CC BY
0УДК 550.34.06
A. В. Анциферов, В. В. Туманов, Л. А. Новгородцева,
B. А. Анциферов, Д. С. Бородин
ВОЗМОЖНОСТИ ОБНАРУЖЕНИЯ ТРЕЩИНОВАТЫХ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ ЗОН НА ШАХТНЫХ ПОЛЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МИКРОСЕЙСМ
В данной статье на основе анализа литературных источников и проведенных в РАНИМИ исследованиях рассмотрены возможности выявления трещиноватых газонасыщенных зон на шахтных полях угольных месторождений. Приведены рекомендации для дальнейших исследований в Донбассе с использованием микро-сейсм.
Ключевые слова: микросейсмы, тектоника, скорости волн, тре-щиноватость, расчёт энергии сейсмической эмиссии.
Введение. Начиная с 2000 гг. в практику геофизических методов поисков и разведки залежей углеводородов (УВ) прочно вошли методы, основанные на существовании устойчивой связи между низкочастотными спектральными аномалиями в сейсмических фоновых волновых полях (по сути микросейсмах) и геологическими характеристиками искомых объектов. При этом многочисленные исследования, в т.ч. [1] - [3], на различных нефтегазовых месторождениях по всему миру показали наличие спектральных аномалий, характеризующихся высоким процентом корреляции с расположением и геометрией УВ залежей. Ключевое наблюдение здесь заключается в том, что модификации спектра сейсмического фона в частотном диапазоне 0,1-20 Гц отличаются при взаимодействии с геологическими структурами, содержащими заполненные УВ поры, в сравнении с аналогичными структурами, содержащими только воду. Другими словами, так называемое «углеводородное дрожание» [1] можно увидеть, как частотно-зависимое «рассеяние» входящих фоновых волн.
Представляется, что эта относительно новая технология пассивных наблюдений микросейсм будет особенно эффективна
для исследования трещиноватых газонасыщенных зон - ловушек метана на шахтных полях угольных месторождений, прежде всего в Донбассе, тем более, что такие зоны обычно не отображаются на 2Д или 3Д сейсмических данных. Ожидаемая эффективность таких наблюдений может повышаться за счет того, что сами трещиноватые зоны приурочены, как правило, к приразлом-ным зонам повышенной геодинамической активности, являющихся самостоятельным источником микросейсм. В конечном итоге это позволяет надеяться на быстрое и относительно дешевое обследование больших угледобывающих районов для выявления участков с высоким УВ потенциалом.
Анализ существующих методик исследований. Вообще говоря, в условиях Донбасса микросейсмические наблюдения проводились для установления природы негативных динамических явлений, а именно сейсмических толчков, которые фиксировались местным населением в пределах территорий работающих угольных шахт. Совсем недавно такие мониторинговые исследования проводились учеными РАНИМИ совместно со специалистами Уральского отделения РАН (ГИ УрО РАН) в пос. Объединенный в районе шахтных полей «Калиновская-Восточная», №13-Бис и им. Ленина [4]. Важным результатом этих работ в контексте рассматриваемой тематики можно считать подтверждение связи скоростей и амплитуд зарегистрированных сейсмических волн. По этим признакам были локализованы участки повышенной сейсмической активности, соответствующие максимально напряженному состоянию углепородного массива с низкими прочностными свойствами на глубине 600-700 м.
Упругие свойства, характеристики сейсмических сигналов для угленосной толщи Донбасса достаточно полно изучены и представлены в научных трудах РАНИМИ [5]-[8]. Представляют практический интерес результаты изучения скоростей продольных Ур и поперечных Vs волн в зонах дизъюнктивных нарушений, вскрытых горными выработками и скважинами. Для Донбасса - это надвиги и сбросы. Изменение в скоростях Ур зависит от изменений в плотности пород в зонах влияния нарушений. Для надвигов характерно разуплотнение пород в лежачих крыльях и уплотнение в висячих. При пересечении надвигов с поверхности будут наблюдаться аномальные ассиметричные значения измене-
ния Ур и У*. В лежачих крыльях у сместителя будут самые низкие значения Ур и Vs, а в висячих - самые высокие. При выходе из зоны влияния их значения становятся фоновыми. У сбросов разуплотнение пород наблюдается в обоих крыльях, но зона влияния в опущенном крыле шире, чем в лежачем крыле. Детальные исследования Анциферова А. В. и Тиркеля М. Г. [5] показали, что в зонах влияния тектонических нарушений происходят следующие изменения характеристик упругих волн:
- уменьшение скорости распространения продольных волн (Ур) и поперечных в среднем на 20-30 %;
- скорость поперченных волн изменяется быстрее, чем скорость продольных волн;
- при приближении к сместителю отношение у = У5/УР уменьшается и достигает минимума при пересечении сместителя по сравнению со значением у в ненарушенном массиве;
- амплитуда продольных волн достигает своего максимум на частотах от 80 до 120 Гц по сравнению с частотами от 140 до 160 Гц в ненарушенном массиве.
В результате исследований РАНИМИ создано множество сейсмогеологических моделей с залеганием разведываемых угольных пластов на глубинах 700 и 1100 м и разных типах нарушений в них. На рисунке 1 представлены графики распределения скоростей продольных волн Ур в зоне влияния надвига со стороны висячего (В.К.) и лежачего (Л.К.) крыльев и качественно соответствующие им ожидаемые графики амплитуд микросейсмических наблюдений (А, у.е.). Из рисунка следует, что в зоне влияния надвига существует разрыв значений скоростей Ур при пересечении плоскости сместителя; в висячем крыле происходит увеличение Ур в сравнении с фоновыми (Уф) за пределами зоны влияния надвига, а в лежачем, наоборот, уменьшение. Графики амплитуд микросейсм имеют чисто условный характер и иллюстрируют качественную связь между двумя характеристиками сейсмического поля.
В.К. - висячее крыло надвига; Л.К. - лежачее крыло надвига
Рис. 1 - Скорости продольных волн (Ур, км/сек) и ожидаемый уровень амплитуд эндогенной составляющей микросейсм (А у.е.) в зоне влияния надвига
Очевидно, что измерение микросейсм в зоне влияния надвига представляет собой сложную задачу в связи с постоянно меняющимися значениями Ур и требует предварительного изучения с использованием данных традиционной сейсморазведки для получения количественных характеристик микросейсм в зоне влияния.
На рисунке 2 представлены графики скоростей продольных волн Ур и амплитуд микросейсм А (у.е.) на профиле вкрест простирания надвига, зона влияния которого осложнена зонами тре-щиноватости изометричной формы. Так как в зонах трещинова-тости происходит затухание энергии упругих колебаний и уменьшение скорости продольных волн на графиках Ур на поверхности появляются минимальные значения и, как следствие, максимальные значения А (у.е.). В лежачем крыле надвига и над
с с А
зоной трещиноватости нужно ожидать максимальных значений А (у.е.) по сравнению с фоновыми.
Р1, Р2 - плотности горных пород в висячем и лежачем крыльях надвига, X - длина измеряемой волны Релея
Рис. 2 - Предполагаемый уровень скоростей продольных волн и ожидаемая амплитуда полезного сигнала в висячем и
лежачем крыльях надвига
К настоящему времени не установлен количественный вид зависимости между Ур и А, а распределение амплитуд микро-сейсм на определенной частоте имеет только качественный характер.
Одним из дополнительных факторов, влияющих на изменение напряжённого состояния и сейсмической активности массива, являются приливные воздействия Луны и Солнца.
В диссертации Приходько С. Ю. [9] и исследованиях Нипе-еной К. С. [10], Шмакова Ф. Д. [11] и Кучеренко Ю. А. [12] изучается связь лунно-солнечных вариаций с гравитационным потенциалом Земли (Дg) и экстремумами физико-механической активности геологической среды. Однозначного решения в вопросе согласования поля изменений Дg и начала процесса трещинооб-разования к настоящему времени пока не достигнуто.
Представляется очевидным, что на следующем этапе исследований в данном направлении необходимо получить данные экспериментальных наблюдений за вариациями параметров мик-росейсм на участке шахтного поля с априорно известными геолого-геофизическими характеристиками. Кроме того, для получения достоверной и объективной информации от наблюденного
микросейсмического волнового поля требуются дополнительные исследования методами активной сейсморазведки, а также методами, позволяющими оценить газонасыщенность (либо водона-сыщенность) изучаемых трещиноватых зон (радонометрия, электромагнитные зондирования и др.). Следует отметить, что для выполнения микросейсмических наблюдений в РАНИМИ в 2022 г. разработана специализированная аппаратура, блоки которой приведены на рисунке 3.
Рис. 3 - Экспериментальный образец регистратора микросейсмического в сборе с блоком синхронизации, антеннами GPS/ГЛОНАСС и соединителями
Перспективы изучения микросейсмических записей. Известно, что существуют как минимум два подхода к выделению полезных сигналов из наблюдаемых микросейсм. Первый основан на поиске эмпирических зависимостей между динамическими характеристиками полезных волн и геологическими параметрами искомых объектов. Второй подход основан на статистическом анализе наблюдённых волн и выделения полезных характеристик импульсов. Принимая во внимание невысокую степень изученности связи фоновых волн с горно-геологическими характеристики исследуемых объектов на шахтных полях, целесообразно проводить дальнейшие работы по установлению таких связей с использованием самых современных подходов статистической обработки. При этом проведение экспериментальных наблюдений фоновых сейсмических полей (микросейсм) предполагается по двум направлениям:
- изучение нормального поля микросейсм с целью создания «портретов» помех и учета вариаций лунно-солнечных приливов;
- микросейсмические зондирования малой апертурной группой с передвижением её вдоль профилей наблюдений.
Очевидно, что для нормировки и первичной оценки интенсивности сигнала необходимо проводить расчёт отношения интенсивности наблюденных микросейсм к стационарному базовому сигналу, записанных в одно и тоже время. По известным формулам связи энергии сейсмического сигнала с мощностью [13] можно вычислить интенсивность и получить требуемое соотношение.
Наконец, планируется разработка программного комплекса для решения систем уравнений для всех точек профиля и всех моментов наблюдений, включая расчет энергии сигналов сейсмической эмиссии.
В качестве исходной экспериментальной информации целесообразно использовать данные вышеупомянутого сейсмического мониторинга на поле шахты «Калиновская-Восточная», полученные в 2020-2021 гг. регистраторами «Ермак-5». Материалы этих исследований сохранены в удобной для выполнения расчётов форме: информация разбита с помощью GPS на часовые отрезки, что даёт возможность проводить сравнительный анализ снятых в одно время сейсмограмм в четырёх разных точках. При этом, согласно [14], часовой записи должно быть достаточно для установления стационарности спектра частот, на которых планируется выполнять обработку в конкретной точке пространства. Пример данных, полученных на участке мониторинговых наблюдений, приведён на рисунке 4. Для первичной оценки выбран временной интервал от 5 до 6 часов утра, когда фактор человеческой активности сведен к минимуму. Рисунок иллюстрирует принципиальную доступность спектрального анализа в выбранном частотном диапазоне. При этом отчетливо выделяется увеличенная амплитуда спектра на частоте около 7 Гц, что соответствует пассивным колебаниям поверхности земли, которыми и должен быть преимущественно наполнен сигнал ввиду близости измерительных приборов к жилым домам и подземным горным работам на участке исследования. Учитывая неудобства относительного представления значений спектра в программном обеспечении RadExPro, ставится вопрос о вынесении значений спектра сигнала на логарифмическую шкалу с акцентом на увеличение мас-
штаба в районе 0.1-0.2 Гц. В дальнейшем исследование будет нацелено на изучение изменения значений спектра в течение суток по каждому часовому интервалу и переход к анализу разницы между спектрами сигналов во времени и пространстве.
Рис. 4 - Типичные сейсмограммы микросейсмических измерений и полученный относительный спектр вертикальной компоненты
Выводы. Таким образом, в результате рассмотрения приведенных в статье материалов можно сделать вывод о том, что теоретические и экспериментальные предпосылки микросейсмических наблюдений для выявления трещиноватых газонасыщенных зон вблизи активных тектонических разломов на шахтных полях предоставляют широкие возможности для объективной оценки интенсивности глубинного микросейсмического излучения. Прежде всего это обусловлено существующей четкой связью между изменением скоростей и амплитуд сейсмических волн и степенью трещиноватости углепородного массива, что безусловно должно приводить к появлению амплитудно-частотных аномалий в наблюдаемом микросейсмическом поле. Выделение таких аномалий с помощью приемов статобработки в частотном диапазоне 0,1-20 Гц позволит провести их классификацию с учетом возможного взаимодействия пассивных сейсмических волн с газонасыщенными геологическими структурами.
Исследования проводились в ФГБНУ «РАНИМИ» в рамках государственного задания (№ госрегистрации 1023020700022-32.7.5).
ЛИТЕРАТУРА
1. René Graf, Stefan M. Schmalholz, Yuri Podladchikov, Erik H. Saenger Passive low frequency spectral analysis: Exploring a new field in geophysics // World Oil / January 2007, Pgs. 47-52.
2. Al Dulaijan, and P. Van Mastrigt, et al., "New Technology applications in the Rub Al-Khali Desert," GEO 2006 Conference, Bahrain.
3. Akrawi K. and G. Bloch, "Application of passive seismic (IPDS) surveys in Arabian Peninsula," EAGE Workshop: Passive Seismic: Exploration and Monitoring Applications, Dubai, United Arab Emirates, 2006.
4. Анциферов, А. В. Мониторинг техногенной сейсмичности в зоне влияния угольных шахт Донбасса (на примере ш. «Ка-линовская-Восточная» ГП «Макеевуголь») [Текст] / А. В. Анциферов [и др.] // Труды РАНИМИ: сб. науч. тр. - Донецк, 2020. -№ 9 (24). - С. 78-87.
5. Анциферов, А. В. Газоносность угольных месторождений Донбасса [Текст] / А. В. Анциферов, М. Г. Тиркель, М. Т. Хохлов, В. А. Привалов, А. А. Голубев, А. А. Майборода, В. А. Анциферов. - Киев: Наук. думка, 2004. - 231 с.
6. Комплексы до^дження стану техногенно-геолопчних систем вугленосних формацш i вивчення генерованих в них фiзичних полiв i 213 геолопчних процесiв для ощнки i наукового обгрунтування репональних закономiрностей змши фiзичних характеристик масиву прських порщ у вуглевидобувних репонах Украши: звгг про НДР (заключ.) [Текст] / УкрНДМ1 НАНУ ; кер. д-р техн. наук А. В. Анциферов. // - Донецьк, 2007. - 305 с. -№ ДР 0107U00489. - 1нв. № 2262.
7. Пат. 20460 Украина, МПК G01V 1/00. Способ сейсмической диагностики горного массива. / А. С. Трифонов, М. Г. Тир-кель, В. В. Туманов [и др.] (Украина); УкрНИМИ. -№ u200609063; заявлено 15.08.2006. Опубликовано 15.01.2007, Бюл. № 1.
8. Анциферов, А. В. Сейсмическая разведка углепородных массивов [Текст] / А. В. Анциферов, М. Г. Тиркель, В. А. Анциферов. - Донецк, Вебер, 2008. - С. 9-33.
9. Приходько, С. Ю. Обоснование метода прогнозирования выбросоопасности угольных пластов при их разработке с учетом влияния космогонических факторов : дис. канд.тех.наук [Текст] / С. Ю. Приходько. - Харьков, 2002.
10. Непеина, К. С. Сейсмический мониторинг современных геодинамических процессов с использованием градиентной установки [Электронный ресурс] / П. А. Казначеев, П. Н. Александров // Вестник КРАУНЦ : науки о земле. - 2019. - № 4 (44). -С. 84-92.
11. Шмаков, Ф. Д. Программный комплекс решения обратных кинематических задач микросейсмического мониторинга [Электронный ресурс] / Ф. Д. Шмаков // Югорский НИИ ИТ. -2010. - 9 с.
12. Кучеренко, Ю. А. Лунно-солнечные приливы в вариациях сейсмоакустоэмиссионных процессов: сопоставление результатов режимных наблюдений и лабораторного моделирования [Электронный ресурс] / Ю. А. Кугаенко, В. А. Салтыков // Камчатский филиал Геофизической службы РАН. - 7 с.
13. Матвеев Ю.Н. Цифровая обработка сигналов Учебное пособие по дисциплине «Цифровая обработка сигналов». [Текст] /Симончик К.К., Тропченко А.Ю., Хитров М.В.// - СПб: СПб-НИУ ИТМО, 2013. - 166 с.
14. Горбатиков А. В. Возможность оценки параметров геологических объектов на основе использования фонового микросейсмического поля. Результаты экспериментальных исследований и моделирование. [Текст] / А. В. Горбатиков // Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. -Петергоф, 02-06 октября 2006. - С. 67-72.
Анциферов Андрей Вадимович, доктор технических наук, профессор, чл.-кор. НАНУ, научный консультант ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; antsiferov_a@mail.ru.
Туманов Виктор Владимирович, заведующий отделом эколого-геофизических исследований ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; tum-v@yandex.ru.
Новгородцева Людмила Александровна, кандидат геологических наук, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизичских исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; lyudnonv.21-78@yandex.ru.
Анциферов Вадим Андреевич, кандидат геологических наук, старший научный сотрудник отдела эколого-геофизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; antsiferov_a@mail.ru.
Бородин Дмитрий Сергеевич, младший научный сотрудник отдела эколого-гефизических исследований, ФГБНУ «РАНИМИ», Россия, ДНР, Донецк; bordym@yandex.ru
POSSIBILITY OF DETECTING FRACTURED GAS-SATURATED ZONES IN MINE FIELDS WITH THE HELP MICROSEISMIC WAVES
In this article, based on the analysis of literary sources and studies performed in RANIMI, the possibilities of identifying fractured gas-saturated zones in the mine fields of coal deposits are reviewed. Recommendations for further studies in the Donbass using microseisms are given.
Keywords: microseisms, tectonics, fracturing, velocities of waves, seismic emission energy calculation
Antsiferov Andrey Vadimovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Corresponding Member of the National Academy of Sciences, Scientific consultant, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, antsifer-ov_a@mail.ru.
Tumanov Victor Vladimirovich, Head of the Department of Ecological and Geophysical Research, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, tum-v@yandex.ru.
Novgorodtseva Lyudmila Alexandrovna, PhD in Geology, Senior researcher of the Department of Ecological and Geophysical Research, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, lyudnonv.21-78@yandex.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.
Borodin Dmitriy Sergeevich, Junior researcher of the Department of Ecological and Geophysical Research, «RANIMI», Russia, Donetsk People's Republic, Donetsk, bordym@yandex.ru.
