научная статья по теме ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД Математика

Текст научной статьи на тему «ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 429, № 3, с. 388-392

ГЕОФИЗИКА

УДК 550.343.6

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ СРЕД

© 2009 г. И. Г. Киссин

Представлено академиком В.Н. Страховым 30.05.2009 г. Поступило 02.06.2009 г.

Тензочувствительность — реакция геофизической среды на изменения ее напряженно-деформированного состояния. Наличие свободной воды в горных породах существенно влияет на их физические свойства и, в частности, на тензочувствительность таких пород. В статье рассматриваются основные свойства тензочувствительности флюидонасыщенных сред, выявленные по результатам многочисленных наблюдений за реакцией подземных вод на землетрясения, современные движения земной коры и другие геодинамические процессы. Эти свойства представляют интерес с двух позиций: для геофизического мониторинга среды и для изучения геодинамических процессов, в которых воздействие флюидов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния среды. Специфика тензочув-ствительности насыщенных сред заключается в том, что напряжения разным образом воздействуют на каждую фазу (твердую, жидкую, а в некоторых случаях и газовую) и эти воздействия определяют общую реакцию среды.

Необходимо различать две сферы проявлений тензочувствительности: первая — in situ, в местах, где среда подвергается воздействиям напряжений, вторая — на участках, доступных для наблюдений за реакцией на такие воздействия, т.е. в пределах глубин, достигнутых скважинами. Для первой сферы (in situ) следует рассматривать тен-зочувчтвительность среды, для второй (на участках наблюдений) — тензочувствительность системы скважина—водоносный горизонт. Здесь под термином скважина—водоносный горизонт понимается насыщенный коллектор (пласт или трещинная зона), вскрытый наблюдательной скважиной.

ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ СИСТЕМЫ СКВАЖИНА-ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ

Показатели тензочувствительности, которые могут быть зафиксированы непосредственными

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва

наблюдениями, зависят от структуры системы скважина—водоносный горизонт. Применительно к изменениям уровня (давления) подземных вод ДА коэффициент тензочувствительности

К = Д±. (1)

Д|е|

При этом изменение деформации Д|е| должно быть определено с учетом особенностей флюидной системы. При сжатии насыщенной среды флюидное давление повышается, при растяжении снижается. В обоих случаях коэффициент К остается положительным. Нередки случаи, когда К = 0 или К < 0, что позволяет рассматривать соответственно нулевую или отрицательную тензочувствительность. Т.К. Рамазановым [1] получено строгое решение задачи о реакции флюидного давления на периодические длинноволновые возмущения напряженного состояния насыщенного пласта, связанные с подготовкой землетрясений и воздействием земноприливных сил. Однако эта реакция существенно зависит от характера тензочувствительности. В достаточно однородной среде (рис. 1а) флюидное давление Рф зависит от объемных деформаций (рис. 2а). При этом амплитуда вариаций уровня подземных вод, связанных с земными приливами, обычно не превышает 1—2 см. Данный случай соответствует указанному решению [1].

Если скважина вскрывает среду неоднородную (по фильтрационным показателям), возможны два типичных варианта: двух- или многослойная структура и структура с разрывным нарушением. В обоих случаях водоносные горизонты гидравлически разобщены (слабопроницаемыми породами или разрывом), поэтому характеристики содержащихся в них вод — флюидного давления Рф или пьезометрического уровня А (рис. 1б), а также качественных показателей — будут в большей или меньшей степени различаться. Давление воды в наблюдательной скважине зависит от взаимодействия указанных водоносных горизонтов или систем трещин. Уровень воды в скважине определяется соотношением [2]

Н1Т1 + Н2Т2

h =

Ti + T2

(2)

(а)

V V V

V V и V V

V V

(б)

Н1 IV V 1 Ж ШЖЖ

V V

¡¡¡¡и¡ш - ш ш. ¡¡¡ШР

II V V V V

_

V V 1 ШШш,■ 2

Рис. 1. Схемы реакции системы скважина—водоносный горизонт на деформации в разных условиях. Структуры: а — однослойная, б — двух- и многослойная. 1 — проницаемые породы, 2 — водоупорные породы, 3 — пьезометрический уровень воды и диапазон его изменений (штриховые отрезки).

Н

2

где Н1, Н2 и Т1, Т2 — соответственно пьезометрические уровни (напоры) и водопроводимости каждого горизонта. Подобные выражения могут быть получены и для других показателей подземных вод. Когда водоносные горизонты подвергаются деформациям, изменяются их пористость и проницаемость, а также флюидные показатели, фиксируемые в скважине. Наибольшие изменения этих показателей происходят под действием деформаций, приводящих к нарушению целостности слабопроницаемого раздела и, соответственно, взаимосвязи водоносных горизонтов. При существенных различиях показателей каждого горизонта Н1, Н2 и Т1, Т2 возможны резкие изменения уровня воды в скважине в диапазоне от Н1 до Н2 (см. рис. 1б). В подобных неоднородных средах нередко проявляется нулевая, отрицательная или аномально высокая тензочувствительности.

Нулевая или аномально низкая тензочувствительность (коэффициент К близок к нулю или очень мал) характеризует условия, когда изменения деформаций Д|е| не вызывают значимых реакций подземных вод (рис. 2,б,в). Такие условия наблюдаются в структурах с разрывными нарушениями, если деформации концентрируются в зонах нарушений, где изменяются фильтрационные характеристики, и не затрагивают ненарушенные блоки. Аномально низкая тензочувствительность характерна также для трещиноватых массивов при малых углах между направлениями трещин и стресса.

Отрицательная тензочувствительность (К < 0) наблюдается в случаях, когда деформации сжатия или растяжения приводят не к возрастанию или снижению флюидного давления соответственно, а к эффектам противопо-

ложного знака. Примером может служить структура, где тектонический разрыв или слабопроницаемый слой изолирует два горизонта, в которых значения пьезометрических уровней различны (Н1 > Н2). Если под действием растяжения прекращается изоляция этих горизонтов, то Н1 снижает-

Рис. 2. Схема реакций уровня подземных вод или иных геофизических показателей (АН) в зависимости от изменения деформаций (Ае). Тензочувствительность: а — нормальная, б — нулевая, в — аномально низкая, г — отрицательная, д — аномально высокая.

ся, а h2 повышается. Таким образом, в первом блоке тензочувствительность положительная, а во втором отрицательная.

Аномально высокая тензочувствительность проявляется в структурах, где деформации приводят к резкому изменению фильтрационных связей между слоями или зонами, в которых флюидные давления существенно различны. Это может происходить в двух- или многослойных структурах (рис. 1б), а чаще всего при наличии разломов. В соответствии с формулой (2) для образования аномально высокой тен-зочувствительности необходимо, чтобы в разных водоносных слоях или зонах существенно различались пьезометрические уровни h и водопрово-димости T. В этом случае высокие амплитуды изменений уровня подземных вод или иных показателей определяются не столько величиной деформации массива, сколько большим различием показателей в разных частях флюидной системы. Такой механизм тензочувствительности, когда сильные изменения флюидных показателей определяются изменениями гидравлической связи (перетекания) между разными флюидонасы-щенными резервуарами, получил название пер-коляционного. Если система находится вблизи порога перколяции, небольшие изменения напряжений могут провести к преодолению этого порога, образованию или уничтожению фильтрационных связей и быстрым или даже скачкообразным вариациям флюидных показателей. Для условий аномально высокой тензочувствитель-ности на рис. 2 (кривая д), показан один из вариантов изменения уровня воды при сильном нарушении фильтрационных связей и больших градиентах давления. Аномально высокая тензочувствитель-ность флюидных систем проявляется не только в гидрогеологических показателях, но и в реакциях тех геофизических полей, в формировании которых принимают участие флюиды. Перколяцион-ный механизм тензочувствительности рассматривался применительно к электропроводящим системам, сопротивление которых в увлажненных породах зависит от количества связанных флюидных прослоек [3].

ниями перколяции, и аномально низкой (нулевой). Тензочувствительность системы скважина— водоносный горизонт существенно зависит от гидрогеологического разреза и конструкции наблюдательной скважины. При наличии неглубокой скважины или колодца, вскрывающих один водоносный горизонт или его часть, тензочув-ствительность отличается малой нелинейностью (рис. 1а, 2,а). Наблюдения такой системы наиболее объективно отражают развитие деформации среды. В случаях, когда скважина вскрывает несколько водоносных слоев (зон) с большими различиями напоров или пересекающий эти зоны разлом, зависимость реакции уровня воды от деформации будет сильно нелинейной (рис. 1б, 2,д). Такая система служит очень чувствительным инструментом, реагирующим на малые деформации, но часто дает искаженное представление о величине деформаций.

Опыт многолетних наблюдений, проведенных в Прикопетдагской зоне Туркмении, подтверждает четкую зависимость тензочувствительности от параметров скважин и их положения относительно разлома [5, 6]. Длина фильтра или открытого ствола по скважинам наблюдательной сети изменялась в широких пределах — от 8 до 1153м. Установлено, что максимальные амплитуды земно-приливных колебаний уровня подземных вод, которые зависят от тензочувствительности системы скважина—водоносный горизонт, возрастают с увеличением длины фильтра. Подобная зависимость характерна также для амплитуд и общего количества зарегистрированных краткосрочных вариаций уровня, связанных с воздействием геодинамических процессов. Анализ данных о реакции уровня подземных вод на геодинамические возмущения показал, что эта реакция уменьшается по мере удаления скважин от Главного Копет-дагского разлома. Максимальные амплитуды земноприливных колебаний снижались от 12.5 см в осевой части разлома до

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком