвин и ангидрито-доломит, что позволяет выявить их роль в формировании прочностных свойств соли. Автором установлено, что содержание сильвина до 25% практически не влияет на прочность каменной соли и только содержание карналлита и бишофита даже в небольших колличествах (5-12%) оказывает существенное влияние на понижение прочности.
Разнообразие структурно-минералогических особенностей пород исследуемого комплекса обусловило широкий диапазон изменения их прочности: прочность на одноосное сжатие при содержании бишофита до 25% уменьшает прочность каменной соли до 11.5 МПа, содержание карналлита до 25% снижает прочность до 13-12.5 МПа, а содержание сильвина 25% - до 21 МПа. При содержании бишофита до 70% (бишофитовая порода), а галита 30% - прочность значительно уменьшается до 5.8 МПа (рис.3.25).
По данным исследований для каменной соли Тенгизского месторождения, где между кристаллами существует слабая связь, присутствие ангидрита даже до 30% существенно не увеличивает прочность на сжатие и она изменяется в пределах от 25 до 27.6 МПа, т.е. составляет в среднем 25.9 МПа, что характерно для чистой каменной соли (галита 98%).
