CC BY
0УДК 550.834:622.12
А. А. Глухов, Д. С. Бородин, Е. А. Ялпута, В. А. Aнциферов
УЧЕТ ПОРИСТОСТИ И ТРЕЩИНОВАТОСТИ ПОРОД ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОМ ПРОГНОЗЕ ЗОН ВЕРОЯТНОГО СКОПЛЕНИЯ МЕТАНА В УГЛЕВМЕЩАЮЩИХ ТОЛЩАХ ДОНБАССА
Рассмотрен вопрос о влиянии фактора пористости и трещино-ватости на акустические параметры углепородного массива. Описаны параметры пористости пород угленосных толщ Донбасса. Показано, что аномальную трещиноватость пород, сопровождающую геологические нарушения вне зависимости от их типа, стоит рассматривать, как аномалиеобразующий фактор при формировании поля сейсмических колебаний.
Ключевые слова: пористость, трещиноватость, акустические параметры, поле сейсмических колебаний.
Введение. Зоны трещиноватости в областях тектонических структур характеризуются повышенной концентрацией флюидов. Кроме этого, горные породы могут сами по себе быть коллекторами флюидов ввиду естественной пористости и трещиноватости. При этом изменяются эффективные модули упругости пород, что в свою очередь приводит к изменению динамических и кинематических параметров волновых полей при проведении геофизических и, в частности, сейсмических экспериментов.
В данной статье рассмотрен вопрос о влиянии фактора пористости и трещиноватости на акустические параметры среды. Дан анализ пористости угленосных толщ Донбасса. Описано влияние пористости и терещиноватости горных пород на параметры сей-смоакустических полей.
Основные параметры пористых и трещиноватых сред Пористую и трещиноватую среды можно рассматривать в качестве породного скелета, полости которого заполнены флюидом [1]
- [3].
Пусть материал скелета горных пород имеет плотность р5 и
модуль всестороннего сжатия к5. Скелет имеет эффективную пористость Ф и среднюю плотность р, модуль всестороннего сжатия
к, модуль сдвига д и модуль плоского деформирования М. Флюид, насыщающий поровое пространство, имеет плотность р^ и модуль всестороннего сжатия ку. В целом порода совместно с флюидом имеет среднюю плотность р, модуль всестороннего сжатия к, модуль сдвига д и модуль плоского деформирования М. В теории Био [1] эффективная пористость Ф определяется как:
Ф = -, (1)
V' х у
где V/ - объём связанных между собой пустот; V - общий объём породы. Таким образом, пористость породы определяется отношением порового (пустого) пространства породы к её общему объёму. В общем случае параметр Ф описывает среду, если в реальности имеет место трещиноватость, кливаж, зоны дробления пород, поскольку причина образования пустот (генетический фактор) не принимается в расчет.
Следует отметить, что в горных породах различают пористость общую (абсолютную), открытую и эффективную.
Абсолютная или общая пористость - часть как открытых, так и закрытых пор в объёме породы.
Открытая пористость - часть соединённых между собой пустот, через которые происходит движение флюидов в общем объёме породы.
Эффективная пористость - часть связанных между собой пустот в объёме породы за исключением пространства, занятого водой. В геологии и горном деле в случае отсутствия воды эта характеристика соответствует открытой пористости. В теории Био считается, что флюид в полностью закрытых порах двигается как единое целое с породой.
Если предположить, что флюид и частицы скелета движутся как единое целое, плотность породы совместно с флюидом р можно выразить усреднением двух плотностей [2] - [3]:
р = Фр + (1 - Ф)ра. (2)
При этом считаем, что флюид не оказывает на твердую фазу такого воздействия, которое могло бы изменить модуль сдвига скелета, т.е. м = Рассмотрим насыщенной флюидом изолирован-
ный куб породы. Если напряжение Ар прилагаемое на всех гранях приводит к относительному изменению объема ау / у, модуль всестороннего сжатия можно записать в виде:
= _ bp,
- AV 1 (3)
v V
где общее давление Ар представляет собой сумму давления
AV
на скелет Ар и давления в жидкости Ар^: Ар = Ар + Ар^, а для — выполняются соотношения:
AV V
Ф 1 _ Ф
Ка Ks
л 1 A- AV 1 1 - //1Ч
Apf--Ap и — ---APf _ = AP, (4)
к,, V к, к
из которых можно получить, что модуль всестороннего сжатия флюидонасыщенной породы равен модулю сжатия скелета плюс член, зависящий от флюида [2] - [3]:
— Т-(1 - 21, (5)
-/- + (1 -ф)/---/-]> V 7
а модуль плоского деформирования выражается соотношением:
м =м+Т-(1 )2 _ 2у (6)
[Ф/— + (1 -Ф)/-8--/—1 к }
При этом, поскольку флюидонасыщенный материал ведет себя на низких частотах как изотропное упругое тело, плоские продольные и поперечные волны будут распространяться со скоростями:
ср= (М / р)1/2, с = (м/р)1'2. (7)
Параметры пористости пород Донбасса. Таким образом, исходя из свойств скелета пород и свойств флюида, можно оценить кинематические характеристики упругих волн.
Рассмотрим подробнее параметры пористости пород угленосных толщ Донбасса.
Известно, что наибольшую пористость имеют песчаники, которые пребывают на стадии раннего и среднего катагенезиса (угли марки Д). Их пористость в среднем составляет 15,7 %. Минимальная пористость на этой стадии у аргиллитов (14,7 %), а промежу-
точные значения отмечаются у алевролитов (14,9 %). На поздней стадии катагенезиса (угли марки Г-ОС) происходит резкое уменьшение значений пористости: у песчаников от 7.2 % до 4 %, у алевролитов от 4,8 % до 3,5 %. И, наконец, на стадии раннего метаге-незиса (угли марок Т-А) значения пористости вмещающих пород не превышают 2-3 %. Таким образом, между пористостью и лито-логическим составом пород существует достаточно чёткая взаимосвязь. Среди пород слабой степени катагеничных преобразований максимальной пористостью характеризуются песчаники, меньшей - алевролиты и минимальной - аргиллиты. Однако, с увеличение степени эпигенетических изменений отличия становятся незначительными и на стадии эпигинезиса, включающее угли марки Т2, их значения становятся одинаковыми, а на ещё более высоких стадиях происходит инверсия этих значений и максимально общей пористостью характеризуются уже не песчаники, а аргиллиты (табл. 1.)
На низкой стадии эпигенеза (угли марок Д-Г) расхождения между значениями общей и открытой пористости несущественны, а в отложениях с углями марок Ж-К и до антрацитов эти расхождения достаточно значительны.
Авторами работы [4] сделано два вывода:
- наибольшие изменения абсолютной пористости происходят на ранних стадиях катагенетических изменений горных пород главным образом за счёт их уплотнения; дальнейшее уплотнение пород, сопровождающееся структурно-минералогическими преобразованием, вызывает несущественные изменения абсолютной пористости песчаников;
- на площадях развития угля марок Д-Ж на величину абсолютной пористости песчаников влияет глубина их залегания; процесс уплотнения, который наблюдается с увеличением глубины залегания песчаников, интенсивно проявляется лишь на площадях развития угля невысоких стадий метаморфизма; чем меньше метаморфизм угля, тем сильней зависит пористость песчаников от современной глубины; при этом на меньших глубинах наблюдается более высокий градиент изменения абсолютной пористости с существенным его уменьшением на глубине.
Общие закономерности изменения пористости углевмеща-ющих пород составляют несомненный интерес и позволяют оперировать при проведении исследований усреднёнными значения-
ми. Однако большое практическое значения получают фактические данные изучения пористости для конкретных районов, свит, шахтных полей. Так, например, в работе [4] приведены значения пористости для песчаников свиты С отдельных районов юго-западной части Донбасса (табл. 2), которые наглядно подтверждают, что изменения этих значений зависят не от стратиграфической принадлежности этих песчаников, а от разной степени ка-тагенетических изменений, которым они были подвергнуты на большой территории юго-западной части Донбасса, который включает угли разной степени метаморфизма - от слабометамор-физированных в Красноармейском районе (угли марок Д, Г и ГЖ) до антрацитов в Чистяково-Снежнянском районе.
Таблица 1 - Изменение пористости углевмещающих отложений Донецкого бассейна в зависимости от степени их эпигенеза [5]
Стадия Глубина макс. погружения, м Мощность, м Кп, %
номер индекс аргиллиты алевролиты песчаники
III Бз 2000 - 20,5 20,3 19,7
IV БД 2250 250 17,3 17,3 17,7
V Д1 2600 350 14,7 14,9 15,7
VI Д2 3000 400 10,1 10,5 11,9
VII Г 3800 800 4,6 4,8 7,2
VIII Ж 4400 600 3,8 4,0 5,1
IX К 4800 400 3,6 3,8 4,4
X ОС 5150 350 3,3 3,5 4,0
XI Т1 5800 650 3,2 3,4 3,5
XII Т2 6000 200 3,0 3,0 3,0
XIII ПА1* 6500 500 3,0 2,9 2,4
XIV ПА2 7000 500 3,0 2,8 2,4
XV А1 7500 500 3,0 2,7 2,1
XVI А2 8000 500 3,0 2,7 2,1
XVII А3 8650 650 3,0 2,6 2,1
XVIII А4 9400 750 3,0 2,5 2,0
XIX А5 10000 600 3,0 2,5 2,0
*) данные в таблице относятся к нижней границе стадии, в современной классификации индексации ПА1 и ПА2 ликвидированы
Упомянутые выше закономерности определяются не современной глубиной залегания пород, а глубиной доинверсионного погружения. Тем более, что на стадиях катагенеза, включающих угли марок Д и Г, средние мощности этих зон достаточно значительные - соответственно 750 м и 800 м (для сравнения, зоны, включающие угли марок Ж, К, имеют средние мощности 600 м и
400 м). В качестве доказательства представлена таблица 3, где показано плавное снижение пористости свиты песчаника Ci с глубиной, то есть с увеличение степени эпигенеза вниз по петрофизиче-скому разрезу (от стадии эпигенеза, включающего угли марок БД, до стадии с марками угля Г1б).
Таблица 2 - Пористость свиты песчаников С2 в юго-западной части Донбасса [4]
Пористость, %
абсолютная открытая
Район Кол-во анализов Средн. значение min max Кол-во анализов Среднее значение min max
Красноармейский 242 13,5 1,4 27,8 84 10,8 1,2 25,5
Донецко-Макеевский 117 11,7 2,7 26,8 13 8,4 2,4 16,4
Чистяково-Снежнянский 187 3,8 1,2 17,0 9 3,7 2,6 4,5
Центральный 281 5,2 0,7 14,8 79 3,0 0,5 12,0
В среднем юго-западная часть 827 8,1 0,7 27,8 185 6,9 0,5 25,0
Донбасса
Таблица 3 - Средние значения коэффициента пористости свиты песчаников С1 для разных глубин залегания [4]
Район Марка угля Интервалы глубин, м
0-200 200 - 400 400 - 600 600 - 800
Новомосковский БД-Д 28 25 24 23
Западно-Павлоградский Д-Г 23 19 18 18
Павлоградско-Петропавловский Г6 - Г16 20 18 14 12
В качестве обобщения информации про формирование и смену пористости углевмещающих пород приведём средние значения пористости не только для определённого района, но и конкретных свит, шахтных полей и литологических различий пород (табл. 4).
Когда пористость возникает в процессе формирования пород, то трещиноватость связана со сменой самого важного генетического фактора, что обуславливает физическое формирование
свойств - структурно-текстурных. Наибольших интерес представляет трещиноватость пород в зонах геологических нарушений.
У дизъюнктивных нарушений - это зона их влияния рядом с площадью сместителя, у пликативных - замковые части складок. С трещиноватостью горных пород самым тесным образом связаны и стойкость кровли угольного пласта и участка, опасные по отношению прорывов подземных вод в горные выработки. Повышение трещиноватости пород сопровождаются разного рода морфологические нарушения угольного пласта, например, его размывы.
Известно, что трещиноватость изменяет сейсмо-акустические свойства пород [6] - [7]. В зонах повышенной трещиноватости отмечается уменьшение отношений скоростей продольных и поперечных сейсмических волн. Причём, в основном, уменьшение этого отношения происходит за счёт продольных волн, тогда когда скорость поперечных практически не уменьшается. В среднем, в таких зонах скорость распространения продольных боковых волн уменьшается на 15-20 %, их амплитуда достигает своего максимума при частоте 80-120 Гц в сравнении с 140-160 Гц для неразрушенных участков, происходит сдвиг спектра колебаний в более низкочастотную область и увеличение коэффициента затухания в 3-6 раз [6].
В целом, исследования процесса распространения упругих волн в трещиноватых породах позволили установить следующие закономерности [6, 7]:
- скорость распространения волн в трещиноватых породах уменьшается пропорционально увеличению количества трещин;
- с увеличением трещиноватости увеличивается затухание упругих колебаний; трещиноватость, параллельная направлению распространения волн, на их затухание влияет меньше, чем трещиноватость перпендикулярная;
- трещиноватость пород на затухание волн влияет в значительно большей степени, чем на скорость их распространения;
- трещиноватость пород влияет в целом на динамические характеристики головных волн;
- трещиноватость горных пород смещает частоту максимума спектрально плотности в область низких частот.
Таблица 4 - Пористость пород Донецко-Макеевского района
Участок средняя открытая пористость по лнтологическим разностям отдельных свит
марка угля песчаник алевролиты аргиллиты
Зз 32 з2 32 32 Зз 32 32 32 32 Зз з2 з2 з2 32
Абакумов ский-Глубокий Г 15,1 9,8 10,0 - - 13, 0 7,1 7,6 6,4 - 13,0 1,0 - - -
Октябрьский-Глубокий Ж 9,5 - - - - 5,9 - - - - 5,5 - - - -
Шахта им. Скочинского (Петровский-Глубокий) ДО - 11,1 10,3 9,3 8,1 - 6,7 6,7 5,8 6,2 - - 5,4 5,4 3,5
Чайкино ДО - 8,5 7,9 9.1 - - 7,0 5,3 8,2 - - 7,9 3,5 - -
Орджоникидзенсш п^-Глубокий 2 ДО-ДОС 8,6 7,0 4,9 5.1 - 6,4 5,4 4,9 4,3 - 3,8 5,3 4,2 3,8 -
Бутовский -Глубокий 2 Г-Ж-ОС - 4,9 4,6 4,3 - - 3,4 4,0 3,9 - 3,5 4,2 4.1 - -
Заключение. Таким образом, в статье рассмотрен вопрос о влиянии фактора пористости и трещиноватости на акустические параметры углепородного массива. Описаны параметры пористости пород угленосных толщ Донбасса. Показано, что аномальную трещиноватость пород, сопровождающую геологические нарушения вне зависимости от их типа, стоит рассматривать, как ано-малиеобразующий фактор при формировании поля сейсмических колебаний. Результаты работы могут быть использованы при разработке методик поиска зон вероятного скопления метана и иных флюидов сейсмоакустическим способом.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700022-32.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. Biot M. A. Theory of propagation of elastic waves In a fluid-saturated porous solid. Part I. Low frequincy range. [Текст] / M. A. Biot - J. Mech. and: Phys. Solids, 1963. - № 11.
2. Gassman, F. Elastic waves through a packing of spheres [Text] / F. Gassman // Geophysics. - 1951. - № 16. - P. 673-685.
3. Gassman, F. Elastic waves through a packing of spheres [Text] / F. Gassman // Geophysics. - 1951. - № 18. - P. 269.
4. Забигайло, В. Е. Проблемы геологии газов угольных месторождений (на примере западых и юго-западных районов Донецкого бассейна) [Текст] / В. Е. Забигайло, А. З. Широков. - К.: Наук. думка, 1972. - 172 с.
5. Воевода, Б. И. Закономерности изменения пористости и плотности углевмещающих пород Донбасса [Текст] / Б. И. Воевода, А. Г. Бойко, А. А. Майборода // Сб. тр. ВНИМИ. -Л., 1976. - № 102. - С. 11-18.
6. Анциферов, А. В. Теория и практика шахтной сейсморазведки / А. В. Анциферов. - Донецк: ООО "Алан", 2002. - 312 с.
7. Тиркель, М. Г., Изучение газоносности угленосных формаций / М . Г. Тиркель. Анциферов В. А., Глухов А. А. - Донецк: "Вебер", 2008. - 2008 с.
Глухов Александр Александрович, заместитель директора по научной ра-
боте, доктор технических наук, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, glukhov1964@yandex.ru.
Бородин Дмитрий Сергеевич, младший научный сотрудник отдела эколо-го-гефизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, bordym@yandex.ru.
Ялпута Елена Анатольевна, научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, 6217101@mail.ru.
Анциферов Вадим Андреевич, кандидат геологических наук, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк, antsiferov_a@mail.ru.
TAKING INTO ACCOUNT POROSITY AND FRACTURING OF ROCKS IN SEISMIC FORECASTING OF ZONES OF PROBABLE METHANE ACCUMULATION IN COAL-BEARING STRATA OF DONBASS
The question of the influence of the porosity and fracturing factor on the acoustic parameters of the carboniferous massif is considered. Porosity parameters of rocks of coal-bearing strata of Donbass are described. It is shown that the anomalous fracturing of rocks accompanying geological disturbances, regardless of their type, should be considered as an anomaly-forming factor in the formation of a field of seismic vibrations.
Keywords: porosity, fracturing, acoustic parameters, seismic vibration field.
Glukhov Aleksandr Aleksandrovich, Doctor of Technical Sciences, Deputy Director for Science, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, glukhov1964@yandex.ru.
Borodin Dmitriy Sergeevich, Junior researcher of the Department of Ecological and Geophysical Research, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, bordym@yandex.ru.
Yalputa Elena Anatolyevna, Researcher at the Department of Ecological and Geophysical Research, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, 6217101@mail.ru.
Antsiferov Vadim Andreevich, PhD in Geology, Senior researcher of the Department of Ecological and Geophysical Research, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, antsiferov_a@mail.ru.
