СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ УПРУГИХ И ФИЛЬТРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
METHOD TO DETERMINE IRREGULARITIES OF ELASTIC AND FILTRATION PROPERTIES OF ROCKS

Изобретение относится к методам неразрушающего контроля горных пород, а именно для установления детальной характеристики структуры трещинно-порового пространства кристаллических пород и степени анизотропии их упругих и фильтрационных свойств, определения скрытых неоднородностей, флюидопроницаемости и позволяет вести обработку результатов профильных инструментальных измерений свойств геосистем для изучения их внутреннего строения.
Пористость горных пород и искусственных материалов предопределяет их физические свойства, такие как, например, прочность, сжимаемость, скорости распространения упругих волн, теплопроводность, электропроводность и др. Поэтому изучение пористости находит применение во многих областях знаний и производственной деятельности, включая поиски, разведку и разработку месторождений полезных ископаемых, строительство подземных объектов различного назначения, локализацию экологически опасных твердых и жидких отходов в геологических формациях и др. Пористость определяется совокупностью пустот (порокапилляры, поры, каверны, микротрещины и т.д.), пространственная организация которых связана с процессами сингенетичных (первичных) и эпигенетичных (вторичных, наложенных) преобразований пород. Особенности и интенсивность этих процессов отражаются в структуре трещинно-порового пространства.
14
Для выявления параметров пористости существуют различные методы: свободное водонасыщение, центрифугирование, ртутная и газовая порометрии и т.д. Эти методы позволяют установить размеры и объем поровых каналов, но не дают однозначного ответа об их морфологии. Для этого необходимо привлекать данные оптической и дорогостоящей электронной микроскопии, а порометрия к тому же требует соблюдения жестких санитарных и технологических норм. В последнее время развивается метод импрегнации образцов пород гелем полиметилметакрилата (РММА), содержащего радиоактивный углерод в качестве несорбирующегося трассера (С-РММА - метод). Он позволяет получить наиболее полную информацию о параметрах доступного для флюидов трещинно-порового пространства, но может использоваться только в специально оборудованных радиохимических лабораториях при соблюдении норм санитарного контроля.
14
[Hellmuth К-Н., Siitari-Kauppi М, Lindberg A. Study of porosity and migration pathways in crystalline rock by impregnation with C-polymethylmethacrylate // J. Contam. Hydrol. 1993. N 13. P. 403-418;
Hellmuth K-H., Lukkarinen S., Siitari-Kauppi M. Rock matrix studies with carbon-14-polymethylmethacrylate (PMMA): method development and applications // Isotopes in Environmental and Health Studies. 1994. N 30. P.47-60].
Из патентных источников информации известен способ использования результатов анализа геополей для локализации геологической аномалии в пространственных координатах объекта. Способ основан на анализе геополей с позиций их изменчивости. Изменчивость геофизических полей определяют в коэффициентах отклонения от нормального значения одной из его физических характеристик, приведенных к единице площади излучаемого геополя. Затем строят векторные диаграммы коэффициентов изменчивости, проводят векторную огибающую и прогнозируют геологическое событие в точке пересечения огибающей с вектором максимальной изменчивости. По расстоянию между фокусом векторной огибающей и точкой пересечения ее с вектором максимальной изменчивости с учетом масштаба выбранного изображения геофизического поля или карты прогнозируют физическую характеристику геологической формации. Точность определения пространственных координат может быть повышена при анализе геофизических полей одной и той же территории по параметрам с разными физическими характеристиками, а также по картам, изображенным в разных масштабах.
В известном изобретении решена задача разработки способа идентификации геологической формации, пригодного для любого геологического объекта, однако он имеет недостаток, заключающийся в сложности его реализации.
[патент РФ №2097794, G01V 9/00, опубл. 127.11.1997].
Известен также способ обнаружения и определения местоположения неоднородностей в массиве горных пород путем высокочастотной электроразведки, подповерхностной радиолокации. Способ предназначен для выявления и определения местонахождения неоднородностей в массиве горных пород.
В известном способе излучают зондирующий сигнал и осуществляют прием отраженных сигналов при помощи коммутируемых приемопередающих антенн, измеряют параметры принятых сигналов, определяют характеристики среды и находят положение отражающих неоднородностей. Предусмотрено излучение-прием сигналов с помощью антенн, расположенных по разные стороны рабочего органа, ведущего горные работы, при этом сначала напротив первой точки массива излучают, а затем принимают сигнал первой антенной, после смещения вместе с рабочим органом напротив этой же точки излучают и принимают сигнал второй антенной, измерение проводят по всему фронту работ, определяют скорость сигнала во всех точках отрабатываемой поверхности и составляют карту неоднородностей массива.
Способ позволяет получить точность определения местоположения неоднородностей, однако сложен в осуществлении, требует создания сети приемопередающих станций в условиях подземных горных выработок.
[з-ка РФ №93016043, G01V 1/00, опубл. 20.04.1995 г.]
Задачей изобретения является создание способа, техническим результатом которого является повышение эффективности и упрощение прогноза внутренних неоднородностей массива горных пород: фильтрационно-активных неоднородностей, невидимых трещин, внутренних контактов пород.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения неоднородностей упругих и фильтрационных свойств горных пород, выбуренные из горного массива цилиндрические образцы керна различной длины просвечивают ультразвуковыми продольными Р-волнами по регулярной сетке во множестве направлений как угловых, так и вдоль оси образца керна, и определяют скорости упругих продольных волн в высушенных образцах и в насыщенных жидкостью. Получают массив данных скоростей упругих продольных волн для обоих состояний, который обрабатывают для получения данных о двумерном распределении скоростей и их отклонений от среднего значения для высушенных образцов и насыщенных жидкостью, который представляется в виде цветной или монохромной топографической карты с изолиниями с заполнением между ними или без него с координатами двугранный угол наблюдения - высота наблюдения датчика. Затем сравнивают полученные результаты измерений скоростей в высушенных образцах и в насыщенных жидкостью путем вычисления разности значений или их отношения и по изменению абсолютной величины или ее относительного отклонения для образца в высушенном состоянии делают вывод о неоднородностях упругих и фильтрационных свойств горных пород, которые связаны с минеральным составом, концентрацией и ориентацией трещинных нарушений, при одинаковом минеральном составе. Далее сравнивают результаты измерения скоростей упругих волн для образцов, насыщенных жидкостью, и по увеличению скорости волн по сравнению с данными высушенных образцов судят о том, какие нарушения имеются в естественном залегании массива пород. Далее сравнивают результаты измерения скоростей упругих волн в обоих состояниях образцов путем вычисления разности значений или их отношения, и делают вывод о степени насыщенности жидкостью горной породы и, следовательно, изменение ее флюидопроницаемости.
Преимущественно, цилиндрические образцы керна просвечивают помощью с ультразвуковой системы, включающей генератор коротких импульсов, амплитудой не менее 400 В; ультразвуковые датчики с собственной частотой 0,8÷1,0 МГц; широкополосный усилитель и регистрирующий цифровой осциллограф.
Обычно, образцы керна просвечивают сдвиговыми ультразвуковыми S-волнами с получением массива данных.
Преимущественно, образцы керна сушат при температуре 90-95°C в течение 7-8 часов, а насыщение водой образцов керна ведут путем их погружения в течение не менее 14 дней в обезгаженную воду с содержанием минеральных солей не более 1 г/л и pH 7, или в имитирующий химический состав и концентрацию минеральных веществ и окислительно-восстановительный потенциал воды горного массива отобранных образцов керна, или с использованием воды из естественного залегания горного массива отобранных образцов керна.
Трещинно-поровое пространство горных пород и искусственных твердых материалов предопределяет их физические свойства, такие как, например, прочность, сжимаемость, скорости распространения упругих волн, теплопроводность, электропроводность и др.
P
Pcyx
Рнасыщ
P
S
Известно, что среди упругих параметров, чутко реагирующих на текстурно-структурные особенности горных пород и флюидонасыщенность их трещинно-порового пространства, важнейшее значение имеют скорости распространения продольных волн (V). Исходя из этого, был разработан способ, основанный на выявлении неоднородностей упругих характеристик в керновых образцах и двумерной визуализации полученных данных. Он состоит в определении скоростей распространения P-волн во множестве направлений и сечений («слоев») образца, которые расположены в перпендикулярных к оси керна плоскостях. На основе этих данных методами минимальной кривизны или кригинга (например, с помощью пакета программ Surfer) строятся 2D картины в изолиниях распределения Р-волн для сухого (V) и водонасыщенного (V) состояний. Также строятся разностные (дифференциальные) картины (dV), получаемые в результате вычитания скоростей по сухому образцу из соответствующих значений по водонасыщенному. Эти данные также позволяют построить картину эффекта водонасыщения (E)
S
Pнасыщ
Pcyx
Pcyx
E=(V-V)/V
При использовании усредненных значений скоростей для одного сечения и набора этих значений для всех сечений появляется возможность получить представление о распределении акустически и гидравлически активных структурных неоднородностей в объеме образца.
Способ осуществляют следующим образом.
I. Подготовка образцов.
Подготовка образцов к измерениям производится в следующем порядке:
1. Разметка включает проведение базовой линии на боковой поверхности образца керна. Положение базовой линии произвольное за исключением случаев разметки ориентированного керна, когда за базовую линию берется процарапанный штрих, указывающий направление на север. Следует учесть ориентацию образца керна (верх-низ), для этого базовая линия должна быть снабжена стрелкой, отмечающей направление вниз.
2. Фотографирование на цифровой фотоаппарат с матрицей не менее 6 мегапикселей боковой поверхности образца керна с последовательным поворотом в одну сторону, например против часовой стрелки относительно базовой линии, на угол 30° для последующего "сшивания" в один файл фрагментов кадров для создания панорамной развертки боковой поверхности образца.
3. Разметка боковой поверхности образца делением на равные угловые сектора, таким образом, чтобы двугранные углы между соседними плоскостями, проходящими через эти линии и ось керна, составляли 30°. Можно выбрать меньший шаг разбивки углов.
4. Разметка боковой поверхности образца делением секущими плоскостями, перпендикулярными оси образца. Для этого на боковой поверхности образца через равные промежутки, например 30 мм, отмечаются точки (узлы измерительной сетки), в которые будут устанавливаться ультразвуковые датчики (излучатель - приемник). Вся разметка выполняется не смываемым водой маркером.
II. Создание фотографической панорамной развертки боковой поверхности.
1. Все файлы фотоснимков считываются в компьютер и с помощью программ обработки изображений вырезаются прямоугольные фрагменты с длинной стороной (ось Y), пропорциональной длине образца, и короткой стороной (ось X), пропорциональной ширине фрагмента, охватываемого сектором (двугранным углом) 30°. Следует пронумеровать изготовленные фрагменты.
2. Фрагменты сшиваются в один файл и, таким образом полученная развертка боковой поверхности используется для дальнейшего анализа.
На фиг.1 представлена разметка образцов перед ультразвуковым исследованием, где:
1- образец керна горной породы,
2 - базовая линия,
3 - места установки датчиков ультразвуковых преобразователей,
Двугранные сектора и слои показаны сплошными и пунктирными линиями.
a
На фиг.2 представлено панорамное фото боковой поверхности лейкогранита с глубины 506 м Нижнеканского массива (),
- 2D карты распределения отклонения скоростей P-волн в сухом (б) и водонасыщенном (в) состояниях (%),
- дифференциальная картина (г).
Белая сплошная линия на фото и черные пунктирные на картах обозначают частично выполненную кварц-карбонат-гидрослюдистым минеральным агрегатом основную трещину.
Рсред
Рсред
Для сухого образца V=5,197±0,040 км/с, для водонасыщенного V=5,900±0,035 км/с.
На фиг.3 представлено панорамное фото боковой поверхности образца кварцевого диорита с глубины 700.6 м Нижнеканского массива (a),
- 2D карты распределения скоростей Р-волн в сухом (б) и водонасыщенном (в) состояниях,
- дифференциальная картина (г).
Pсред
Pсред
Для сухого образца V=5,886±0,123 км/с, для водонасыщенного V=6.128±0,083 км/с.
На фиг.4 показано сечение модельных образцов, которые изготовлены для тестовых испытаний вдоль базовой линии (3), где (1) - основа модели, (2) - включение.
P
На фиг.5-9 приведены результаты исследования модельных образцов в виде топографических карт для dV. Названия моделей указаны в виде стикера (S1…S5) на каждой фигуре.
III. Проведение ультразвуковых исследований.
1. Ультразвуковые исследования проводятся при помощи системы, которая состоит из генератора коротких импульсов, амплитудой не менее 400 В, одной пары ультразвуковых датчиков с собственной частотой (0,8÷1,0 МГц) и усилителя-приемника. Ультразвуковые датчики предназначены для генерации и приема продольных волн. Принимаемые усилителем аналоговые сигналы передаются в цифровой осциллограф с частотой дискретизации не менее 20 МГц и хранятся на постоянном носителе информации для последующего анализа осциллограмм. При анализе определяются как кинематические (определение времени пробега ультразвукового импульса), так и динамические (амплитуда импульсов с учетом усилительных характеристик аппаратуры приема) характеристики.
2. Процедура проведения ультразвуковых измерений сводится к следующим операциям: в узлы сетки оппозитно устанавливаются последовательно излучатели и приемники, контакт осуществляется через контактную смазку, которая должна быть смываемой водой, например гели полисахаридов. Количество направлений определяются количеством узлов сетки. Измерения производятся как в прямом, так и в обратном направлениях.
3. С помощью ультразвуковой системы проводятся измерения на предварительно высушенных образцах керна. Сушка может производиться различными способами, например в сушильном шкафу. Для большинства горных пород достаточно их прогреть при температуре 90-95°C в течение 7-8 часов.
4. Насыщение водой производится путем медленного погружения в обезгаженную (кипяченую или дистиллированную) воду с содержанием минеральных солей не более 1 г/л, показатель pH должен быть близок к 7. Образцы погружаются в водяную ванну в лежачем положении с неполным заполнением уровня воды (~30% высоты образца), а после насыщения в течение 2 суток уровень воды постепенно повышается в течение недели до полного погружения образцов. Исследования в водонасыщенном состоянии проводятся через две недели после первого погружения образцов в воду. Для измерения скоростей каждый образец вынимается из ванны только на время проведения испытания, в течение которого периодически увлажняется. Контактная смазка (гель полисахаридов) при исследованиях воздушно-сухих образцов убирается с поверхности образца тонким шпателем и место контакта протирается слегка влажной салфеткой. В случае работы с водонасыщенными образцами место контакта образца и датчиков слегка подсушивается сухой салфеткой, наносится смазка, проводятся измерения и затем контактная смазка смывается. Такая процедура обеспечивает одинаковую плотность и вязкость контактной смазки для того, чтобы минимизировать влияние этого фактора на точность измерений скоростей.
5. По временам и длине пробега ультразвуковых импульсов в образце рассчитываются скорости продольных волн в конкретном направлении.
IV. Построение контурных карт.
Полученные массивы значений скоростей в узлах измерительной сетки обрабатывают по следующей схеме.
средн.
ij
средн.
средн.
ij
Контурные карты могут быть созданы с помощью разных программ. Но суть их сводится к построению сетки в узлах, которой помещаются значения скоростей или их отклонений от средних значений. Значения скоростей в прямом и обратном направлениях усредняются и помещаются в матрицу (таблицу), столбцы которой представляют последовательно направление наблюдения в градусах (первый столбец), высота от основания цилиндра (второй) и усредненные в прямом и обратном направлениях значения скоростей (третий столбец). Создаются также таблицы, в третьем столбце которых находятся значения относительного отклонения (V-V)/V, где V - среднеарифметическое всех значений скоростей по всем совокупным направлениям (V, i - номер углового направления, j - номер слоя). Для этих матриц рассчитываются новые интерполяционные матрицы, используя один из методов картографии для построения контурных карт с изолиниями: кригинга, оценки наименьшей кривизны, инверсного расстояния или "ближайших соседей". Размерность матриц возрастает в зависимости от ограничительных величин задаваемых параметров при использовании того или иного метода. Количество строк в них совпадает с количеством слоев в осевом направлении, а количество столбцов увеличивается. Эти матрицы симметричны относительно направления 0-180°. В их узлах находятся интерполированные значения искомых величин.
Далее, для визуального восприятия результатов, по этим интерполяционным матрицам с помощью картографических программ строятся контурные карты с изолиниями с заполнением пространства между изолиниями цветом с градацией цвета от ноля отклонения в положительную и отрицательную стороны или от минимального до максимального значений искомых величин. Как варианты, возможны применения монохроматической гаммы оттенков (от темного к светлому) или только изолиний без заполнения пространства между изолиниями. Для численной оценки градиентов изменения искомых величин необходимо рядом выводить легенду градаций уровней между изолиниями, а на изолиниях наносить число, соответствующее уровню изолинии. Как примеры, такие карты приводятся на фиг.2 и 3. На каждом рисунке представлены панорамные фото (а) боковых поверхностей образцов. На двух картах приводятся относительные отклонения от среднего значения скоростей продольных волн для двух состояний: сухого (б) и насыщенного водой (в). Третья карта (г) представляет собой относительное изменение скоростей продольных волн при насыщении водой. На них черными пунктирными линиями отмечены границы разделов крупных областей, отличающихся минеральным составом или размером кристаллов, а также трещины (прожилки), заполненные агрегатами минералов. На панорамных фото боковых поверхностей образцов эти неоднородности показаны белыми сплошными линиями.
На фиг.2 отчетливо прослеживается контакт между меланократовой и лейкократовой разностями гранитов. В сухом состоянии нижняя лейкократовая часть образца обладает пониженными скоростями Р-волн, тогда как в водонасыщенном - повышенными. Это свидетельствует о более высокой степени проницаемости и гидравлической активности порового пространства лейкократовой разности, что подтверждает и дифференциальная картина. Проведенные петрографические исследования показали, что в нижней и верхней частях образца присутствуют щелевидные микротрещинные каналы, которые в зависимости от степени гидротермально-метасоматической проработки пород выполнены агрегатами различных минералов. Поровые каналы меланократовой разности в основном заполнены кварцем, карбонатом и эпидотом, которые слабо реагируют с водой в комнатных условиях. В противоположность этому, микротрещины в более интенсивно метасоматически проработанной лейкократовой части образца выполнены относительно легко растворимыми агрегатами глинистых минералов, которые вымываются в процессе водонасыщения. Это приводит к общему увеличению пустотности матрицы породы и ее заполняемости жидкостью.
Pсредн
На фиг.3 приведен другой пример использования метода. Представлены результаты просвечивания трещиноватого образца кварцевого диорита. Основная трещина расположена под углом ~60° к оси керна и частично выполнена кварц-карбонат-гидрослюдистым агрегатом. Плоскость трещины прослеживается по минимальным значениям скоростей упругих волн на картинах их распределения в сухом и водонасыщенном состояниях. Это могло бы служить основанием для вывода о гидравлической пассивности плоскости трещины. Однако даже незначительная разница в скоростях (dV=0,5 км/с) отчетливо проявляется в дифференциальной картине. Анализ этой картины показывает, что трещина является гидравлически активной особенно в нижней своей части, где сочленяется с двумя более мелкими трещинами. Следует отметить, что эти две трещины не были обнаружены при первичном макроскопическом изучении образца. Их наличие было установлено только после анализа формы изолиний скоростей волн в водонасыщенном состоянии.
Pсредн
Изложенная методика определения неоднородностей упругих и фильтрационных свойств горных пород в образцах керна скважин была проверена на пяти модельных образцах. Модельные образцы представляли собой цилиндры из различных материалов диаметром 50 мм и высотой 110 мм. В цилиндры были внесены искусственные дефекты, которые были заполнены контрастными по акустическим свойствам материалами. Вид моделей, форма включения и его размеры и ориентация приведены на фиг.4. Модели именованы как S1-S5. Описание материалов основ моделей и включений приводится в таблице. При изготовлении основ образцов с применением эпоксидной смолы (смесей и в чистом виде) из них откачивался воздух в вакуумной камере. Далее в твердых образцах просверливалось отверстие и заполнялось включением с последующим отверждением в вакуумной камере. Материалы основ и заполнителей выбраны так, чтобы они представляли контрастные среды по акустическим свойствам. В таблице приведены материалы основы и включения, его акустические свойства относительно основы, а также приводятся среднее значение скоростей V в моделях.
P
Ультразвуковое просвечивание проводилось через 22.5° (в угловых направлениях) и через 5 мм по слоям. Итого, для каждого образца было выполнено измерения скоростей V по 204 направлениям.
Pсредн
P
P
Далее по вышетописанной методике рассчитывалась средняя скорость продольных волн (V) в образце и отклонения dV от среднего значения в процентах. Результаты в виде топографических карт для dV приведены на фиг.5-9. Названия моделей указаны в виде стикера (S1…S5) на каждой фигуре.
Таблица
Название образца
Описание материала основы и включения
S1
Основа - смесь отвержденной эпоксидной смолы с кварцевым песком.
Включение - чистая эпоксидная смола («мягкое» включение). V<sub>PСред.</sub>=2.975±0.009 км/с
S2
Основа - смесь отвержденной эпоксидной смолы с кварцевым песком.
Включение - смесь эпоксидной смолы с деревянными опилками (еще более «мягкое» включение). V<sub>РСред.</sub> - 2.868±0.005 км/с.
S3
Основа - эбонит (вулканизированный каучук).
Включение - смесь эпоксидной смолы с кварцевым песком («жесткое», контрастное включение). V<sub>РСред.</sub>=2.316±0.036 км/с.
S4
Основа - алюминиевый сплав Д16 (дюраль).
Включение - смесь эпоксидной смолы с кварцевым песком («мягкое», контрастное включение). V<sub>РСред.</sub>=6.478±0.040 км/с.
S5
Основа - тефлон Ф4.
Включение - пустое отверстие, без заполнителя. V<sub>РСред.</sub>=1.344±0.007 км/с.
Из представленных результатов на фиг.5-9 следует, что контрастные объемные включения четко выделяются на контурных картах в виде повышения или понижения скоростей продольных волн относительно их среднего значения.
В повседневной практике геолого-геофизических, инженерно-геологических, гидрогеологических и других работ нередко возникает необходимость экспрессного выяснения пространственного распределения гидравлически активных трещинно-поровых каналов в образцах пород. Разработанный способ позволяет это делать. Иные способы выявления параметров трещинно-порового пространства в образцах пород, основанные на центрифугировании, ртутной и газовой порометрии, импрегнации вязкими цветными или радионуклид содержащими гелями могут использоваться только в стационарных условиях в специально оборудованных лабораториях при соблюдении норм санитарного и радиохимического контроля.