Введение к работе
Актуальность проблемы
Изучение динамики природных флюидов является одной из наиболее важных задач современной геологии. Результаты новейших геологических и геофизических исследований, а также данные сверхглубокого бурения выявили присутствие флюидов на глубинах, которые еще совсем недавно считались для них недоступными. Известна огромная роль флюидов в образовании и метаморфических изменениях пород, слагающих кристаллический фундамент континентальной коры, в формировании месторождений рудных полезных ископаемых. В последнее время породы фундамента континентальной коры все чаще рассматриваются также как возможный источник углеводородов.
Изучение фильтрационно-емкостных свойств пород глубинных зон земной коры в естественном залегании производится геофизическими методами. Однако, интерпретация геофизических данных невозможна без петрофизических исследований. Бурение сверхглубоких скважин, разведка глубоких нефтяных месторождений приводят к тому, что в распоряжение исследователей попадает керновый материал со все больших глубин. В этой связи возникает проблема корректного перенесения результатов петрофизических исследований, полученных на образцах, на свойства глубинных пород in situ.
Цель и задачи исследования Усовершенствовать методику и технические средства изучения пород глубинных зон земной коры.
-
Изучить возможность использования образцов керна сверхглубоких скважин для прогноза фильтрационно-емкостных свойств глубинных пород и построения соответствующих петрофизических зависимостей.
-
Разработать способы оценки и минимизации влияния техногенных изменений на результаты исследований образцов керна сверхглубоких скважин.
-
Исследовать влияние высоких температур, давлений и характера насыщения на фильтрационно-емкостные свойства пород.
Научная новизна
Исследпвянм фштьтряципннп-РіМУпгтнмр: гдшйстаа-образцов-
керна сверхглубоких скважин СГ-3 (Россия) и КТБ-Оберпфальц (Германия), их поверхностных аналогов, а также карбонатных пород. Впервые при эффективных давлениях до 150 МПа и температурах до 600 С измерена проницаемость пород из разрезов сверхглубоких скважин. Установлено влияние глубины отбора образцов на их проницаемость при высоких РТ-параметрах.
Для интерпретации полученных экспериментальных зависимостей применена комплексная методика, включавшая: микроструктурные исследования под сканирующим электронным микроскопом при высоких температурах и давлениях, исследования проницаемости, пористости, распределений пор по размерам методом ртутной порометрии исходных и специально изготовленных закалочных образцов, результаты которых затем были использованы в качестве входных данных для компьютерного моделирования.
На основе физического и компьютерного моделирования показано влияние высоких температур, давлений, а также характера насыщения на динамику изменения микротрещиноватости и фильтрационно-емкостных свойств пород.
Исследовано распределение техногенных микротрещин в образцах кернов сверхглубоких скважин. Предложены способы уменьшения влияния техногенных факторов на результаты исследований фильтрационно-емкостных свойств. Показано, что образцы керна сверхглубоких скважин могут быть использованы для прогноза фильтрационно-емкостных свойств глубинных зон земной коры в естественном залегании и построения соответствующих петрофизических зависимостей.
Получены оценки фильтрационно-емкостных свойств пород разреза Кольской сверхглубокой скважины при РТ-параметрах естественного залегания, а также стадий прогрессивного, регрессивного метаморфизма и гидротермальных преобразований.
Впервые установлено, что с ростом глубины происходит уменьшение проницаемости с существенно и не монотонно меняющимся градиентом. При этом на общем фоне снижения про-
ницаемости возрастает дифференциация пород по данному параметру. Предложена интерпретация такого поведения проницаемости. Разработана методика построения палеточных зависимостей изменения проницаемости с глубиной.
Основные защищаемые положения
-
Методы изучения фильтрационно-емкостных свойств глубинных зон земной коры по данным исследований кернов сверхглубоких скважин.
-
Установленные закономерности изменения фильтрационно-емкостных свойств пород под влиянием высоких температур, давлений, а также различного характера насыщения.
-
Методы оценки и способы минимизации влияния техногенной трещиноватости на фильтрационно-емкостные свойства образцов керна сверхглубоких скважин.
-
Прогноз фильтрационных свойств пород разрезов сверхглубоких скважин in situ, а также их возможных величин при прогрессивном, регрессивном метаморфизме и гидротермальных изменениях пород.
Практическая ценность работы состоит в том, что усовершенствована методика лабораторных исследований образцов керна сверхглубоких скважин: получены оценки влияния техногенных искажений на результаты исследований фильтрационных свойств и предложены способы их минимизации; показана возможность использования образцов кернов для исследований фильтрационно-емкостных свойств глубоких горизонтов; получены данные о проницаемости пород СГ-3 при РТ-параметрах в естественном залегании и её возможных величинах при метаморфизме и гидротермальных преобразованиях; высказан прогноз изменения фильтрационных свойств пород с глубиной; предложена методика составления соответствующих палеточных зависимостей; полученные результаты использованы для оценки безопасности захоронения радиоактивных отходов в породах Кольской серии.
Апробация работы
Основные результаты, вошедшие в настоящую работу док-
ладывались на Всесоюзном совещании по обмену опытом исследования керна глубоких и сверхглубоких скважин (Ярославль, 1987); Международном симпозиуме по изучению континентальной коры по данным сверхглубокого бурения (Ярославль, 1988); XII Всесоюзном совещании по экспериментальной минералогии (Миас, 1991); XVI, XVII, XIX и XX Генеральных ассамблеях Европейского геофизического союза (1991,1993,1994, 1995).
Основные положения диссертации изложены в 6 печатных работах.
Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержание работы изложено на 164 страницах, включая 47 рисунков и 8 таблиц. Список литературы содержит 123 наименования.
Основой настоящей работы послужил фактический материал, полученный автором в ходе экспериментальных исследований проницаемости при высоких температурах и давлениях (около 500 определений проницаемости), микроструктурных исследований, определений пористости и проницаемости в стандартных условиях. Для компьютерного моделирования использовались программы, написанные автором.
Автор выражает глубокую благодарность и признательность конструктору уникальной экспериментальной аппаратуры и вдохновителю работы к.г.- м.н. В.М.Шмонову, научным руководителям д.т.н, профессору Ю.И.Горбачеву и д.г.-м.н. А.АЛэку, Е.Б.Лебедеву, В.И.Казанскому, К.В. Лобанову, Н.Е. Галдину и В.Д.Нартикоеву, предоставившим образцы для экспериментальных исследований, Д.К.Власовой, проведшей их петрографическое описание, В.М.Витовтовой, Т.Д.Белевич, В.И. Мальковскому, а также многим сотрудникам ИЭМ, ИГЕМ, и ГЕОХИ РАН, а также МГУ им. М.В. Ломоносова за помощь и поддержку при выполнении работы.