Введение к работе
Объектом исследования диссертации является процессы микропластичности в осадочных породах, микропластическая неупругость и их связь с физической нелинейностью, являющейся важным информативным критерием деформационных процессов, имеющих место в геологической среде при распространении сейсмических волн. Эти исследования, устанавливающие характер неупругого поведения геологической среды при сейсмических процессах, относятся к области сейсмореологии.
Современные теории распространения сейсмических волн и создаваемые на их основе традиционные методы опираются на феноменологический подход, отражающий макросвойства объекта исследования. Извлекая таким путем полезную информацию и получая при этом определенные практические результаты, указанный подход, вместе с тем, не дает возможности объяснить некоторые свойства геологических сред и явления, такие как амштитуднозависимое поглощение энергии сейсмических волн, искажение гармонических колебаний, проявление солитон-ных свойств и другие, обнаруженные в результате эксперимента. Но зато их можно объяснить с микроскопических позиций.
Значительное место в изучении неупругих и нелинейных явлений в сейсмике и других областях наук о Земле принадлежит работам таких известных ученых как М.А. Садовский, А.В. Николаев, В.Е. Панин, Г.И. Гуревич, В.Н. Николаевский, В.В. Адушкин, В.Н. Опарин, В.Н. Родионов, Н.А. Вильчинская, Б.В. Дерягин, Б.П. Сибиряков, Л.А. Иванова, Т.Г.Кондратьева, Ю.И. Васильев, И.М. Горькова, А.Н. Рыкунов, О.Б. Хаврошкин, В.В. Цыплаков, А.С. Алешин, И.Н. Галкин, А.А. Гвоздев, В.В. Гущин, В.В. Кузнецов, ВС. Соловьев, Г.М. Шалашов, Г.А. Соболев, Н.А. Тяпунина, J.F. Bell, D.M. Jounston, M.N. Toksoz, R. Meisner, F. Theilen, W.F. Murphy, K. Winkler, A. Nur, M. Gladwin. Исследования неупруго-нелинейных эффектов проводились ими как в теоретическом плане, так и в лабораторных и полевых экспериментах. Особо следует подчеркнуть работу Г.И. Гуревича, которая освещает вопросы деформируемости сред с атомно-молекулярных позиций и посвящена релаксационной неупругости, достаточно полно раскрывая механизмы таких явлений как последействие, релаксация, наследственность.
Исследований процессов микропластичности, одноименной неупругости и обусловленной ею физической нелинейности горных пород проведено недостаточно. Это малоисследованная область в сейсмике. Используя феноменологический подход, было невозможно раскрыть внут-
ренние механизмы деформируемости сред на микроуровне, понимание которых требуется при исследовании сред с микропластичностью. Однако, несмотря на то, что многие существенные элементы неупругих явлений, например, движение дислокаций, происходят на атомном уровне, привлечение атомистических моделей в сейсмике еще не получило должного распространения.
Обоснование необходимости изучения сейсмических процессов на микроуровне дается в работах Г.И. Гуревича, М.А. Садовского, В.Н. Николаевского и в работах, объединенных в сборник по нелинейной сейсмике под редакцией чл.-корр. РАН А.В. Николаева (1987г.). Адекватное описание деталей характера распространения сейсмических воли в реальных геологических средах требует знания на микроскопическом уровне механизма, приводящего к тем или иным дисперсионно-диссипативным особенностям в характере распространения волн.
Для осуществления качественного скачка при решении задач определения вещественного состава при сейсморазведке или повышении эффективности прогноза землетрясений на сегодня необходимо привлечение физических знаний о законах и явлениях, имеющих место в реальных средах при распространении сейсмических волн. Дальнейшее же совершенствование математической модели сейсмически активной среды связано с включением в нее эффектов физически нелинейной реологии.
На основе вышеизложенного актуальность исследований опреде-ляетя необходимостью развития фундаментальных основ всех сейсмических методов с физических позиций, повышения на их основе детальности исследований и геологической эффективности методов определения физико-литологических свойств среды.
Цель исследований - повышение достоверности и геологической информативности сейсмических методов на основе новых фундаментальных знаний о микропластической неупругости и физической нелинейности горных пород в области малых сейсмических деформаций, служащих физической основой для получения эффективных поисковых критериев.
Основные задачи исследований:
определить влияние особенностей внутреннего строения горных пород на их неупругость и выявить физические предпосылки, приводящие к нарушению упруго поведения в области малых сейсмических деформаций;
исследовать микропластическую неупругость горных пород в области малых деформаций (10"6 - 10'3), и установить связь процессов микропла-
стичности с физической нелинейностью в области сейсмических напряжений и деформаций;
- определить влияние процессов микропластичности на деформационный процесс в целом и обусловленность ими некоторых нелинейных эффектов в горных породах при распространении в них сейсмических волн.
Фактический материал и методы исследований.
Теоретической основой решения поставленных задач является реология, занимающаяся изучением неупругих явлений в твердых телах, раскрывая физическую сущность процесса. Микроскопическая теория деформирования использована при установлении физических механизмов поглощения сейсмической энергии и определении амплитудной зависимости декремента поглощения.
Экспериментальные данные по деформированию горных пород и других материалов получены соискателем на установке "Микрогео",-используя усовершенствованную методику трехточечного изгиба и растяжения (НГТУ и ИГФ СО РАН). Проведены исследования на 62 комплектах образцов осадочных пород из кернов, отобранных на месторождениях Западной Сибири. Выполнены сотни циклов измерений остаточных деформаций микропластического типа.
Для деформирования сжатием испытываемых образцов применялась усовершенствованная компьютизированная установка для одноосного сжатия MTS (СибНИИА), позволяющая проводить изучение микропластической и релаксационной неупругости с отображением петель гистерезиса в широком динамическом диапазоне. Исследовано 22 объекта (породы и другие материалы), проведены измерения нескольких десятков петель гистерезиса.
Экспериментальные материалы при деформировании сжатием и при различных геостатических давлениях, а также с импульсным сейсмическим воздействием переменной амплитуды получены на установке УОД-1А-30 (СНИИГГиМС) и установке для физического моделирования (ИГФ СО РАН). Испытано 17 образцов пород различного состава и пористости для изучения микропластической "анизотропии" и амплитудного гистерезиса.
Полевые эксперименты выполнены аппаратурой, использующей маг-нитострикционный излучатель, регистрирующую систему "КУРСОР" (ИГФ СО РАН) и высокочастотный сейсмический излучатель "ДЖИНН" с регистрацией на IBM PC и сейсмостанцию INPUT/OUTPUT (ИГФ СО РАН и ООО Геофизическая лаборатория "Поиск"). Проведены полевые
испытания высокочастотного сейсмического источника разгрузки в Кар-гатском районе Новосибирской области (62 физнаблюдения) и в районе г. Ноябрьска Тюменской области (80 физнаблюдений). Защищаются научные положения, выводы.
-
Сложное микростроение и многоуровневая дефектность горных пород определяют наличие в них локальных концентраторов напряжения, которые при деформировании являются активными источниками неупругости и, в частности, микропластичности, что обусловливает нарушение пропорциональной зависимости между напряжением и деформацией в области малых сейсмических деформаций, т.е. приводит к физической нелинейности геологической среды.
-
Помимо вязкоупругости, в области деформаций, традиционно относящейся к упругой, существует другой вид неупругости горных пород - микропластическая неупругость, которая принципиально отличается от вязкоупругости, т.е. релаксационной неупругости. Необратимые перемещения частиц вещества в отдельных микрообъемах упругой матрицы твердого тела, т.е. микропластичность, возникает под действием деформирующего напряжения ниже предела макротекучести.
Итак, микропластичность это присущее горным породам свойство и его необходимо учитывать, так как оно оказывает значительное влияние на деформационные процессы в реальных геологических средах при распространении в них сейсмических волн. Микропластическая неупругость отличается от релаксационной вязкоупругости наличием остаточных деформаций необратимого характера. Особенности микропластической неупругости состоят в том, что:
- микропластическая деформация горных пород по своей природе ло
кальна, так как присутствует в виде отдельных очагов на фоне общей
упругости твердого тела;
- общая деформация состоит из суммы упругой, вязкоупругой
(релаксационной) и микропластической составляющих, вклад последней
может значительно превышать релаксационную;
микропластическая деформация возникает при превышении напряжения определенной величины, называемой критическим (стартовым) напряжением, и протекает скачкообразно;
наименьшие деформации, при которых начинает появляться микропластичность горных пород, составляют величину є ~ 10'6;
зависимость микропластической деформации от напряжения б„ (а) нелинейна и она зависит от флюидонасыщения, температуры, состава и структуры вещества и геостатического давления;
в отличие от релаксационной неупругости, при наличии микропластичности горных пород диаграммы "напряжение - деформация" имеют петли гистерезиса незамкнутого типа;
микропластичность пород обладает свойством "исчерпания", заключающегося в отсутствии микропластической деформации при повторном деформировании одного знака, если величина напряжения во втором цикле деформирования не превышает максимально достигнутую величину напряжения в первом цикле. Смена знака деформирования восстанавливает способность тела к микропластическому деформированию при напряжениях, меньших максимального;
величина микропластической деформации не зависит от времени (в исследуемом диапазоне скоростей деформирования). Она протекает мгновенно (со скоростью упругой деформации), но зависит от амплитуды общей деформации.
3. Нелинейные по своей природе процессы микропластичности оказывают влияние на характер деформационного процесса в целом и вызывают в средах, обладающих свойством микрогшастичности, появление при сейсмических колебаниях гистерезисных и амплитуднозависимых эффектов, таких как амплитуднозависимое поглощение энергии колебаний, гистерезис модулей упругости, зависимость амплитуды сейсмического сигнала в приемнике от величины амплитуды сигнала в источнике излучения и другие.
Таким образом, одной из причин нелинейных явлений в сейсмике является микропластическая неупругость.
Научная новизна работы. Личный вклад.
1. Исходя из сравнительного анализа особенностей внутреннего строения и количественных оценок физико-механических характеристик горных пород, автор установил возможность существования микропластической неупругости и вызванной ею физической нелинейности горных пород при распространении в них сейсмических волн:
- горная порода является "генетически" (по своему образованию и за
леганию) дефектной системой, что обусловливает нарушение упругости
геологической среды и появлению неупругости различной физической
природы даже в области малых деформаций, традиционно в сейсмике
относящейся к упругой;
- дефектность пород существует от субмикроуровня до макроуровня,
создавая очаги концентраторов напряжения и деформации, которые
обусловливают значительный вклад неупругих деформаций в общую
деформацию, приводя к излому диаграмм "напряжение - деформация";
2. На основе экспериментальных исследований автором обнаружена и
изучена микропластическая (квазимикропластическая) неупругость, прин
ципиально отличающаяся от вязкоупругой (релаксационной) неупругости:
микропластическая неупругость локализована в отдельных участках упругой среды, так как процессы микропластичности зарождаются в отдельных микрообъемах твердого тела; микропластическая неупругость, являясь по своей физической природе локальной, охватывает по мере увеличения напряжения все большие объемы среды;
очаги микропластичности появляются начиная с некоторого стартового (порогового) напряжения, которое характеризует начало действия микропластической неупругости;
процессы микропластичности и потери энергии, связанные с ними, существенно зависят от амплитуды внешнего напряжения, что в сейсмическом понимании означает зависимость поглощения энергии сейсмических колебаний от амплитуды сейсмического сигнала;
установлено, что микропластическая неупругость обусловливает физическую нелинейность, которая на диаграммах є(а) отображается в виде разомкнутых петель гистерезиса;
опираясь на методику постадийного деформирования получено, что приращение микропластической деформации происходит только в первом энергетическом цикле (эффект "исчерпания"), повторное деформирование в этом же цикле не дает приращения микропластичности, т.е. при повторном деформировании микропластическая неупругость отсутствует;
используя инверсию приложения деформирующих сил установлено, что смена знака деформирования в одном энергетическом цикле или увеличение энергии деформирования приводит к возобновлению микропластических процессов и появлению микропластической неупругости;
применяя деформирование как сжатия, так и растяжения (изгиб длинных тонких стержней), установлено отсутствие существенных различий в характере микропластичности при смене вида деформации;
3. На основе обнаруженных физических предпосылок и эксперимен
тальных данных автором впервые в сейсмике обоснована существенная
микропластическая неупругость горных пород и их физическая нели
нейность, которые обусловливают нелинейные явления в сейсмике:
- используя свойство микропластичности пород, введено понятие мо
дуля микропластичности и предложена механическая модель геологиче
ской среды, включающая, наряду с элементами вязкоупругой реологии,
микропластический неупругий элемент;
- опираясь на экспериментальные данные по микропластичности,
впервые в сейсмике физически обоснована амплитудная зависимость
декремента поглощения;
на основе лабораторных и полевых экспериментов получена амплитудная зависимость скоростей Р и S-волн и их гистерезис, амплитудный гистерезис "источник - приемник" и гистерезис модуля Юнга при нагрузке и разгрузке в области микропластичности;
исходя из количественного анализа вклада микропластичности в общую деформацию при различных направлениях приложения деформирующей силы, обнаружена микропластическая "анизотропия", проявляющаяся в различии величины и характера микропластичности по осям X,Y,Z;
на основе экспериментов по микропластичности пород, получены данные о связи этих процессов с акустической эмиссией в области малых деформаций.
Практическая значимость работы.
На основе проведенных исследований предложены пути совершенствования физических основ сейсмических методов разведки на нефть и газ, выработаны рекомендации по разработке более эффективных поисковых критериев, использующих неупругие и нелинейные характеристики и, в частности, применение такого нового параметра как амплитудная зависимость декремента поглощения.
Внедрены в практику тематических работ ООО Геофизической лаборатории "Поиск" методы изучения деформационных и скоростных характеристик на аппаратуре "Микрогео", позволяющие повысить эффективность определения статических и динамических модулей упругости. Методика позволяет одновременно измерять указанные модули на образцах малых размеров с высокой производительностью (акт внедрения от 17.08.1997г.).
Внедрен в практику производственных работ ОАО Хантымансийск-геофизика и Геофизическая лаборатория "Поиск" экологически чистый высокочастотный источник "Джинн", использующий метод разгрузки (изобретение автора), позволяющий расширить полосу регистрируемых частот до 300 Гц и выше (акт внедрения от 8.10.1997г.).
Аппробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Всесоюзном семинаре
по проходящим поперечным и обменным волнам от землетрясений и взрывов (Саратов, 1974), на Всесоюзном семинаре по измерению напряжений в массиве горных пород (Новосибирск, 1976), на школе-семинаре по применению лазерных деформометров в сейсморазведке (Владивосток, 1989), на международном сипозиуме The 15 General Meeting of the international mineralogical association (Beijing,Chine, 1990), на 8м Всесоюзном семинаре по дезинтеграционной технологии (Киев, 1991), на 3м Всесоюзном совещании по геохимии углерода (Москва, 1991), на 4м Всесоюзном школе-семинаре по физическим основам прогнозирования разрушения горных пород (Ленинград, 1991), на международной конференции SEG'92 (Москва, 1992), на международной конференции Fracture Mechanics, Ukraine'93 (Киев, 1993), на международной конференции Mechanics and Mesomechanics of Fracture (Томск, 1996), на международной конференции Meso-Fracture (Байкальск, 1997), на международной конференции в Ницце - EGS, XXIII General Assembly, NICE, April, 1998.
По теме диссертации опубликовано 64 работы.
Работа выполнена в Институте геофизики СО РАН, исследования проводились в соответствии с планами НИР ОИГГМ СО РАН на 1992-2000гг по темам: номера Госрегистрации 01930010720 и 01980003020.
Практические исследования по изучению деформационных характеристик горных пород, минералов и других материалов были инициированы членом-корреспондентом АН СССР СВ. Крыловым, чьей светлой памяти мы отдаем свой долг.
При выполнении работ первые результаты (1984г.) были обсуждены на семинаре академика РАН (в то время д.ф.-м.н.) СВ. Гольдина и вызвали живейший интерес и поддержку, в чем автор выражает глубокую благодарность.
Экспериментальные результаты по микропластической неупругости были поддержаны и высоко оценены академиком РАН Н.Н. Пузыревым, представившим их в "Доклады Академии Наук", в чем автор выражает глубокую благодарность.
Огромная помощь и поддержка была оказана автору академиками РАН А.С Алексеевым и Е.И. Шемякиным при проведении исследований динамических характеристик сейсмических волн in situ, послужившими основой для дальнейших исследований по микропластической неупругости горных пород, в чем автор выражает им глубокую благодарность.
Автор считает своим долгом выразить свою признательность ученым: чл.-корр. РАН А.В. Николаеву, д.ф.-м.н. В.Н. Николаевскому, д.ф.-м.н. O.K. Кондратьеву, профессору Л.И. Тушинскому, профессору Б.Д. Аннину за внимание и моральную поддержку при обсуждении начальной стадии исследований по микропластичности и нелинейности.
Автор выражает благодарность чл.-корр. РАН В.Н. Опарину за ценные критические пожелания, помогшие значительно улучшить работу. Автор благодарит д.т.н. И.С. Чичинина за поддержку в опубликовании экспериментальных результатов работ в выпускаемых им сборниках.
Автор благодарен коллегам, принимавшим участие на различных этапах исследований: Б.А. Елисееву, В.И. Берилко, Л.М. Дорогиницкой, Г.Н. Дьякову, Б.П. Сибирякову, Л.Д. Гику, В.З. Кокшарову, Ю.Н. Не-федкину, Г.В. Егорову, Н.П. Запивалову, Н.Г. Стениной.
Неоценимая помощь при проведении полевых испытаний оказана главным инженером Б.К. Зоммером (ОАО Хантымансийскгеофизика), начальником экспедиции А.П. Базылевым, главным гелогом О.А. Бот-никовым и начальником партии Н.А. Голиковым (ОАО "Сибнефтегеофизика")- Автор искренне благодарен сотрудникам отраслевых НИИ 10.П. Потеряеву, А.В. Плохову, В.Н. Чаплыгину, оказавшим огромную помощь в проведении экспериментов.
Автор выражает благодарность Т.И. Чичининой, оказавшей большую техническую помощь в подготовке работы к печати.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложения, содержит 235 страниц машинописного текста, б 1 рисунка и 6 таблиц. Библиография содержит 268 наименований.