Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Комплексирование методов ГИС с целью определения физических свойств грунтов

Специальность - 25.00.10 - Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

На правах рукописи

Муллагалеева Наиля Рамилевна

Екатеринбург - 2011

Работа выполнена в открытом акционерном обществе научно-производственном предприятии «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт геофизических исследований геологоразведочных скважин» (ОАО НПП «ВНИИГИС») и ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Давыдов Юлий Борисович

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Демежко Дмитрий Юрьевич кандидат геолого-минералогических наук, доцент Крылатков Сергей Михайлович

Ведущая организация - ОАО «Уральский научно-исследовательский институт архитектуры», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится 23 июня 2011 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу: 620144, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Куйбышева, 30 ( III уч. корпус, конференц-зал ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Автореферат разослан 17 мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.Б. Макаров.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время постоянно возрастающие требования к достоверности решения задач инженерной геологии обусловливают необходимость привлечения новых, более информативных геофизических методов исследований инженерно-геологических скважин (ГИС). Внедрение новых методов ГИС обусловлено прежде всего необходимостью строительства инженерных сооружений промышленного, гражданского, гидротехнического и мелиоративного назначения на грунтовых площадках с осложнёнными инженерно-геологическими условиями, т.е. на грунтовых основаниях, сложенных выветрелыми, трещиноватыми и закарстованными горными породами с пониженными показателями физико-механических свойств.

Так как новые геофизические методы исследования грунтов характеризуются более высокой детальностью, экспреccностью, возможностью изучения больших массивов горных пород, представительностью по сравнению с керновым опробованием, а также низкой трудоемкостью и стоимостью, то эффективное применение их для решения задач инженерной геологии является весьма актуальной практической задачей.

В развитие инженерной геологии большой вклад внесли такие российские учёные, как Саваренский Ф.П., Попов И.В., Приклонский В.А., Денисов Н.Я., Коломенский Н.В., Сергеев Е.М., Ломтадзе В.Д., Белый Л.Д. и др., в разработку методов и технических средств определения физико-механических свойств грунтов Урупов А.К., Бяков Ю.А., Бондарев В.И., Савич А.И., Витке В.И., Александров Б.М., Варга А.А., Осипов В.И. и многие другие исследователи.

Определение физико-механических свойств (ФМС) грунтов и элементов их залегания (углов и азимутов наклона) является составной частью инженерно-геологических изысканий, необходимой для проектирования и строительства инженерных сооружений. Достоверность оценки вводимых в расчет физико-механических характеристик в значительной мере обусловливают надёжность строящихся сооружений. Поэтому при инженерно-геологических изысканиях методы ГИС, позволяющие осуществить всесторонний и комплексный анализ горных пород, заслуживают должного внимания. Постоянное развитие аппаратурно-методической базы геофизических исследований создает реальную перспективу использования новых методов при решении задач инженерной геологии.

В работе рассматриваются вопросы обоснования необходимости дополнения существующего комплекса ГИС новыми методами для оценки структурно-текстурных неоднородностей и физико-механических свойств горных пород, вскрытых инженерно-геологическими скважинами. К новым для инженерной геологии методам оценки трещиноватости и определения элементов залегания пород относится метод бокового сканирующего каротажа (БКС), разработанный для нефтяной геофизики. Применение метода БКС на объектах инженерного назначения в комплексе с волновым акустическим каротажем (ВАК) позволяет существенно повысить информативность геофизических исследований и более достоверно решать ряд важных при проектировании сооружений инженерно-геологических задач.

Объектами исследования являлись инженерно-геологические скважины при проектировании мостового перехода в г. Владивостоке через пролив Босфор Восточный от полуострова Назимова до мыса Новосильского на острове Русском и при строительстве шахты на месторождении калийных солей в районе г. Волгограда.

Цель работы - обоснование эффективного применения методов БКС и ВАК в комплексе ГИС для исследования физико-механических свойств грунтов при решении задач инженерной геологии.

Основная идея работы заключается в повышении геологической информативности при оценке трещиноватости, а также достоверности определения прочностных свойств горных пород за счёт включения в применяемый в инженерной геологии комплекс ГИС новых геофизических методов - БКС и ВАК.

Основными задачами исследования являются:

1) изучение, систематизация, анализ и обобщение данных геолого-геофизической информации по объектам исследований;

2) анализ возможностей отдельных методов и в комплексе ГИС для исследования тонкой слоистости (слойчатости), трещиноватости и ФМС грунтов;

3) экспериментальные исследования методом сканирующего бокового каротажа с целью проверки разрешающей способности аппаратуры при выделении различных видов локальных неоднородностей и нарушенности грунтов, в том числе вертикальных и наклонных трещин;

4) исследование взаимосвязей физико-механических свойств горных пород с акустическими и закономерностей их изменения в зависимости от литологической принадлежности, стадий литогенеза (эпигенеза) и глубины залегания;

5) исследования инженерно-геологических скважин с целью выделения интервалов слойчатости и трещиноватости грунтов комплексом методов бокового сканирующего и волнового акустического каротажа;

6) оценка физико-механических свойств грунтов по данным волнового акустического каротажа с учётом углов наклона пластов;

7) анализ и сопоставление расчётных данных физико-механических свойств, определяемых по ГИС, с лабораторными данными изучения керна;

8) комплексная обработка и обобщение результатов практического применения комплекса методов БКС и ВАК на объектах исследования и оценка его эффективности при инженерно-геологических изысканиях.

Методы исследования: Основные положения и выводы диссертационной работы основаны на теоретических, экспериментальных, опытно-методических и производственных исследованиях, проведенных на моделях метрологического центра ОАО НПП «ВНИИГИС» и в инженерно-геологических скважинах, полученных с помощью аппаратуры АКИПС-48, АЭСБ-73 (БКС), СПАК-6Д и АКЦ-48 (ВАК). Обработка данных осуществлялась с использованием программ Microsoft Excel, Imager - построение азимутальных разверток, Achilles - визуализация и обработка данных ГИС. Расчёт углов наклона и азимутов падения пластов горных пород и трещин выполнялся с помощью системы ПРАЙМ, расчет физико-механических свойств грунтов - программой FMS, построение объемной литологической модели скважины - программой ОРТСОМ.

Защищаемые научные положения:

1. Метод бокового сканирующего каротажа обеспечивает выявление и детальную, высокоразрешающую оценку текстурных неоднородностей горных пород, анизотропию их электрических свойств, углы и азимуты наклона слойчатости и трещиноватости в разрезах инженерно-геологических скважин.

2. Метод бокового сканирующего каротажа в комплексе с волновым акустическим позволяет повысить информативность и достоверность выявления зон слойчатости и трещиноватости, а также оценки упруго-деформационных и прочностных свойств горных пород за счёт учёта элементов их залегания (углов и азимутов наклона), стадий литогенеза (эпигенеза) и глубины залегания.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций работы подтверждена результатами теоретических расчетов, экспериментальных и опытно-методических исследований, выполненных на моделях метрологического центра ВНИИГИС, а также в инженерно-геологических скважинах г. Владивостока и месторождения калийных солей Поволжья. В настоящее время ведется строительство данных объектов.

Научная новизна результатов исследований заключается в следующем:

- Впервые для решения инженерно-геологических задач использован метод сканирующего бокового каротажа, позволяющий оценивать электрические неоднородности, выявлять зоны трещиноватости горных пород, а также определять углы падения пластов и азимуты их залегания.

- Применение БКС в комплексе с ВАК позволяет повысить информативность и достоверность геологической информации при определении физико-механических свойств грунтов за счёт учета данных об элементах залегания и анизотропии пластов.

Для повышения информативности комплекса при выявлении зон трещиноватости, а также при оценке прочностных свойств горных пород за счет использования в расчетных формулах данные об элементах залегания и анизотропии пластов БКС применялся в комплексе с ВАК.

Практическая значимость работы заключается в повышении информативности и достоверности комплекса ГИС для обоснования проектных решений и увеличения надежности возводимых инженерных сооружений за счет применения нового для инженерной геологии метода БКС, позволяющего оценивать элементы залегания горных пород и выявлять различные виды неоднородностей и в комплексе с ВАК повысить информативность комплекса и достоверность определения ФМС свойств.

Личный вклад автора. Диссертационная работа базируется на экспериментальных и опытно-методических исследованиях в области бокового каротажа и его сканирующей модификации, в которых автор принимает участие с 2001 г. в качестве исполнителя. С его непосредственным участием были выполнены работы по методическому обоснованию многоэлектродного БКС для решения задач инженерной геологии и разработано соответствующее программное обеспечение для визуализации данных. Автором были проанализированы возможности БКС на инженерно-геологических объектах. Сделаны выводы, что метод БКС в комплексе с ВАК позволяет повысить информативность и достоверность выявления зон слойчатости и трещиноватости, а также оценки упруго-деформационных и прочностных свойств горных пород за счёт учёта элементов их залегания (углов и азимутов наклона), стадий литогенеза (эпигенеза) и глубины залегания.

Апробация работы и публикации.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ в г. Октябрьский 27 октября 2006 г.; на межвузовской научной конференции студентов и молодых ученых "Молодые - наукам о Земле" - Москва: СНТО, 2008 г.; на Международной научно-практической конференции молодых ученых и студентов, г. Екатеринбург, УГГУ, 2009 г.; на VIII Конгрессе нефтепромышленников России, «Новые достижения в технике и технологии геофизических исследований скважин» - г. Уфа, 2009 г; на VII Международной научно-практической конкурс-конференции молодых специалистов - г. Санкт-Петербург, 2009 г.; на X и XII Уральской молодёжной научной школе по геофизике - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2009; на XI Уральской молодёжной научной школе по геофизике - Екатеринбург, 2010 г; на научно-практической конференции «Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин», проводимой в рамках VIII Международной специализированной выставки «Газ. Нефть. Технологии-2010» - г. Уфа, 2010 г.

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна - в издании, определенном Высшей аттестационной комиссией (Научно-технический вестник «Каротажник». - Тверь: Изд. АИС, 2009. - Вып. 4 (181). - С 64-71).

Структура, содержание и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержащего 97 наименований. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 21 рисунок и 8 таблиц.

Благодарности. Диссертационная работа подготовлена в ОАО НПП "ВНИИГИС" и в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» под научным руководством доктора физико-математических наук, профессора Ю. Б. Давыдова, которому автор искренне благодарен.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность коллегам по работе, с которыми проведена основная часть исследований, и, прежде всего, заведующему и сотрудникам отдела № 19 "Программно-управляемая геофизическая аппаратура" ОАО НПП "ВНИИГИС": Даниленко В.В., Мамлееву Т.С., Крысову А.А., Николаеву Ю.В., Гулимову А.В., к.т.н. Лысенкову А.И., к.г-м.н. Борисовой Л.К., Мамлеевой С.Т., , Шокурову В.Ф., к.т.н. Потапову А.П., Головацкой Г.И., Мишанову М.А., к.т.н. Гайфуллину Я.С., Шайхутдиновой Р.А., Альмухаметовой Г.С. и многим другим, а также заведующим отделами и сотрудникам смежных отделов ОАО НПП "ВНИИГИС" Болгарову А.Г, Болгаровой О.С., Еникееву В.Н., Ханипову З. З. Особая благодарность за консультации и ценные советы Косолапову А. Ф. и д.т.н. Гуторову Ю. А.

Постоянное содействие в практической реализации идеи работы и в проведении скважинных испытаний оказывали: директор ОАО НПП "ВНИИГИС", к.г.-м..н. Перелыгин В.Т., председатель Совета директоров ОАО НПП "ВНИИГИС", директор ЗАО НПФ "ГИТАС", к.т.н. Даниленко В.Н., а также дирекция института, руководители и главные специалисты производственных организаций. Всем им автор выражает глубокую признательность.

волновой акустический каротаж горный

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе на основе анализа возможностей современных геофизических методов для решения задач инженерной геологии поставлена цель и обоснованы задачи исследований.

Вторая глава посвящена описанию приборов бокового каротажа сканирующего (БКС), разработанных во ОАО НПП «ВНИИГИС», и физическим основам бокового сканирующего каротажа, представляющих собой усовершенствованные модификации каротажа сопротивления с возможностями наклономера. Аппаратура БКС позволяют выделять более тонкие пропластки электрических неоднородностей за счет уменьшения вертикального разрешения центрального электрода и благодаря встроенному инклинометрическому датчику, определять элементы залегания пластов (угол наклона, азимут) и анизотропию горных пород. Приводятся результаты модельных работ с целью определения разрешающей способности прибора, а также точности определения углов падения на стеклопластиковой модели скважины. Описывается интерпретация данных БКС: нахождение границ пластов, которые впоследствии используются при определении углов падения, азимутов и коэффициента анизотропии; определение удельного сопротивления по шестнадцати направлениям. Приводится краткое описание программы Imager, разработанной специально для представления данных электрического сканера в виде цветных графических изображений в форме азимутальных разверток, а также попутной математической обработки отображаемых данных.

В третьей главе описываются теоретические основы волнового акустического каротажа (ВАК), рассматриваются решаемые данным методом задачи, в том числе в комплексе с плотностным каротажем по определению упруго-деформационных свойств горных пород в естественном залегании (коэффициента Пуассона, модулей Юнга, сдвига и объемной упругости). Описана методика определения прочностных свойств горных пород по данным волнового акустического каротажа. За основу взята «угольная» методика, учитывающая влияние современного естественного напряженного состояния пород в массиве, структурно-текстурной неоднородности (слойчастости), нарушенности (трещиноватости), а также анизотропии прочностных свойств в зависимости от угла наклона пластов. Геологически обоснованы критерии адаптации «угольной» методики определения прочностных свойств горных пород применительно к инженерной геологии.

В четвертой главе приведены результаты практического применения комплекса методов БКС и ВАК на инженерных объектах при проектировании опор моста к острову Русский в районе Владивостока и строительстве шахты на месторождении калийных солей Поволжья.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Метод бокового сканирующего каротажа обеспечивает выявление и детальную, высокоразрешающую оценку текстурных неоднородностей горных пород, анизотропию их электрических свойств, углы и азимуты наклона слойчатости и трещиноватости в разрезах инженерно-геологических скважин.

Трещиноватость горных пород характеризует их сплошность и возможность механического разрушения, поэтому является одним из решающих факторов при инженерно-геологической оценке. Выделять трещинные зоны, определять характер и ориентацию одиночных субгоризонтальных трещин в горном массиве позволяет метод пластовой наклонометрии, а для оценки трещиноватости стенки скважины широкое распространение получил акустический видеокаротаж (АВК). К недостаткам АВК можно отнести недостаточную информативность, обусловленную малой глубинностью метода, что не позволяет с его помощью различить поверхностные трещины от трещин, проникающих в глубь пласта, а также влияние на отражательную способность поверхности стенки скважины, наличие на ней различных загрязнений: парафина, мазута, глинистой корки и т.п.

Одним из современных методов оценки трещиноватости является также боковой каротаж сканирующий (БКС). БКС является сканирующей модификацией каротажа сопротивлений, позволяющей по электрическим параметрам выявить тонкие пропластки горных пород, оценить их неоднородность, слоистость, анизотропию, а также определить элементы залегания - угол и азимут падения геологических поверхностей.

В ОАО НПП «ВНИИГИС» разработаны и используются для скважинных исследований два типа приборов сканирующего бокового каротажа: это цифровой модуль БКС в составе скважинного комплекса АКИПС-48 (Сагалович О.И., Мамлеев Т. С. И др.) и АЭСБ-73 (Николаев Ю.В., Крысов А. А. и др.). Модуль в составе АКИПС-48 представляет собой прибор бокового каротажа диаметром 48 мм, центральный фокусированный электрод которого разделен на 8 секций, с раздельной регистрацией тока каждой секции. АЭСБ-73 является усовершенствованной модификацией предыдущего прибора, было увеличено количество секции центрального электрода до 16-ти и одновременно уменьшено вертикальное разрешение до 12,5 мм. В конструкцию прибора были включены инклинометрические датчики, обеспечивающие привязку показаний сегментарных электродов к магнитному азимуту и предусмотрена возможность работы в низкочастотном (25 Гц) и высокочастотном (2500 Гц) режимах зондирования, в режиме измерения переходных процессов и вызванной поляризации. Усовершенствования аппаратуры БКС позволили выделять более тонкие пропластки электрических неоднородностей, определять элементы залегания горных пород (угол наклона, азимут), анизотропию, а также получать информацию о поляризационных свойствах скважинных формаций.

Разработкой аппаратуры с аналогичным принципом действия занимаются также в НПО "Нефтегеофизприбор" (г. Краснодар) - это азимутальный электрический сканер АЭС-8 и прибор двойного компенсированного бокового микрокаротажа Э42С. Фирма ООО "СЭЛКА" -цифровая сканирующая аппаратура бокового каротажа Э49ХС и бокового микрокаротажа Э42ХС (разработчик Е. А. Кулигин). Зарубежным аналогом является каротажный прибор ARI (Azimutal Resistivity Imager).

С целью проверки разрешающей способности аппаратуры АЭСБ-73 при выделении различных видов неоднородностей, в том числе вертикальных, наклонных трещин, были проведены исследования на модельной скважине № Э-2 ОАО НПП ВНИИГИС. Дополнительно была создана стеклопластиковая модель трубы, имитирующая пласты с углами наклона 5, 10, 20, 40 для точного определения углов. Результаты модельных работ показали высокую разрешающую способность аппаратуры АЭСБ-73, которая позволяет определить отдельные локальные неоднородности размером 2 мм и более, вертикальные и наклонные трещины и достаточно точно углы наклона пластов до 45.

Технология определения углов на основании скважинных измерений электрических неоднородностей основана по принципу пластового наклономера. При пересечении электродами какой-либо физической границы (кровли или подошвы пласта, трещины и т.п), каждый электрод пересекает её на разных высотных отметках и фиксируют изменение удельного электрического сопротивления горных пород. Это дает возможность по взаимному смещению кривых изменения УЭС определить угол и азимут падения этой границы, при известных значениях азимута одного из электродов, зенитного угла и азимута скважины. Расчеты элементов залегания производятся с помощью включенных программных модулей в интегрированную систему обработки геофизических данных ПРАЙМ, специально разработанные для обработки и интерпретации данных БКС (Потапов А.П., Головацкая Г.).

Интерпретация данных бокового сканирующего каротажа аналогична методу трехэлектродного бокового каротажа с регистрацией как сопротивления, так и проводимости пород. Метод БКС обладает по сравнению со стандартными зондами электрического каротажа более высокой расчленяющей способностью и отсутствием экранных эффектов. Кривые БКС более дифференцированы и более четко, чем кривые КС, фиксируют границы пластов и тонкие прослои низкого сопротивления, что обеспечивает повышенную точность при определении мощности и особенно структуры пластов. Граница пластов, найденная по одной из 16-ти кривых сканирующего бокового каротажа, используется для нахождения границ пластов для остальных кривых. С этой целью применяется способ математического моделирования границ пластов с вычислением функции взаимной корреляции кривой и модели кривой на границе двух пластов. Найденные границы используются при определении углов падения пластов и азимутов пластов.

Сканирующий боковой каротаж позволяет изучать азимутальную анизотропию электрических свойств разреза, которая может быть следствием трещиноватости, косой слоистости пород, наклона пластов, анизотропии проницаемости и сложной структуры коллекторов. Для повышения эффективности метода целесообразно проводить интерпретацию материалов БКС в комплексе с другими методами ГИС. Сканирующий боковой каротаж может достаточно уверенно "увидеть" субвертикальную трещину, в этом случае показания зондов будут достаточно сильно расходиться в интервале нарушения. В случае небольшой контрастности между удельным электрическим сопротивлением пласта и пластовой воды область трещиноватости можно оценить по значению азимутальной анизотропии пластов (не меньше 1.2) и в присутствии на общем фоне аномально больших углов, характерных для данного разреза.

Определение границ и элементов залегания пластов, выявление электрических неоднородностей осуществляется программой ПРАЙМ. Для визуализации данных электрического сканера в виде цветных графических изображений в форме азимутальных разверток, а также попутной математической обработки отображаемых данных была разработана программа Imager (Мамлеева С.Т.).

Разрешающие способности аппаратура бокового каротажа сканирующего и соответствующее программно-методическое обеспечение позволяют определять:

Ш удельное электрическое сопротивление пластов;

Ш азимутальную неоднородность пород с предоставлением развертки по удельному сопротивлению;

Ш детальное расчленение разреза по электрическим неоднородностям;

Ш азимутальную анизотропию пластов и как следствие наличие трещиноватости;

Ш структуру залегания пластов с привязкой к пространственным координатам по данным инклинометра.

Вышеперечисленные задачи являются важными и актуальными при инженерно-геологической оценке горных пород.

2. Метод бокового сканирующего каротажа в комплексе с волновым акустическим позволяет повысить информативность и достоверность выявления зон слойчатости и трещиноватости, а также оценки упруго-деформационных и прочностных свойств горных пород за счёт учёта элементов их залегания (углов и азимутов наклона), стадий литогенеза (эпигенеза) и глубины залегания.

Определение физико-механических свойств является одной из основных задач в инженерно-геологических исследованиях. В дальнейшем эти параметры используются при расчетах и обосновании конструкций и режимов эксплуатации сооружений, поэтому правильность оценки вводимых в расчет параметров определяет в значительной мере надежность и технико-экономическую эффективность проектируемых и строящихся сооружений, объектов и систем. Исследования физико-механических свойств горных пород имеют не только инженерное значение, но и общее геологическое, позволят в целом расширить их геологическую изученность. В разработку методов и технических средств определения физико-механических свойств грунтов большой вклад внесли Урупов А.К., Бяков Ю.А., Бондарев В.И., Савич А.И., Александров Б.М., Варга А.А., Витке В.И. и многие другие исследователи.

Для определения физико-механических свойств горных пород в естественном залегании при инженерно-геологических изысканиях широко применяется волновой акустический каротаж, позволяющий в комплексе с плотностным определять коэффициент Пуассона, модули Юнга, сдвига (твердости) и всестороннего сжатия, характеризующие механические свойства пород, т.е. их прочность и деформируемость. Кроме того, ВАК позволяет выполнять литологическое расчленение отложений на основные литотипы (песчаники, аргиллиты, карбонаты, ангидриты, гипсы и соли), а также оценить плотность горных пород, их сцементированность и трещиноватость, величину и структуру порового пространства (межзерновые поры, трещины, каверны), характер насыщенности пород, что также имеет большое значение при проектировании сооружений.

В практике инженерно-геологических изысканий при проектировании, строительстве и эксплуатации различных сооружений прочность горных пород (грунтов) является одной из наиболее важных физико-механических характеристик.

В настоящее время в угольных бассейнах страны накоплен обширный опыт инженерно-геологических исследований. Автором систематизированы и обобщены имеющиеся материалы в этой области. Проанализированы различные корреляционные взаимосвязи ФМС горных пород и закономерности изменения их в массиве по простиранию и с глубиной залегания в пределах угленосных геологических структур. Изученность ФМС горных пород на угольных месторождениях достаточно полная и в основном удовлетворяет запросам проектирования, строительства и эксплуатации угольных шахт и карьеров. Однако для месторождений с наиболее сложными горно-геологическими условиями, например сложным геолого-тектоническим строением продолжается, дальнейшее совершенствование технологии инженерно-геологических исследований, учитывающих генетические, петрографические и петрофизические особенности углевмещающих пород (минеральный состав, неоднородность, микрослоистость, трещиноватость, эпигенез и степень метаморфизма и др.). При этом применяется комплекс современных лабораторных и геофизических методов исследований.

Для обоснования критериев адаптации методик определения ФМС горных пород, применяемых в угольной инженерной геологии, к инженерной геологии, применяемой при проектировании строительства гражданских и промышленных объектов, были рассмотрены вышеперечисленные особенности горных пород угольных месторождений и массивов горных пород (грунтов) под строящимися объектами. При этом прежде всего были изучены особенности процессов формирования ФМС углевмещающих пород в процессе диагенеза - эпигенеза, по Гречухину В.В. и Рухину Л.Б.

Физико-механические свойства горных пород угольных месторождений, несмотря на разнообразие их по геологическому возрасту (от девонского до неогенового) и геолого-тектоническому строению, достаточно хорошо изучены. Образование и преобразование (метаморфизм) углей и углевмещающих пород является сложным парагенетическим процессом в термодинамических условиях естественного напряжённого состояния массива. Погружение и преобразование углей происходит вместе с углевмещающими породами, поэтому они претерпевают одинаковые изменения и обладают взаимосвязанными физико-механическими свойствами. Современные физико-механические свойства пород (плотность, пористость, упруго-деформационные и прочностные) отражают напряжённое состояние в массиве (горное давление и температуру), существовавшие на глубине их максимального тектонического погружения (палеоглубине) в период прогрессивного эпигенеза. При регрессии угленосных отложений, т.е. поднятии на современные глубины, углевмещающие породы сохраняют сформированные на палеоглубинах физико-механические свойства, т.е. они обладают своеобразной «памятью», позволяющей надёжно прогнозировать ФМС по известным стадиям метаморфизма (маркам) углей. Безусловно, при этом необходим учёт влияния современной глубины залегания пород, а на малых глубинах и на дневной поверхности - учёт влияния гипергенеза, возникающего за счёт выветривания, гидрохимических процессов, жизнедеятельности организмов и т.п. Особо следует отметить влияние на ФМС неравномерных при поднятии пластов пород тектонических перенапряжений, обусловливающих их растрескивание и возникновение трещиноватости.

При прогрессивном эпигенезе под воздействием возрастающего горного давления и температуры происходит уплотнение осадочных пород, перекристаллизация и изменение их минерального состава путём замещения одних минералов другими. Эти изменения оказываются необратимыми и не исчезают при регрессивном эпигенезе. Воздействие на горные породы одинаковых геологических факторов обусловливает тесные корреляционные связи между физико-механическими свойствами горных пород.

Гречухиным В.В. сформулирован принцип универсальности ФМС угленосных отложений, заключающийся в том, что при одинаковых степенях регионального метаморфизма углей и эпигенеза пород проявляются одинаковые изменения ФМС (плотности, пористости, скорости распространения упругих волн, удельного электрического сопротивления, упруго-деформационных и прочностных характеристик) углей и пород (аргиллитов, алевролитов, песчаников, сидеритов) различных угольных месторождений независимо от их геологического возраста. Этот принцип универсальности положен в основу «угольной» методики определения физико-механических свойств горных пород, учитывающей степень эпигенеза (метаморфизма) горных пород и глубину их современного залегания.

Объектом исследования инженерной геологии при проектировании и строительстве гражданских и промышленных сооружений также являются горные породы или грунты, проходящие такие же стадии окаменения и литификации, что и угленосные породы. Кроме того, верхняя часть геологического разреза, за исключением коры выветривания, не всегда является «молодой» породой, так как порода могла уже пройти определенные стадии метаморфизма и вследствие регрессивного эпигенеза подняться ближе к поверхности земли. Например, подстилающий горизонт шельфовых отложений Японского моря представлен девонскими отложениями, которые следуют сразу за четвертичными. Породы представлены крепко сцементированными песчаниками и аргиллитами. Очевидно, что они претерпели метаморфические изменения под воздействием высоких давлений и температур и поднялись на поверхность. Следовательно, при инженерных изысканиях кроме глубины залегания горных пород необходимо учитывать также и степень их метаморфизма.

Согласно инженерно-геологической классификации горные породы в земной коре встречаются изверженные (магматические), метаморфические, осадочные и техногенные. Осадочные и магматические горные породы в процессе своего осаждения постепенно превращаются в метаморфические. Магматические породы, излившиеся на поверхность, имеют обычно физико-механические свойства, сходные со свойствами пород высших степеней метаморфизма, так как также претерпевают изменения под воздействием сверхвысоких давлений и температур и соответственно будут обладать жёсткими кристаллизационными связями и иметь повышенную прочность. Магматические породы, подвергшиеся последующей метаморфизации имеют уже вторичное происхождение.

К скальным относятся осадочные породы - сцементированные песчаники и конгломераты с карбонатным и регенерационным цементом, а также известняки, доломиты и сидериты, к полускальным - сцементированные песчаники, конгломераты и алевролиты с глинистым цементом, глинистые сланцы и аргиллиты, а также глинистые известняки и мергели. Рыхлые несвязные, мягкие связные и породы особого состава крайне неблагоприятны для строительства сложных подземных сооружений (мостов, шахт и т.п.), так как они слагают самую верхнюю часть земной поверхности.

На основании проведённого анализа можно выделить два основных критерия идентификации горных пород различного генезиса применительно к оценке ФМС и адаптации «угольной» методики определения прочностных характеристик аналогичных пород в инженерной геологии:

- литологический и минеральный состав;

- степень эпигенетического преобразования (метаморфизма).

При этом оценка физико-механических свойств должна учитывать современную глубину залегания, структурно-текстурные неоднородности (слойчастость), нарушенность (трещиноватость), анизотропию упруго-деформационных и прочностных характеристик, обусловленную различными углами падения пластов и трещин. Причём следует заметить, что слойчатость это по сути тонкая слоистость пород. Лабораторными исследованиями образцов керна трещиноватых, кавернозных, выветрелых, тонкослоистых (слойчатых) и глинистых пород установлено сильное снижение у них показателей упруго-деформационных и прочностных свойств. Аналогичному влиянию подвержены и полускальные горные породы, изучаемые при инженерно-геологических изысканиях. Поэтому целесообразно использовать все имеющиеся в настоящее время достижения в области петрофизических и геофизических исследований физико-механических свойств углевмещающих горных пород также и для решения задач инженерной геологии при проектировании и строительстве гражданских и промышленных объектов.

К такому выводу ещё в 1986 году пришли исследователи Всероссийского (ранее Всесоюзного) научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО) и разработали «Методические рекомендации по применению геофизических исследований в скважинах при проведении гидрогеологических и инженерно-геологических работ» (под ред. Гершановича И.М.), в которые включили «угольную» геолого-геофизическую методику экспресс-определения прочностных свойств угленосных отложений (Косолапов А.Ф.), разработанную ВНИИГИСом, как наиболее достоверную и перспективную для применения её в инженерной геологии.

В основу «Методического руководства по исследованию угольных скважин методом акустического каротажа» (Косолапов А. Ф., Скобочкин Ю. А. и др.) положены результаты детального анализа и последующего статистического обобщения материалов исследования 100 параметрических скважин методом акустического каротажа АК (АК по скорости и АК по затуханию), наклонометрии пластов, плотностного каротажа ГГК-П, экспресс-определения объёмной плотности ?o, скорости продольных волн Vp, прочности на сжатие ?сж и растяжение ?р 25000 свежеподнятых образцов керна в полевых лабораторных условиях непосредственно на скважинах с помощью специально изготовленной полевой лаборатории-станции физико-механических свойств СФМП-1 и выборки из 500 образцов - в стационарных лабораторных условиях, приближённых в гидробарокамере к пластовым.

На основе полученных данных составлены многомерные корреляционные взаимосвязи прочностных свойств свежего керна с данными акустического каротажа и наклонометрии пластов. «Угольная» методика учитывает влияние современного естественного напряженного состояния пород в массиве, структурно-текстурной неоднородности (слойчастости), нарушенности (трещиноватости), а также анизотропии прочностных свойств в зависимости от угла наклона пластов. Основные акустические свойства - скорость распространения и затухание упругих волн в однородных отложениях - обусловлены литологическим и минеральным составом кластического (зернистого) материала и цемента (глинистого, карбонатного, регенерационного), а также степенью сцементированности кластического материала. При этом скорость продольных волн изменяется пропорционально суммарному объёму инородных по литологическому составу прослоев и залеченных трещин в диапазоне 1500?6250 м/с, а затухание - пропорционально суммарному поглощению энергии этих волн в диапазоне 6?60 дБ/м, зависящему от количества и литологического состава слойков и степени трещиноватости. Дифференциация пород по палеотермодинамическим условиям образования учитывается соответствующими коэффициентами в уравнениях, установленными для каждой стадии эпигенеза угленосных отложений.

Объектом изучения в инженерной геологии является верхняя часть геологического разреза (ВЧР). Она сложена как скальными и полускальными магматическими и метаморфическими породами, так и осадочными сцементированными и слабосцементированными, выветрелыми, трещиноватыми, а также тонкослоистыми песчано-глинистыми и карбонатными породами, для которых справедливы приведенные в «угольной» методике корреляционные уравнения взаимосвязей физико-механических свойств в диапазоне вышеприведённых значений скоростей и затуханий продольных волн. Практическое применение этих уравнений в инженерной геологии требует лишь соответствующей коррекции коэффициентов, обусловленной гипергенезом и петрофизическими особенностями пород. Коррекция уравнений осуществляется по опорным данным лабораторных петрофизических исследований свежего керна.

Уравнения прочности однородных пород при сжатии сж0 и растяжении р0 приняты в качестве базовых. В основу их положена экспоненциальная зависимость прочности пород от скорости продольных волн и современной глубины залегания:

(1)

(2)

где Vp - скорость продольных волн;

Н - современная глубина залегания пород;

( )* - поправочный коэффициент.

При использовании данных уравнений применительно к различным инженерно-геологическим условиям поправочный коэффициент ( )* уточняется по опорным данным лабораторных исследований керна из параметрических скважин изучаемого участка.

Степень неоднородности и нарушенности отложений различных стадий эпигенеза оценивается интенсивностью слойчатости-трещиноватости, выраженной через комплексный модуль МСТ (общее количество слойков и трещин на 1 м разреза):

(3)

где Н - современная глубина залегания горных пород;

p - коэффициент затухания продольных волн;

tp - интервальное время распространения продольных волн;

kf - частотнозависимый коэффициент, выбираемый в зависимости от рабочей частоты применяемой аппаратуры АК, например, для частоты 35 кГц - 1.66; 45 кГц - 1.22; 55 кГц - 1.00 (Частоты аппаратуры ПАРУС-1, ПАРУС-4, ПАРУС-6), для модуля ВАК в комплексной аппаратуре АКИПС - 25 кГц.

а и b - коэффициенты, учитывающие палеоглубину погружения и стадию метаморфизма горных пород, вмещающих основные марки углей.

Таблица 1. Значения коэффициентов уравнений в зависимости от палеоглубины погружения углевмещающих пород и стадий метаморфизма (основных марок) углей.

Коэффициенты	Палеоглубина погружения, км; стадии метаморфизма (марок) углей
	0-2	2-3	3-3.8	3.8-4.4	4.4-4.8	4.8-5.15	5.15 -6	6-7	7-12
	Б	Д	Г	Ж	К	ОС	Т	ПА	А
а b	0.15 30.1	0.157 27.84	0.143 25.44	0.123 21.92	0.093 16.05	0.0274 12.26	0.06 8.39	0.05 8.39	0.042 7.5

Для углевмещающих пород коэффициенты выбираются в зависимости от марки вмещаемого угля. Применительно к инженерно-геологическим условиям горные породы исследуемого участка необходимо идентифицировать с аналогичными углевмещающими или установить стадию эпигенеза по палеоглубине погружения пород из предыстории тектонических циклов. При отсутствии каких-либо данных выбираются коэффициенты минимальной стадии эпигенеза пород (до 2000 км).

Другим важным параметром при определении прочностных свойств является их анизотропия, обычно оцениваемая отношением значений прочности в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

При наклонном залегании пластов проявляется анизотропия акустических и прочностных свойств пород в различных (промежуточных) направлениях. Установлено, что в зависимости от угла наклона слойков и трещин различие акустических свойств достигает 30 %, а прочностных - 500 %. Так, например, при одноосном сжатии образцов пород в слойках и трещинах, расположенных под углом 45, возникают максимальные сдвиговые напряжения. Следовательно, измеренные значения соответствуют пределам прочности образцов при сдвиге, которые в 3 и более раз ниже пределов прочности таких же образцов с горизонтальной слойчатостью и трещиноватостью. Прочность при растяжении р достигает минимального значения при угле наклона 90 к напластованию. Таким образом, для оценки фактической прочности пород под любым углом ориентации слойков и трещин необходимо учитывать функциональную зависимость их анизотропии f().

С учетом коэффициентов неоднородности и анизотропии полные уравнения прочности слоисто-трещиноватых пород имеют окончательный вид (в Н/м2):

(4)

(5)

Теснота связи данных уравнений (корреляционные отношения соответственно равны 0.91 и 0.85), а также среднеквадратические относительные погрешности (соответственно 10 и 15 %), оцененные по полевым лабораторным выборкам, позволяют использовать их для экспресс-оценки прочностных характеристик с точностью соответственно 20 и 30 % при надежности результатов 95 %.

В «угольных» уравнениях при расчёте прочностных характеристик сж и р с поправкой за анизотропию используется угол наклона слойчатости-трещиноватости по данным наклонометрии пластов, а при отсутствии её - по среднепластовым геологическим данным. Метод бокового сканирующего каротажа (БКС) кроме азимутальной анизотропии удельного электрического сопротивления пород (УЭС) в околоскважинном пространстве обеспечивает также и оценку элементов залегания (углов и азимутов наклона) слойков и трещин. Включение в стандартный комплекс метода БКС существенно повышает информативность комплекса ГИС за счет использования данных об элементах залегания пластов, слоев, трещин, т.е необходимой информации для учёта вертикальной анизотропии прочностных свойств, определяемых по ВАК.

Объектами исследования комплексом БКС и ВАК являлись морские инженерно-геологические скважины при проектировании мостового перехода в г. Владивостоке через пролив Босфор Восточный от полуострова Назимова до мыса Новосильского на острове Русском и строительство шахты на месторождении калийных солей в районе г. Волгограда. Применение разных модификаций БКС в различных инженерно-геологических условиях свидетельствует о широких возможностях БКС при решении инженерно-геологических задач. БКС обладает высокой чувствительностью и разрешающей способностью к таким структурным неоднородностям горных пород, как трещины и каверны, которые могут оказать существенное влияние на их физико-механические свойства. БКС на обоих объектах позволил оценить разрезы скважин по электрическим неоднородностям; выявить тонкое переслаивание горных пород; определить элементы залегания горных пород; оценить коэффициент анизотропии и, тем самым, оценить трещиноватость исследуемых интервалов.

Основной задачей ВАК было определение литологии и пористости отложений с уточнением геолого-геофизических и физико- механических характеристик исследуемых пород. Трещиноватые интервалы определяются по перебитости фазовых линий поперечной волны и низким значениям амплитуды поперечной волны; плотные породы характеризуются высокими значениями интервального времени продольной волны, а также четким прослеживанием вступлений и амплитуд всех типов волн, что говорит о высокой плотности и монолитности данного интервала, отсутствии трещиноватости и проницаемости.

Оба метода, ВАК и БКС, использовались при расчете прочностных свойств (прочность на сжатие и растяжение) и были сопоставлены с данными керна, предоставленными заказчиками работ. Анализ результатов показал, что использование при расчете прочностных свойств углов наклона максимально приближает значения прочностей к данным, полученным по керну.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные экспериментальные и скважинные исследования боковым каротажем сканирующим (БКС) расширили область применения данного метода. Получены новые оригинальные результаты, имеющие практическое значение, основными из которых являются:

1. Метод БКС обеспечивает выявление и детальную, высокоразрешающую (2 мм и более) оценку текстурных неоднородностей горных пород, анизотропию их электрических свойств, углы и азимуты наклона слойчатости и трещиноватости.

2. На объектах инженерного назначения использовался метод БКС, что позволило оценить разрез скважин по электрическим неоднородностям, оценить зоны трещиноватости, определить углы наклона пластов, азимуты их падения и анизотропию горных пород.

3. При оценке физико-механических свойств необходимо учитывать современную глубину залегания, структурно-текстурные неоднородности (слойчастость), нарушенность (трещиноватость), анизотропию упруго-деформационных и прочностных характеристик, обусловленную различными углами падения пластов и трещин.

4. Включение в стандартный комплекс метода БКС существенно повышает информативность комплекса ГИС за счет использования данных об элементах залегания пластов, слоев, трещин, т.е необходимой информации для учёта вертикальной анизотропии прочностных свойств, определяемых по ВАК.

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией

1. Муллагалеева Н.Р., Борисова Л.К. Комплекс ГИС при исследовании морских инженерно-геологических скважин// НТВ "Каротажник". - Тверь: Изд. АИС, 2009. - Вып. 4 (181). - С. 64-71.

Статьи, опубликованные в других изданиях:

2. Муллагалеева Н.Р., Мамлеева С.Т. Использование пространственных развёрток геофизических параметров при интерпретации данных ГИС// Проблемы нефтегазового дела: Материалы международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию УГНТУ в г. Октябрьский, 27 октября 2006 г. - Уфа, 2006. - С. 24.

3. Муллагалеева Н.Р. Современные программно-управляемые комплексы типа АКИПС// Молодые - наукам о Земле: Материалы межвузовской научной конференции студентов и молодых ученых. - М.: СНТО, 2008. - С. 280.

4. Муллагалеева Н.Р. Исследование морских инженерно-геологических скважин комплексом ГИС// Международная научно-практическая конференция молодых ученых и студентов, г. Екатеринбург, 24-29 апреля 2009 г.: сборник докладов / Оргкомитет: Н. Г. Валиев (отв. за выпуск) и др.; Уральский государственный горный университет. - Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2009.

5. Муллагалеева Н.Р., Кондрашов А.В., Мамлеев Т.С. Сканирующий боковой каротаж для контроля технического состояния скважин// Новые достижения в технике и технологии геофизических исследований скважин: Материалы VIII Конгресса нефтепромышленников России, Секция "В". 26-29 мая 2009 г., г. Уфа - Уфа: ОАО НПФ "Геофизика", 2009. - С. 172-177.

6. Муллагалеева Н.Р. Исследование физических свойств морских грунтов комплексом ГИС// Геофизика-2009: Материалы VII Международной научно-практической конкурс-конференции молодых специалистов. г. Санкт-Петербург, 5-9 октября 2009 г. - Спб (Петергоф), 2009. - С. 296-299.

7. Муллагалеева Н.Р. Комплекс инженерно-геологических исследований скважин при строительстве мостового перехода// X Уральская молодёжная научная школа по геофизике: сборник научных материалов. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2009. - С. 147-151.

8. Муллагалеева Н.Р. Применение методов ГИС для решения инженерно-геологических задач. // XI Уральская молодёжная научная школа по геофизике: сборник докладов. - Екатеринбург: ИГф УрО РАН, 2010. - С. 159-161.

9. Применение сканирующего бокового каротажа для решения геолого-технических задач в открытом стволе и в обсаженных скважинах/ Муллагалеева Н.Р., Ю В. Николаев, А.А. Крысов, Т.С. Мамлеев и др.// Новая техника и технологии для геофизических исследований скважин: Материалы научно-практической конференции. г. Уфа. 26 мая 2010 г. - Уфа: ОАО НПФ Геофизика, 2010. - С. 62-65.

10. Муллагалеева Н.Р. Определение физико-механических свойств горных пород комплексом методов БКС и ВАК// XII Уральская молодёжная научная школа по геофизике: сборник докладов. - Пермь: Горный институт УрО РАН, 2009. - С. 159-161.

Размещено на Allbest.ur