Введение
ВВЕДЕНИЕ *
Актуальность проблемы. Изучение все более глубоких земных недр становится насущной необходимостью современной геологии и инженерной геологии. В настоящее время сложилось новое направление, которое можно назвать по Г.С. Золотареву (1990) "инженерная геология глубоких зон земной коры" со своими особенными, специфическими задачами и методиками исследований. Активное проникновение человека в недра Земли сравнимо с деятельностью природных геологических процессов.
Мировой опыт создания подземных хранилищ (ПХ) для резервирования углеводородов (УВ) и захоронения промышленных отходов показал, что наиболее рациональными и надежными вместилищами является каменная соль. Это упруго-вязкая с низкой пористостью и проницаемостью среда, обладающая высокой прочностью (20-35 МПа) и практически инертная к углеводородам. Как известно, каменная соль характеризуется рядом свойств, предопределяющих инженерно-геологические условия соляных массивов: высокая растворимость - это карстовые процессы, кавернообразование, явления оседания земной поверхности, а содержание прослоев еще более растворимых калийно-магниевых солей приводит к интенсификации вышеперечисленных процессов. Наличие в массивах солей участков с пониженной плотностью и интенсивной трещиноватостью, зон дроблений, тектонических нарушений, связанных с галокинезом, обусловливают обвалы и обрушения соляных пород в подземных объектах. Соли обладают таким специфическим свойством, как пластическое течение - ползучесть на больших глубинах при высоких температурах и давлениях. Пластичность соли представляет особую опасность как для подземных хранилищ по причине конвергенции, так и для скважин, которые бурятся с различными целями и рассчитаны на длительную работу. Высо-
коминерализованные рассолы - рапа с сероводородом H2S, залегающие в соляной толще, являются опасными и агрессивными зонами техногенного рис-
^ ка, влияющими на развитие инженерно-геологических процессов.
На Россошинской площади, расположенной в пределах Приволжской моноклинали (ПМ), проведены инженерно-геологические исследования для строительства Волгоградского подземного хранилища газа (ВПХГ) в отложениях каменной соли. Создание хранилища подобного типа является одним из первых в России, но и оно не сможет в полной мере обеспечить такой мегаполис, как Волгоград, поэтому имеется необходимость создания ряда аналогичных ПХГ в толще солей в недалеком будущем. Для исследований соле-
щ
1 носных отложений на ПМ выбрана Антиповско-Балыклейская площадь, где
в соляных породах отбирался керн и проводился комплекс промыслово-геофизических исследований, включая акустический каротаж. На ее территории проходят трассы системообразующих газопроводов «Оренбург-Новопсков», «Средняя Азия — Центр», что экономически целесообразно для создания ПХГ.
Массивы соляных пород Прикаспийской впадины (ПКВ) имеют достаточную мощность и глубину залегания для создания ПХ, отличаются более сложным геологическим строением, а соляная тектоника оказывает огромное влияние на комплекс инженерно-геологических условий. Основной базой для обоснования проекта и строительства подземных сооружений в массиве соляных пород является изучение физико-механических и реологических свойств.
Создание ПХ приводит к изменению напряженного состояния массива, его деформациям, в связи с этим большое внимание уделяется изучению массива в условиях естественного залегания методами акустического каро-тажа (АК) и акустического широкополосного каротажа (АШК). По данным скоростей распространения упругих волн в соляном массиве вычисляются
деформационные свойства, дается оценка степени трещиноватости, кавер-
нозности.
Цель и задачи работы. Целью работы являлось изучение и сравнительный анализ инженерно-геологических особенностей соляных массивов ПМ и ПКВ, исследование физико-механических свойств соляных пород по экспериментальным и геофизическим данным для создания ПХ, захоронения вредных промышленных отходов, бурения скважин и др. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
• анализ современного состояния изученности соляных массивов, геологических и тектонических условий как важнейших факторов, обусловливающих инженерно-геологические особенности территорий ПМиПКВ;
• сравнительная характеристика массивов соляных пород ПМ и ПКВ и их изменение под влиянием создания ПХ в толще солей;
• изучение гидрогеологических условий массивов соляных пород;
• анализ и изучение влияния солянокупольной тектоники на формирование физико-механических и реологических свойств массивов; выделение неблагоприятных зон для создания ПХ;
• расчеты упругих динамических характеристик - модуля упругости и коэффициента Пуассона по АК и АШК в тех же точках массива соляных пород, где отбирался и исследовался керн, с целью сопоставления экспериментальных и геофизических данных;
• определение по керну прочностных свойств каменной соли в зависимости от содержания калийно-магниевых солей, ангидрита и определение связи между прочностью соляных пород и скоростью распространения продольных волн.
Научная новизна. Впервые проведено сравнение инженерно-геологических особенностей соляных массивов ПМ и ПКВ для создания в них ПХ; впервые обобщены и систематизированы материалы статических и
динамических исследований физико-механических свойств соляных массивов ПМ и ПКВ; впервые рассчитаны и сравнены модуль деформации и коэффициент Пуассона каменной соли, сильвинита, карналлита, бишофита по экспериментальным и акустическим данным; обобщен опыт бурения глубоких скважин в соляных отложениях на предмет ползучести солей; по керно-вому материалу Антиповско-Балыклейской площади определена прочность на одноосное сжатие каменной соли в зависимости от содержания калийно-магниевых солей и ангидрита; впервые для сильвинита, карналлита и бишофита определена зависимость между прочностью на одноосное сжатие и скоростью распространения продольных волн. Защищаемые положения:
1. Соляные массивы в условиях моноклинали и солянокупольных бассейнов представляют принципиально различные геологические тела с различными инженерно-геологическими условиями.
2. Создание базы данных физико-механических свойств соляных пород для обоснования вариантов размещения ПХ в соляных массивах, с учетом региональных геологических и тектонических особенностей.
3. Прочностные характеристики каменных солей зависят от содержания в них сильвина, карналлита, бишофита и ангидрита; предел прочности соляных пород при одноосном сжатии и скорость продольных волн имеют тесную связь, что дает возможность по данным геофизических исследований скважин определить прочностные и упругие деформационные характеристики.
Практическая значимость и реализация исследований определяется тем, что создана база данных в таблицах по физико-механическим свойст- вам соляных пород в условиях приближенных к пластовым, что важно для подземных сооружений на больших глубинах (более 1000 м). Результаты исследований упруго-динамических характеристик массивов соляных пород по данным АК и АШК найдут практическое применение не только при ин-
женерно-геологических изысканиях для обоснования проекта и строительства ПХ различного назначения, но и для бурения и крепления скважин. По- казатели деформационных свойств соляных пород - модуль упругости Е и коэффициент Пуассона ц, имеют большое значение при оценке процессов деформации и разрушений соляных пород, а также для расчетов устойчивости камер выщелачивания и целиков каменной соли между подземными выработками. Определение зависимости между прочностью солей на одноосное сжатие и скоростью распространения продольных волн позволит предварительно оценить прочность солей по АК.
Фактический материал и личный вклад автора. Диссертация основана на анализе, систематизации, научном обобщении материалов изданной и фондовой литературы институтов "ЛУКОЙЛ - ВолгоградНИПИморнефть", ООО "АстраханьНИПИгаз", ООО "Подземгазпром", ВолгГАСУ и на результатах научных исследований проведенных автором в течение 4-х лет обучения в институте и аспирантуре. Проанализирован фактический материал исследований физико-механических свойств каменной соли по 30-ти скважинам на Антиповско-Балыклейской, Россошинской, Городищенской и Свет-лоярской площадях, по трем скважинам на куполе Северный Камысколь, (где проводились инженерно-геологические исследования с целью создания ПХ) и по 15-ти скважинам Тенгизского месторождения, (на которых исследовались физико-механические свойства каменной соли для целей бурения). Автором обработано более 400 результатов лабораторных определений физико-механических свойств каменной соли на Тенгизском месторождении и до 200 исследований, проведенных в Днепровско-Донецкой впадине. Проанализированы геофизические исследования соляных пород по 50 скважи-нам, в том числе по АК более 20 скважин. Автором, при прохождении производственной практики в институте "ЛУКОЙЛ - ВолгоградНИПИморнефть", по керну из скважин Антиповско-Балыклейской площади, в количестве 109 образцов определены прочность сильвинита, карналлита и бишофи-
8
та, а также влияние примесей на прочность каменной соли. По данным АК и АШК рассчитаны модуль упругости и коэффициент Пуассона, которые имеют большое значение при оценке процессов деформации и разрушений соляных пород, для площадей ПМ и ПКВ в тех же точках массива, где отбирался и исследовался керн. Для солей определена связь между прочностью на одноосное сжатие и скоростью распространения продольных волн.
Апробация. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и были представлены на конференциях различного уровня: ВолгГАСА (Волгоград 2000-2003 гг.), Межрегиональной молодежной научной конференции "Севергеоэкотех-2003" (Ухта, 2003 г.), на экологических чтениях Волгоградского отделения РЭА (Волгоград, 2004 г.) и III международной научно-технической конференции (Астрахань, 2004 г). Автор награжден дипломом за участие в региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области в 2000 г.