Оценка напряженного состояния горных пород в глубинных скважинах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

--© Л.С. Василевская, И.В.Чернышев, 2012

УДК 622.831+ 542.34

Л.С. Василевская, И.В.Чернышев

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД В ГЛУБИННЫ1Х СКВАЖИНАХ

Приведен расчет количественной оценки естественных напряжений в массиве горных пород сейсмоакустическим методом исследования образцов керна на глубинах свыше 400 м. Исследования включали в себя: инструментальные наблюдения за разгрузкой образцов кернов, лабораторные испытания образцов путем на-гружения, оценка напряженного состояния массива горных пород. Ключевые слова: напряженное состояние, ультразвуковой метод, разгрузка образцов.

Л энная работа написана по результатам измерений, проведенных в Красноярском крае и в лаборатории Института Гидропроект, в Москве летом 2010 года.

Исследования проводились с целью определения напряженного состояния горных пород на интервале глубин от 420 до 600м. Обычно поставленная задача на меньших глубинах решается прямыми измерениями в скважине: прессиомет-рические испытания (гидроразрыв). и ультразвуковой каротаж. Проведение подобных работ на заданных глубинах требует больших финансовых затрат и значительной доработки существующей аппаратуры, поэтому был применен ультразвуковой метод исследования образцов керна.

В ходе полевых изысканий выполнено более 1700 измерений на 322 образцах; 64 образца отобрано для выполнения лабораторных работ. Исследования включали в себя: • инструментальные наблюдения за разгрузкой образцов кернов от момента извлечения керна из скважины до завершения активной стадии упругой разгрузки путем многократного изменения времени пробега продольных и поперечных упругих волн в

ультразвуковом диапазоне частот по трем осям;

• лабораторные испытания образцов путем нагружения с целью получения тарировочных зависимостей скоростей упругих волн от прикладываемых напряжений с доведением образцов до разрушения и определением прочности на одноосное сжатие;

• оценка напряженного состояния массива в заданных интервалах глубины по методу восстановления.

Для решения поставленной задачи применен ультразвуковой метод в модификации ультразвуковых исследований образцов керна, извлекаемого из разбуриваемой скважины. Известно, что физической основой применения ультразвукового метода изучения напряженно-деформированного состояния пород является зависимость скоростей упругих волн от существующих в массиве напряжений а. На основании результатов значительного объема исследований по изучению закономерностей изменения параметров упругих волн в образцах горных пород при их искусственном нагружении установлено, что существуют четкие зависимости скоростей от напряжений в реальных геологических средах, обусловленные их нелинейными упругими свойствами, на

основании которых по значениям скоростей, соответствующих напряженным и разгруженным породам, может быть определена величина действующих напряжений [6—10].

Поставленную перед настоящими работами задачу количественного определения величин естественных напряжений массива на заданных глубинах намечалось решать посредством измерений скоростей упругих волн в керне, извлекаемого из скважины, в процессе его разгрузки во времени и последующей тарировки величины этих измерений при повторных нагружениях образцов изученных пород при прессовых испытаниях.

При проведении полевых работ использовалась следующий компьютеризованный комплект аппаратуры, включающий ультразвуковой прибор УК-98, разработанный и собранный в Институте Гидропроект. Прибор укомплектован переносным компьютером (типа ноутбук); пьезокерамиче-скими датчиками с частотами 20, 60 и 100 кГц, 50 кГц со специальными насадками (концентраторами сигнала), а также датчиками с косым срезом для получения поперечной волны. Аппаратура УК-98 позволяет работать в режиме накопления принимаемых сигналов, что существенно расширяет возможности регистрации и выделения «полезных» волн. Весьма эффективным для формирования информативных ультразвуковых осциллограмм является способность поканального регулирования амплитуд регистрируемых сигналов. Используемая аппаратура позволяет даже в сложных инженерно-геологических условиях и при наличии помех получать первичные материалы хорошего качества.

Ультразвуковые измерения на образцах выполнены в соответствии со стандартной методикой, изло-

женной в [1]. Ультразвуковые наблюдения за разгрузкой образцов проводились сразу же с момента извлечения керна из скважины и продолжались до завершения активной стадии упругой разгрузки путем многократного измерения в фиксированных участках керна времени пробега продольных и поперечных волн в ультразвуковом диапазоне частот (20 - 100 кГц) по трем осям: в направлении оси керна (одно про-звучивание) и по диаметру керна в двух взаимно перпендикулярных направлениях (два прозвучивания). Помимо продольного прозвучивания проводилось измерение скоростей продольных и поперечных волн по методике продольного профилирования с шагом между датчиками в 15 см и длине профиля 6-30 см.

Результаты полевых исследований

Ультразвуковые наблюдения за разгрузкой образцов проводились с момента извлечения керна из скважины и до завершения активной стадии упругой разгрузки путем многократного измерения времени пробега продольных и поперечных волн по трем осям: в направлении оси керна, по диаметру керна в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а также по методике продольного профилирования.

Анализ материалов показал, что разгрузка образцов, сопровождающаяся уменьшением скоростей Ур и уб, начинается сразу же после выбуривания и продолжается в скважине в процессе их подъема на поверхность. Процесс разгрузки образцов можно условно разделить на три этапа. Первый этап разгрузки длится от нескольких часов до половины суток. Второй этап длится 1-3 дня. На третьем этапе скорость в образцах стабилизируется. Типичным приме-

Образец №202 глубина 546,4м гнейс биотит-кордиеритовый серый

V, км/с

Рис. 1. Изменение скоростей продольных волн в образце №202 с течением времени. V - скорость, измеренная вдоль оси образца, Ух у - скорость, измеренная в поперечном направлении (перпендикулярно оси образца).

Таблица 1

№ п/п Глубина, м V я/У изм., % Наименование порол

1 422-438,5 1,5 Лайки диабазов и плагиогнейсов

2 438,5-526,1 1,56 Гнейсы биотит — кордиеритовые

3 526,1-536,3 2,2 Лолериты и дайки порфиритов

4 536,3-546,7 2,84 Гнейсы биотит — кордиеритовые

5 546,7-576,3 7,05 Габбро

6 576,3-582,1 5,55 Гнейсы биотит — кордиеритовые

7 582,1-600 7,05 Габбро

ром для данной схемы служит график изменения скорости в образце гнейса №202 с глубины 546,4 м в направлениях перпендикулярном и параллельном оси керна (рис 1.). В качестве условного нуля, то есть момента начала разгрузки (Ъ=0), принято время выбуривания керна.

С помощью измеренных значений скоростей продольных волн в образцах в конкретные периоды времени 1

путем их интерполяции были определены скорости продольных волн вдоль и поперек оси керна в момент 1=0, т.е. для образцов, находящихся под действием естественных напряжений. Для этого график зависимости V = / (V) для первого этапа разгрузки

образцов продолжался до пересечения с условным временным нулем, соответствующим моменту начала разгрузки.

Н, м 42 0 —

47 0

510

52 0

57 0 —

4 5

-

-

10

Рис. 2. Графики зависимости скоростей продольных воли Упц и Уаи находящихся под действием естественной нагрузки, от глубины залегания пород

№ п/п Глубина, м Наименование порол л, = а 1, МПа о = од, МПа

1 422-438,5 Дайки диабазов и плагиогнейсов 15 12

2 438,5-526,1 Гнейсы биотит — кордиеритовые 14 12

3 526,1-536,3 Долериты и дайки порфиритов 13,5 11,5

4 536,3-546,7 Гнейсы биотит — кордиеритовые 13 10,5

5 546,7-576,3 Габбро 13,5 16,5

6 576,3-582,1 Гнейсы биотит — кордиеритовые 12 13,3

7 582,1-600 Габбро 18 13

Проведенный анализ показал, что изученный разрез по литологии и характеру измерения Vu и У_!_по глубине может быть разделен на 7 интервалов (таблица 1). Установлено, что каждый из этих интервалов отличается средним уровнем и соотношением Vu и V_i, а также для каждого из этих участков наблюдается постоянное значение отношения скорости продольной волны в горной породе, находящейся под действием естественной нагрузки, к первичным измерениям скорости продольной волны на отобранных образцах.

График зависимости скоростей продольных волн Vau и Vc_j, находящихся под действием естественной нагрузки, от глубины залегания пород представлен на рис. 2. Вычислены средние значения скоростей Vau и Vai для выделенных интервалов. Для этих изученных образцов также определены скорости упругих волн в разгруженной породе вдоль и поперек оси керна Von и V0 соответственно (рис. 3).

Методы лабораторных исследований

Для определения функции, необходимой для оценки напряженного состояния пород методом восстановления в лабораторных условиях выполнялись следующие работы:

Проводились лабораторные испытания образцов на прессе путем их нагружения с целью получения тари-ровочных зависимостей скоростей упругих волн от прикладываемых на-

пряжений. Нагрузка задавалась ступенями, обеспечивающими следующий набор давлений: 0,5 МПа; 1 МПа; 1,5 МПа; 2,5 МПа; 5,0 МПа; 7,5 МПа и далее с шагом 2,5 МПа до достижения заданной нагрузки. После достижения заданной нагрузки давление снималось в обратном порядке.

На первой ступени давление выдерживалось не менее 5 минут, на остальных ступенях не менее 1 минуты. В ходе нагружения и снятия давления на каждой ступени выполнялись ультразвуковые измерения скоростей упругих волн в квазипродольном направлении и в поперечном.

Лабораторные определения прочности на одноосное сжатие. Лабораторные определения: Плотности образцов в воздушно-сухом состоянии,

Плотности образцов в водонасы-щенном состоянии, Плотности скелета, Плотности частиц. Нагружение проводилось при помощи гидравлического пресса ПСУ-10, позволяющем прикладывать вертикальные нагрузки с точностью до 10 кгс, что в единицах напряжения применительно к площади сечения образцов (в среднем около 17 см2) составляет около 0,06 МПа. После раз-гружения образцов, на них же проводилось определение прочности на одноосное сжатие.

Н, м

— - V 0|| - скорость продольной волны вдоль оси керна

— - V | - скорость продольной волны поперек оси керна

Рис. 3. Графики изменения скоростей продольных упругих волн в разгруженной породе волн V0ll и V0 l с глубиной

Ультразвуковые измерения на образцах проводились при помощи УК-98 по методике, изложенной в работе [7].

Определение прочности на одноосное сжатие проводилось согласно ГОСТ 21153.2-84* [3] при помощи гидравлического пресса ПСУ-125, позволяющем создавать вертикальную нагрузку до 125 тонн. Для этой цели из буровых кернов было изготовлено 58 образцов в форме цилиндра. Подготовка образцов к испытаниям выполнялась путём отрезки и выпиливания из бурового керна образцов необходимых размеров (подавляющее число образцов имело отношение высоты к диаметру близкое к 2), с последующей шлифовкой нагружаемых торцов для обеспечения их параллельности друг другу. Плотность образцов определялась как отношение массы данного образца к его объёму. Объём образцов определялся путём обмера подготовленных образцов правильной формы, а также методом гидростатического взвешивания образцов неправильной формы [2,4,5].

Результаты лабораторных исследований напряженного состояния образцов

По измеренным значениям Ус и Уо, где Ус - скорость (продольных или поперечных) упругих волн в породе, находящейся под действием естественных напряжений, Уо - скорость упругих волн в разгруженной породе, для каждого типа пород устанавливалась корреляционная связь между Ус и Уо и приложенным напряжением с.

Для количественной оценки напряжений с предполагалось использовать соотношение (1):

а = V02-Дц-Му0, а Утах ), (1)

где Уо - скорость упругих волн в породе, в отсутствии внешней нагрузки,

Дц - изменение трещинной пустот-ности, в процессе разгрузки образца, Дц = ц0 -ца, Па - трещинная пустот-

ность в массиве горных пород, ц0 -трещинная пустотность при полной разгрузке образца, А - некоторая функция, определяемая по результатам лабораторных исследований.

Наиболее сложной задачей оказалось определение функции А. На основании анализа полученных данных установлено, что величина А зависит от Ус и vmax и является степенной

функцией

А = а-(^тах - аП ,

(2)

где а и п некоторые постоянные величины для конкретных типов пород.

С учетом (2) зависимость (1) преобразуется в (3)

а= V2 -ДЦ-а- (тах - Vа)n . (3)

В итоге для расчета значений с для габбро получено выражение

а = VIДп103.8(тах - VаУ3■2

гнейсов а = Vo2 - Дц - 354 - (ах -Vа)'

Наряду с изложенным выше способом определения величин а у и а г для оценки искомых напряжений использовано также соотношение (4), при котором напряжения рассчитывались с использованиями модуля деформации Э исследуемых пород:

Дц-Б

а для

■3.08

а(Б) = с-

(4)

3 (1 -2-/) '

где / - коэффициент Пуассона, Дц -изменение трещинной пустотности массива, с - поправочный коэффициент.

Значения модуля деформации Э вычислялись по корреляционным зависимостям вида 1§Б = а-1§Еауп + Ь ,

где а и Ь некоторые постоянные для

Н, м

н

|

г+

-4-

-4 н

# 4=

Н< №

к;

-И

+ ц

-I-

Ф н

т

\

4гт Ы-

+4 3 -А

Л

Г V -Зр-

\

к.

? и И-

^

£

г

£ Г +

4 Нч -4 -К

Ы

ч

--

—Г'

г

г г г

г

г г г

г г г

г г г

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 3о

- О г

- О V

О, М Па

11,8

0

Рис. 4. График изменения горизонтальных (ат) и вертикальных (а„) напряжений от глубины залегания горных пород

Н, м

420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600

ь -4 -

) г 1

г Л

< 1-

Н

V

1> V

*

.1* ч

л N

Г

- — (;

1= ьГ -К

-и

I-

4 1—

+

-кг Г

к ч

= еэ 4,__

&

+й

/ *■ — —

к ■ V

•к

ы=

кГЛнУ?аИкНтаа

V V

Г—г

Г

Г Г

Г

Г Г

Г

Г Г

Г

г г

г

г г

г

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 - О

О, МПа

Рис. 5. График изменения тектонического напряжения от глубины залегания горных пород

30^1

8

и

Я76

7*2

10.4

29,6

5_8

7,9

заданного типа пород коэффициенты, в нашем случае значения а и Ь принимались согласно работе [6] равными 1,869 и - 5,879 соответственно при размерности О и Eg уп в кг/см2.

Eg определялось на основании измеренных скоростей упругих волн по формуле (5):

где Л = -

М

eg = 2.82(1 -п)

(1 + м)(1 - 2-м)

(5)

от =

ол -Л-оА 1 -Л2

1 - М

> М

коэффициент Пу-

(1 -м)

Коэффициент с определен путем сопоставления результатов расчета по формуле (5) с данными лабораторных исследований, согласно которым он изменялся от 0,14 до 0,20. В наших расчетах принято значение с= сопз!= 0,17.

Значения величин напряжения для одних и тех же образцов, полученные разными способами, получились примерно равными, что свидетельствует о достаточной надежности выполненных оценок.

На основании значений а, вычисленных для каждого образца, построен график значений вертикальных ау = ац и горизонтальных аг = а_1_компо-нент поля естественных изменений напряжений в зависимости от глубины залегания горных пород (рис.4). Найдены средние значения напряжений в слоях горных пород, залегающих на различных интервалах глубин (табл. 2).

Путем сопоставления полученных значений аv и аг рассчитана величина тектонического напряжения от :

ассона.

График изменения тектонического напряжения от глубины залегания горных породы представлен на рис. 5.

Заключение

Для количественной оценки естественных напряжений в массиве на указанных глубинах применен сейсмоакустический метод, основанный на изучении процесса разгрузки образцов (керна), извлекаемых из скважины, посредством многократных измерений скоростей упругих волн в этих образцах. По установленным изменениям скоростей упругих волн определялись деформации разгрузки керна, на основании которых вычислялись вертикальная и горизонтальная компоненты поля естественных напряжений. Для расчета последних использованы два различных способа, по которым получены вполне сопоставимые данные.

Согласно полученным результатам средние величины от для различных интервалов изученного разреза изменяются в пределах от 8,5 до 16,0 МПа при среднем значении для всего разреза в 11 - 12 МПа. Проведена оценка напряженного состояния массива.

Данные работы позволили оценить напряженное состояние массива горных пород в скважине без проведения прямых измерений, таких как: ультразвукового каротажа и прессиометрических испытаний (гидроразрыв).

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Комплексные инженерно-геофизические исследования при строительстве гидротехнических сооружений. А. И. Савич, Б. Л.

Куюнджич, В.И. Коптев и др. - М.: Недра, 1990.

2. Методические рекомендации по определению физико-механических характеристик скальных и полускальных пород. П-761-82. Гидропроект, М.,1982.

3. ГОСТ 21153.2-84*. Породы горные. Методы определения прочности при одноосном сжатии. М., 1984.

4. ГОСТ 24941-81. Породы горные. Методы определения механических свойств нагружением сферическими инденторами. М., 1981.

5. ГОСТ 25100-95. Межгосударственный стандарт. Грунты. Классификация. М., 1996.

6. Рекомендации по применению инженерной геофизики для изучения деформационных свойств скальных горных массивов.

Под редакцией А.И.Савича и Б. Л. Куюнд-жича. — Москва-Белград, 1985.

7. Рекомендации по изучению напряженного состояния пород сейсмоакустическими методами. Под редакцией А.И. Савича и Б.Л. Куюнджича. Москва-Белград, 1986.

8. Горное давление в вертикальных стволах. И.Н.Кацауров - М: Государственное научно-техническое издательство литературы по горному делу, 1961.

9. Природа физико-механических свойств массива горных пород. Л.В.Шаумян - М: МГУ, 1988.

10. Современные проблемы механики горных пород. Под редакцией Н.В. Мельникова. Ленинград: «Наука», 1972.

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Василевская Лариса Сергеевна - инженер II категории, Чернышев Иван Владимирович - инженер I категории,

филиал Проектно-изыскательского и научно-исследовательского института «Гидропроект» имени С.Я. Жука - «Центр службы геодинамических наблюдений в энергетической отрасли», оffice@geodyn.ru.

1л I * !'> ал*JtljLH f i'l- JU

ЭКОНОМИКА,

ОРГАНИЗАЦИЯ,

УПРАВЛЕНИЕ

ПРИРОД11ЫМИ

и техногенными геотслми

ГОРНАЯ КНИГА-2012 -

Экономика, организация, управление природными и техногенными ресурсами (книга готовится к выходу) Гридин В.Г., Калинин А.Р., Кобяков A.A., Корчак A.B., Мясков A.B., Петров И.В., Попов С.М., Протасов В.Ф., Стоянова И.А., Умнов В.А., Харченко В.А. Год: 2012 Страниц: 752 ISBN: 978-5-98672-256-6 UDK: 622:330.15

Серия «Охрана окружающей среды» скоро пополнится еще одним учебным пособием под редакцией проф. В.А. Харченко и А.А. Кобякова. Книга посвящена вопросам правового, организационного и экономического регулирования природопользования, его производственным и социальным аспектам; интерпретации статистических данных; классификации природных и техногенных ресурсов; построения математических моделей оценки экологического ущерба, влияния деятельности человека, связанной с использованием природных и техногенных ресурсов, на социально-экономическое развитие страны.

Издание рассчитано не только на студентов, но и на специалистов, занятых в сфере экологии и экономики природопользования.