Корреляционная связь траекторий скважин с анизотропией и симметрией горных пород (на примере Кольской-СГ-3 и Криворожской-СГ-8 сверхглубоких скважин)

СЕМИНАР 17

ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА - 99" МОСКВА, МГГУ, 25.01.99 - 29.01.99

Т.Ю.Кузнецова,

МГГУ

Ю.П. Смирнов, В.А. Тюремнов,

КНЦ «Кольская сверхглубокая»

Корреляционная связь траекторий скважин с анизотропией и симметрией горных пород

Одной из знаменательных вех в области естественных наук о Земле во второй половине ХХ-го столетия стало комплексное изучение земной коры. Среди традиционных геологических и геофизических методов изучения глубоких горизонтов континентальной земной коры ведущая роль, в последние тридцать лет, принадлежит научному сверхглубокому бурению. Только на территории России пробурено 11 глубоких и сверхглубоких скважин. В 1997 году закончено бурение сверхглубокой скважины КТВ в Г ермании глубиной 9101 м. Кольская сверхглубокая скважина (СГ-3) по своим научным, техническим и технологическим результатам превзошла все известные глубокие и сверхглубокие скважины. Ниже 7 км она представляет собой многоствольную горную выработку, первый ствол которой закончен на глубине 11662 м, второй, пройденный из первого с глубины 9378 м, достиг 12066 м, третий, начатый на глубине 7010 м из первого, завершился на отметке 12262 м и, наконец, четвертый, забуренный в третьем на глубине 9649 м, достиг 11882 м. Забой СГ-3 в 1990 году достиг рекордной глубины - 12262 м. Благодаря этому в геопространстве СГ-3 получена комплексная объемная информация о блоке горных пород глубиной 12 км и сечением 1 км х 0,5 км [1]. СГ-3 несомненно считается национальным достоянием России, по достоинству оценена мировой геологической общественностью и занесена в книгу рекордов Гинесса.

Известно, что бурение скважин связано с преодолением многих технологических проблем, среди

которых одной из наиболее значимой является борьба с искривлением скважин. Многие известные глубокие и сверхглубокие скважины, заданные как вертикальные выработки, не смогли преодолеть тенденцию к искривлению, в результате чего в ряде случаев это привело к серьезным техническим осложнениям, авариям или снижению эффективности научных результатов. Это стало одним из главных препятствий на пути проведения глубоких и сверхглубоких скважин. В связи с этим, в предлагаемой работе рассматривается влияние только геологических и физических факторов на искривление стволов буровых скважин, проходимых в ме-таморфизованных кристаллических породах на примере Кольской и Криворожской сверхглубоких скважин. Влияние технологических факторов - вопрос особый и здесь не рассматривается.

СГ-3 пройдена в Северо-Печенгской зоне Кольской субпровинции в северном крыле Пе-ченгской структуры (рис.1). Геологический разрез скважины представлен двумя докембрий-скими комплексами - нижнепротерозойским (Карельским) и верхнеархейским (Кольско-Бело-морским). Карельский комплекс (0-6842 м) сложен переслаивающимися свитами, которые соответствуют четырем осадочновулканогенным мегаритмам и залегает с угловым несогласием на позднеархейском Кольско-Бело-морском комплексе.

Кольско-Беломорский комплекс (6842-12262 м) представлен ритмичным переслаиванием свит биотит-плагиоклазовых гнейсов с

и Криворожской-СГ-8 сверхглу-

высокоглиноземистыми минералами со свитами биотит-плагиоклазовых гнейсов с высококальциевыми минералами. В вертикальном разрезе верхнеархейского комплекса установлено 10 подобных свит, характеризующихся различным составом и сочетанием пород, характером регионального и дислокационного метаморфизма, элементами пли-кативной и дизъюнктивной тектоники. Наличие реликтовой слоистости и согласной с ней кристаллизационной сланцеватости и полосчатости свидетельствуют о пластическом перемещении первичного осадочного материала параллельно напластованию в процессе метаморфизма.

Несмотря на структурное и угловое несогласие карельского и Кольско-Беломорского комплексов, в архейских парапородах наблюдаются те же узоры микро-структурных диаграмм по кварцу (Я - тектониты с горизонтально расположенной осью В) и слюдам ^ - тектониты с одним максимумом, перпендикулярным к сланцеватости), как и в кристаллослан-цах из нижней части карельского комплекса, подвергшихся дислокационному метаморфизму. Однако такое единство плана деформаций прослеживается лишь до глубины 7500 м. На глубине 7630 м, по данным магнитометрии, установлено юго-восточное падение (140°) пласта железистых кварцитов под углом 35° [2]. Именно на этой глубине происходит резкий азимутальный поворот скважины с северо-восточного на северозападное направление, то есть вкрест залегания юго-восточного крыла антиклинальной структуры

Рис.1. Геолого-геофизическая модель геопространства Кольской сверхглубокой скважины (СГ-3). Структурно-фациальные комплексы в геопространстве СГ-3: R - верхний протерозой (рифей); PR21 - ка-левий (Южно-Печенгская зона); PR11 - карелий (Северо-Печенгская зона); АК12- ЛК212 - кольско-беломорский (лопий); ЛК11- ЛН21 - чарнокит-эндербитовый (саамий); ЛК0- ЛК11- дацит-трондьемитовая протокора (катархей); 1 - мантия; 2 - глубинные разломы (зоны повышенной проницаемости); 3 - границы обмена сейсмических волн: а - внутрикоровые (“слоевые”), б - внутрислоевые (НПО “Нефтегеофизика”), М., 1980); 4 - граница Мохо; 5 -скважина СГ-3; 6 - глубинный геополигон в разрезе СГ-3 и по данным ГСЗ и МОВЗ; 7 - линия разреза.

(рис.2). Это позволяет утверждать, что залегание первичных и вторичных текстур в докембрии, так же как и в фанерозое, влияет на характер искривления скважины.

Геологические строение Криворожского железорудного бассейна, состав слагающих разрез свит имеют общие черты со структурой Печенгского рудного района. Бурение Криворожской сверхглубокой скважины позволило расшифровать глубинное строение докембрийской железорудной провинции, изучить главные черты геодинамического развития структуры и объяснить при

Рис.2. Схема соотношения архейских и протерозойских складчатых структур (проекция на горизонтальную плоскость). 1 - толща биотит-плагиоклазовых гнейсов с высококальциевыми минералами (ВМК); 2 -толща биотит-плагиоклазовых гнейсов с высокоглиноземистыми минералами (ВГМ); 3 - телевинская свита; 4 -маярвинская свита; 5 - кувернеринйокская свита; 6 - пир-ттиярвинская свита; 7 - лучломпольская свита; 8 - запо-лярнинская свита; 9 - ждановская свита; 10 - свита матерт; 11 - зона трещиноватости и катаклаза лучломпольского разлома; 12 - зона образования бластомилонитов; 13 -опорные толщи биотит-плагиоклазовых гнейсов с ВГМ (1,

2, 3 + 4, 5 - в порядке пересечения); 14 - глубина контактов опорной толщи; 15 - азимут падения опорных толщ или маркирующих пластов железистых кварцитов; 16 -направление и угол падения; 17 - глубина отдельных точек ствола по скважине; 18 - номера стволов скважины СГ-3 в хронологической последовательности; 19 - анде-зит-дацитовые порфириты.

состояния Среды. При этом метаморфические минералы создают в пластичных слоях сланцеватость, параллельную первичной слоистости (наиболее отчетливую в крыльях), а в случаях высокотемпературного метаморфизма еще и линейность, параллельную шарнирам складок.

Тенденция изменения текстур и структур метаморфических пород с глубиной определяет закономерности изменения анизотропии упругих и механических свойств пород, поскольку последние тесно связаны с текстурно-структурными особенностями пород.

Анализ текстур и их характеристик позволяет выделить пять групп: массивные и шаровые реликтовые -изотропные (1); слоистые реликтовые - слабо анизотропные (2);

роду метаморфической зональности. Скважина вскрыла комплекс метамор-физованных супракрустальных образований, залегающих на днепропетровских гранитоидах. Супракрустальные толщи слагают довольно симметричную синклинальную структуру. Геологический разрез охарактеризован, кроме самого ствола СГ-8, серией скважин колонкового бурения (рис.3) [3].

Среди складок различной формы в докембрийских породах Балтийского и Украинского щитов наиболее распространены складки продольного изгиба [4, 5], которые образуются в условиях прогрессивного регионального метаморфизма и сложного напряженного

6 і 1999

143

слоисто-сланцевые - анизотропные (3); кристаллосланцевые - сильноанизотропные (4); катакластиче-ские (бластоката-кластические и бластомилонитовые) - вторичноанизотропные или изотропные (5). Первые две группы преобладают в изотропной части разреза в интервалах 0-1060 и 3000-4400 м, остальные характерны для анизотропных пород, которым присущи слоистые (глубже 6000 м - реликтовые), сланцеватые, полосчатые и линейные текстуры. Эти группы текстур образовались в период формирования осадочных и эффузивных пород и в процессе их дальнейшего прогрессивного метаморфизма. С дислокационным метаморфизмом, особенно масштабно проявившимся при надви-

142

говых, преимущественно согласных движениях, связаны вторично сланцеватые, плойчатые, чешуйчатые и волнистоструйчатые текстуры, образовавшиеся в процессе одностороннего давления (стресса) [5, 6]. Согласно залеганию контактов толщ расположены реликтовая слоистость, кристаллизационная сланцеватость, полосчатость и текстуры более позднего дислокационного метаморфизма.

Известно, что формирование траекторий ствола скважины обусловлено результирующей составляющей двух сил, связанных с геологическими и петрофизи-ческими факторами (Ргеол) и техникотехнологическими: Ррез = Ргеол + Ртех. Истинная величина и направление вектора Ргеол. является величиной переменной и зависит от изменения геолого-

петрофизических характеристик, которые представляют собой функцию влияния многочисленных факторов, учесть которые весьма сложно.

К геологическим факторам, вызывающим искривление ствола скважины, в первую очередь относятся: характер залегания пластов, анизотропность пород, связанная с их внутренним строением; анизотропия механических и петрофи-зических характеристик, переслаивающихся пород, существенно отличающихся по прочности, твердости; трещиноватость и связанная с ней кавернозность; тектонические разломы с автономной внутренней структурой.

Верхний интервал скважины в основном представлен кавернозным стволом с условно круглым сечением и небольшим интервалом ствола с сечением, близким к

номинальному диаметру долота, а нижний, практически на всем протяжении - эллипсный. Эти явления обусловлены геолого-структур-ными и петрофизическими факторами. Среди них доминирующими являются углы залегания пород (табл. 1) и прочность пород по штампу (табл.2). По элементам залегания контактов пород и текстур, относительно оси скважины СГ-3, можно выделить четыре группы.

При проводке СГ-3 отчетливо просматривается сохранение заданного зенитного угла в прочных изотропных диабазах и габбро-диабазах и значительное искривление в тонкопереслаивающихся туфогенно-осадочных породах (структурная анизотропия переслаивания). Азимутальное искривление при этом незначительно. Эти явления в породах докембрия прямо коррелируются с их вещественным составом и структурно-текстурными особенностями (рис.2). Ориентированные замеры упругих свойств выявили более высокие скорости Vp по слоистости (сланцеватости и т.п.) и более низкие в направлении перпендикулярном [1, 6, 7]. Испытание механической прочности в тех же породах установили наличие анизотропии прочности: более низкая прочность определена в направлении по нормали к метаморфическим и реликтовым текстурам и более высокая по направлению простирания и падения текстур [8]. Прочность пород и их разру-шаемость, как известно, взаимосвязаны. Именно в направлении стресса чаще всего происходит хрупкое разрушение пород. Упругие свойства горных пород, так же как их разрушаемость, адекватны количеству потенциальной энергии породы. Эти особенности прямо связаны с причиной искривления скважин сверхглубокого бурения - буровой снаряд стремится занять наиболее выгодное энергетическое направление, ориентированное по нормали к плоскостям трансляционного скольжения, то есть слоистым и план-параллельным текстурам. Подоб-

ГИАБ

Рис.3. Геологический разрез Криворожской сверхглубокой скважины (СГ-8). 1-3. Архейский комплекс: 1 базиты, 2 - ВІР; 3 - то-налиты. 4-10. Раннепротерозойская криворожская серия: 4 - новокриворожская свита; 5-6 - конгломераты, кварциты, филлиты, 6 - хлорит-тальковые и карбонат-тальковые сланцы, 7-8 - саксаганская свита, (7 - железистые кварциты, 8 - железные руды). 9-10 - гданцевская свита: 9 - железистые кварциты, магнетитовые руды, 10 - мраморы, кварц-биотитовые и углистые сланцы. 11-14. Раннепротерозойская ингуло-ингулецкая серия: 11-12 -зеленореченская свита (11 - кварциты, высокоглиноземистые метапесчаники, амфибол-палевошпат-биотитовые сланцы, 12 - высокоглиноземистые-двуслюдяные-гранатовые сланцы, тальк-амфиболовые породы), 13 - артемовская свита, 14 -родионовская свита; 15 - среднепротерозойская(?) глееватская свита, 16 - надвиг, 17 - разлом, 18 -несогласие, 19 - криворожская сверхглубокая скважина, 20 - разведочные скважины.

* ВІҐ - формация полосчатых железистых кварцитов

ное положение бурового снаряда определяется действием закона сохранения энергии: избыток

энергии, концентрирующейся в процессе складкообразования и последующего динамометаморфизма, перестраивая структурнотекстурную конструкцию породы, сосредотачивается в направлении, перпендикулярном действию тектонических сил в плоскости сланцеватости в направлении линейности.

Роль анизотропии пород, их симметрии и диссимметрии в искривлении скважин четко прослеживается при сопоставлении соотношения вектора силы земного тяготения, отвечающего симметрии конуса (Ьда даР), с симметрией слоя (пласта) и симметрией бурового снаряда. Напомним, что симметрия идеального пласта, бурового снаряда и керна обладает той же симметрией, что и гравитационное поле Земли (Ьда даР), то есть симметрией конуса [9, 10]. Когда пласт и его текстурные элементы горизонтальны и скважина задана вертикально, оси симметрии всех перечисленных объектов совпадают, проходимый ствол сохраняет вертикальность - все элементы симметрии совпадают и, следовательно, условия возникновения диссимметрии отсутствуют. В этом случае с осью симметрии совпадает наиболее энергетически выгодное направление для разрушения горных пород, ориентированное по нормали к пласту. Иное соотношение осей симметрии возникает в тех случаях, когда пласты (слои) приобретают наклон вследствие складчатости или тектонических воздействий. В такой структуре наиболее энергетически выгодное направление разрушения горных пород совпадает с нормалью к наклонным пластам, обла-

дающих плоскостью симметрии -З и перпендикулярной к ней осью симметрии второго порядка - L2. Mножество плоскостей и осей симметрии уступает простой формуле - Рі2, при этом и возникает неравновесное состояние (дисси-мметрия), которое следует учитывать при проведении горных работ.

Выводы

Установлено, что траектории стволов СГ-З и СГ-8 имеют корреляционную связь со степенью анизотропии горных пород и ее симметрических характеристик:

♦ изотропные породы характри-

зуются симметрией конуса - LM да P - дат (элементы собственной симметрии тела совпадают с элементами симметрии среды) - дис-симметрия отсутствует, стволы

скважин сохраняют вертикальность;

♦ туфогенно-осадочные породы обладают анизотропией переслаивания и симметрией L2P (элементы собственной симметрии тела лишь частично совпадают с элементами симметрии среды - появляется диссимметрия - глубокие и сверхглубокие скважины (в том числе и мелкие скважины колонкового бурения) отклоняются от заданного направления.

Геологические, структурные и петрофизические особенности гомологичного геопространства СГ-З и СГ-8 строго связаны с его симметрией и диссимметрией, а их соотношение определяет характер траекторий буровых скважин в кристаллических породах докембрия. Эти закономерности позволят прогнозировать горнотехнологические условия проходки сверхглубоких скважин.

Работа выполнена при поддержке проектов РФФИ № 97-Q5-б444З, INTAS-93-Q754 extension.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кольская сверхглубокая. Научные результаты и опыт исследований. М.: МФ “Технонефтегаз”, 1998, 260 с.

2. Бахвалов А.И., Пономарев В.Н., Смолин П.П. и др. Магнитометрические исследования Кольской сверхглубокой скважины // Сов.геология, 1989, № 9, с.81-87.

3. Курлов Н.С., Касабов В.В., Мечников Ю.П. и др. Основные результаты бурения Криворожской сверхглубокой скважины // Сов.геология, 1991, № 8, с.69-80.

4. Травин В.В. Образование складок в мобильных зонах в условиях продольного сжатия // Г еотектони-ка, 1993, № 1, с.33-38.

5. Флинн Д. Деформации при метаморфизме. В кн.: Природа метаморфизма. М.: Мир, 1967, 373 с.

6. Казанский В.И., Боронихин В.А., Ванюшин В.А. и др. Соотношение между деформациями, метаморфизмом и петрофизическими свойствами пород в Печенгском рудном районе. В кн.: Внутреннее строение рудоносных докембрийских разломов. М.: Наука, 1985, с.10

7. Горбацевич Ф.Ф., Смирнов Ю.П., Галдин Н.Е., Ильченко В.Л., Лизинский М.Д., Медведев Р.В. Упругие свойства разреза Кольской СГ-

3. В кн.: Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: Ла-пландско-Печенгский район. Апатиты, КНЦ РАН, 1997, с.34-54.

8. Губерман Д.М., Медведев Р.В., Писарницкая Т.Ф., Смирнов Ю.П. Инженерно-геологическое изучение протерозойской части разреза Кольской сверхглубокой скважины. Инженерная геология, № 3, 1992, с.34-42.

9. Дмитриев Г.А., Потапова М.С. Учение о симметрии как общий метод познания закономерностей развития Земли. В кн.: Пути познания Земли. М.: АН СССР, 1971.

10. Кюри П. Избранные труды. МЛ.: Наука, 1966, 400 с.

© Ю.П. Смирнов, В.А. Тюремнов, Т.Ю. Кузнецова

б і 1999

14З