Полный текст

Введение Верхнекамское месторождение калийных солей (ВКМКС), расположенное на территории Пермского края, занимает второе место по запасам калийных солей после крупнейшего в мире Саскачеванского месторождения калийных солей. Толща соляных пород имеет форму линзы площадью до 8,2 тыс. км2. Площадь основной многопластовой залежи калийно-магниевых солей составляет 3,7 тыс. км2 [1]. Вопросы генезиса и строения Верхнекамского месторождения изучались многими известными учеными и нашли отражение в ряде работ [1-4]. Геологическая ценность месторождения возрастает за счет наличия в подсолевых породах нефтеносных структур. Калийная залежь Верхнекамского месторождения представлена серией продуктивных пластов, разделенных пластами каменной соли (рис. 1). По составу продуктивных пластов залежь делится на сильвинитовую и сильвинито-карналлитовую зоны. Сильвинитовая зона средней мощностью 20 м сложена чередующимися пластами красных сильвинитов (КрIII, КрII и КрI), полосчатого сильвинита (А) и разделяющих их пластов каменной соли (КрIII - КрII, КрII - КрI и КрI - А). Сильвинито-карналлитовая зона средней мощностью 60 м сложена чередующимися пластами калийно-магниевых солей (девять пластов, которые индексируются снизу вверх буквами от Б до К) и каменной соли (восемь пластов - от Б-В до И-К). В основании сильвинито-карналлитовой зоны, непосредственно на пласте полосчатого сильвинита А, залегает пласт Б. Наряду с запасами калийных солей в пределах территории Верхнекамского месторождения в подсолевых отложениях на глубинах 1600- 2300 м открыто 14 месторождений нефти и 17 нефтеперспективных структур (нижнего и среднего карбона и верхнего девона) (см. рис. 1) [5]. Известно, что газовый фактор играет основную роль в инициировании и процессе протекания газовыделений и газодинамических явлений при геолого-разведочных работах. Свободные газы в соляных породах находятся под большим давлением, достигающим иногда величины до 8,0 МПа [6]. Первые сведения о газовыделениях на Верхнекамском месторождении калийных солей при бурении скважин относятся к 1925 г. При вскрытии солей скважинами газовыделения проявляются по-разному. Иногда наблюдается лишь вспенивание промывочной жидкости и слышен слабый шум в скважине. В других случаях газовыделение происходит бурно, сопровождаясь выбросами раствора и шлама из скважин на высоту до нескольких десятков метров, приводя в отдельных случаях к вспышкам горючих газов и пожарам в буровом помещении. Особо бурные выбросы газов имеют место при проходке пластов сильвинито-карналлитовой зоны от Е до В и чаще всего наблюдаются в скважинах, расположенных в присводовых частях и на крыльях антиклинальных структур. Продолжительность газовых выбросов (с учетом пауз) может колебаться от долей часа до нескольких суток и даже недель. Рис. 1. Совмещенный план Верхнекамского месторождения калийных солей, нефтяных месторождений и перспективных структур Рис. 2. Модельная элементарная схема трехзонных функциональных систем метасоматоза при образовании очагов ГДЯ: П - проводник; Т - трещина; 1 - забойная зона; 2 - обменная зона; 3 - конденсационная зона; 4 - свободный газ; 5 - метасоматит и интерсоматит; 6 - массообмен между забойной и конденсационной зонами через обменную; 7 - продольный массообмен вдоль обменной зоны; 8 - каменная соль с «коржом» и галопелитовыми слоями и прослойками; 9 - направление миграции свободных газов в процессе метасоматоза; ТЗ - транзитная зона Сведения о газовыделениях, зафиксированных при бурении скважин на территории Верхнекамского месторождения калийных солей, приведенные в архивных данных и отчетах о поисково-оценочных работах, были сведены в таблицу и проанализированы. Всего было собрано 410 событий более чем в 180 скважинах. Наибольшее количество газопроявлений зафиксировано на Половодовском, Усть-Яйвинском, Боровском и Палашерском участках ВКМКС [7]. Следует отметить, что для повышения достоверности прогноза газодинамической опасности и эффективности профилактических мероприятий по ее предотвращению необходимо учитывать геологические условия формирования скоплений свободных газов и очагов газодинамических явлений, в том числе и возможную генетическую связь с эпигенетическими процессами в калийной залежи и нефтегазоносностью нижележащих отложений, которая проявляется в горных выработках калийных рудников в виде следов нефтепроявлений и наличия на отдельных участках месторождения в соляных породах свободных газов с аномально высоким суммарным содержанием тяжелых углеводородных газов, достигающим 20 % и более. В настоящее время нет модели геологического механизма возникновения очагов газовых скоплений и газодинамических явлений в породах сильвинито-карналлитовой зоны выше пласта В в процессе эпигенетических преобразований пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей и возможной миграции газонасыщенных флюидов в соляную толщу из нефтегазоносных нижележащих отложений. Методы моделирования и прогноза газодинамической опасности детально описаны в работах как отечественных, так и зарубежных авторов [8-34]. Впервые очаги ГДЯ рассмотрены в работе М.П. Фивега [35]. Их рассмотрение базируется на точке зрения, основанной на представлениях галокинеза и отвергающих существование разрывных дислокаций. Очаги ГДЯ в пласте В д.т.н., чл.-корр. РАН Н.М. Проскуряков относил к зонам дробления [36, 37]. Контуры геологической модели образования очагов газодинамических явлений в соляных породах были сформулированы д.г.-м.н. А.И. Кудряшовым и в дальнейшем развиты д.т.н. С.С. Андрейко [1]. Но при этом в построениях геологической модели авторами рассматривались только промышленные пласты КрII или АБ. Геологические механизмы формирования очагов скопления свободных газов и очагов газодинамических явлений в породах сильвинито-карналлитовой зоны (за исключением пласта В) Верхнекамского месторождения калийных солей до настоящего времени вообще не рассматривались. В связи с этим разработка геологической модели механизма образования очагов газодинамической опасности в породах сильвинито-карналлитовой зоны Верхнекамского месторождения калийных солей соляной толщи в процессе эпигенетических преобразований пород сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон Верхнекамского месторождения является актуальной задачей. На основе этой модели в дальнейшем планируется разработать методы прогнозирования зон газодинамической опасности в породах сильвинито-карналлитовой зоны Верхнекамского месторождения калийных солей, что позволит повысить безопасность ведения геолого-разведочных работ с поверхности и из горных выработок в калийных рудниках. Методы исследования Для разработки научно обоснованной геологической модели механизма образования очагов газодинамической опасности в породах сильвинито-карналлитовой зоны необходимо установить источники газонасыщенных флюидов, пути миграции флюидов в соляную толщу и механизм образования газонасыщенных зон. Для условий Верхнекамского месторождения калийных солей наиболее полно механизму образования газонасыщенных зон в процессе эпигенетических преобразований соляных пород, в частности сильвинитизации карналлитов, отвечает модельная схема трехзонной системы метасоматоза, представленная на рис. 2. Свободный газ в таком случае будет аккумулироваться в микрополостях и пустотах между метасоматитом и внешней стенкой проводника водных растворов. На основе работы модельной схемы трехзонной системы метасоматоза проводились построения геологической модели механизма образования очагов газодинамической опасности в породах сильвинито-карналлитовой зоны. Геологическая модель механизма образования газонасыщенных зон В условиях Верхнекамского месторождения калийных солей механизм образования газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны соляной толщи, целесообразно рассматривать как единый процесс тектогенеза, миграции газонасыщенных флюидов, эпигенетических преобразований пород сильвинито-карналлитовой зоны, трещинообразования и расслоений в процессе природной «подработки» и аккумуляции газов (формирование газонасыщенных зон - зон газодинамической опасности при ведении геологоразведочных и горных работ) на участках природной «подработки». В предлагаемой геологической модели механизма образования газонасыщенных зон, как уже указывалось ранее, источниками газонасыщенных флюидов могли быть пачки глинисто-ангидритовых пород (источники газоносных водных растворов), а также нефтеносные месторождения и перспективные нефтеносные структуры в подстилающей толще пород [38]. Формирование газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны месторождения сопровождалось весьма сложным процессом галогенного метасоматоза, сопровождавшегося эпигенетическими преобразованиями пород и выделением растворенных газов в свободную фазу. Химическое воздействие подземных вод является наиболее мощным фактором эпигенеза соляной толщи Верхнекамского месторождения калийных солей. Среди подземных вод в условиях месторождения различают надсолевые, внутрисолевые и подсолевые воды [1]. Надсолевые воды являются инфильрационными, и в механизме образования газонасыщенных зон их участие маловероятно. Даже наоборот, проникая внутрь соляной толщи, инфильтрационные воды играли деструктивную роль, разрушая газонасыщенные зоны в пределах крупных положительных структур Верхнекамского месторождения. Количество внутрисолевых вод в современной залежи невелико, а сами воды находятся в физико-химическом равновесии с составом вмещающих пород. В то же время наблюдается связь между интенсивностью деформации солей и их вторичными преобразованиями (осветление, перекристаллизация, частичное замещение), что логичнее всего объясняется взаимодействием солей с внутрисолевыми водными растворами. Наиболее вероятным источником водных растворов внутри соляной толщи являются пачки глинисто-ангидритовых пород. Известно, что подсолевой гидрогеологический этаж содержит в себе шесть водоносных комплексов: нижнепермско-верхнекаменноугольный карбонатный; московский; башкирско-верхневизейский; средне-нижневизейский терригенный, турнейско-верхнедевонский карбонатный и верхне-среднедевонский терригенный [1, с. 79]. Подсолевые воды в пределах Соликамской впадины, по данным ряда исследователей, являются газонасыщенными и при наличии путей восходящей миграции также могли войти в контакт с солями. Путями восходящей миграции могли быть: разрывные тектонические нарушения, которые образовались в результате дифференцированных движений подсолевого ложа; надвиги, образованные в результате односторонне направленного с востока на запад тектонического давления, направленные снизу вверх и с востока на запад; сквозные зоны повышенной трещиноватости, образовавшиеся в ходе тектонического развития Соликамской впадины над стыками блоков кристаллического фундамента в осадочном чехле, которые могли пронизывать и соляную залежь [1, 39, 40]. Не вступая в дискуссии о путях восходящей миграции агрессивных газонасыщенных водных растворов с авторами указанных научных работ, принимаем, что путями восходящей миграции газонасыщенных флюидов в соляную толщу могли быть все вышеперечисленные проницаемые зоны. Следует отметить, что путями восходящей миграции газонасыщенных флюидов из нефтяных месторождений и нефтеперспективных структур могли служить проницаемые зоны над рифогенными структурами. Известно, что зоны замещения на калийных пластах в плане тяготеют к склонам рифогенных структур [41]. В настоящее время выдвинута гипотеза развития инициирующих трещин над склоном рифа и проведено геомеханическое моделирование методом граничных элементов в варианте «разрывных смещений» [43, 44]. В результате исследований была определена область распространения трещин над рифогенными структурами, которая составляет около 2000 м и достигает пород соляной толщи. Таким образом доказано, что над рифогенными структурами формируются проницаемые зоны, которые могут служить путями миграции нефтяных флюидов в соляную толщу. Миграция газонасыщенных флюидов в соляную толщу происходила в субвертикальном направлении (снизу вверх) в породах подстилающей толщи. Непосредственно в породах соляной толщи вследствие ярко выраженной анизотропии фильтрационных свойств соленосной толщи латеральное направление миграции газонасыщенных флюидов преобладало над вертикальным, движение флюидов происходило по напластованию. В этом случае флюиды двигались по глинистым прослойкам, в том числе по пласту маркирующей глины и межзерновому пространству. Следует особо отметить важную роль зон замещения (галитизации) сильвинитовых и карналлитовых пластов в геологическом механизме образования газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны. Замещение сильвинитов и карналлитов каменной солью, образование пестрых сильвинитов, смешанных солей (сильвинит+карналлит) и образование газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны следует рассматривать как единый процесс, происходящий в результате миграции через толщу и в толще калийно-магниевых солей флюидов, представленных газонасыщенными водными растворами или флюидами нефтяных месторождений (нефтеперспективных структур). В соответствии с принятой типизацией зоны замещения (галитизации) сильвинитовых пластов подразделяются на экранированные, открытые и сквозные [39, с.156-160]. Экранированные зоны замещения характеризуются тем, что непосредственно над зоной замещения промышленных пластов залегает один или несколько пластов сильвинито-карналлитовой зоны, сложенных пестрыми сильвинитами. К данному типу относятся мелкие, средние и крупные зоны замещения. Открытый тип зон замещения характеризуется расположением над зоной замещения промышленных пластов всех пластов сильвинито-карналлитовой зоны, представленных пестрыми сильвинитами. Сквозной тип зон замещения характеризуется замещением каменной солью всех пластов сильвинитовой и сильвинито-карналлитовой зон при полноте их разреза, в котором присутствует пласт маркирующей глины и покровная каменная соль. Основным отличием внутреннего строения зоны замещения сквозного типа предыдущих двух типов является замещение каменной солью всех пластов сильвинито-карналлитовой зоны. Как видно из характеристик рассмотренных зон замещения, внешняя и внутренняя структура всех зон замещения принципиально не отличаются друг от друга, что свидетельствует о едином эпигенетическом процессе образования таких зон. Основное отличие будет заключаться в масштабах эпигенетических процессов по вертикали и латерали в породах сильвинито-карналлитовой зоны при формировании газонасыщенных зон. Рассмотрим геологический механизм образования газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны при миграции газонасыщенных водных растворов в направлении от зоны замещения в сторону развития карналлитовых пород. При этом будем исходить из частного случая, когда зона замещения представлена экранированным типом как наиболее распространенным на месторождении. В качестве примера эпигенетических изменений карналлитовых пород сильвинито-карналлитовой зоны Рис. 3. Модельная схема трехзонной функциональной системы метасоматоза при латеральной миграции газонасыщенных флюидов от экранированной зоны замещения в условиях пласта Г при образовании газонасыщенных зон: 1 - сильвинит красный; 2 - полосчатый сильвинит; 3 - карналлит; 4 - пестрый сильвинит; 5 - каменная соль замещения; 6 - покровная и подстилающая каменная соль; 7 - каменная соль междупластий; 8 - маркирующий горизонт; 9 - конденсационная зона; 10 - обменная зона; 11 - забойная зона; 12 - массообмен между забойной и конденсационной зонами через обменную, обменной зоны с транзитной; 13 - продольный массообмен; 14 - направление миграции свободных газов в процессе метасоматоза по механизму галогенного метасоматоза рассмотрим карналлитовый пласт Г. Следует отметить, что при воздействии газонасыщенных водных растворов на другие карналлитовые пласты (Д, Е, Ж и т.д.) при их латеральной миграции от зон замещения в направлении карналлитовых пород механизм эпигенетического изменения пород будет аналогичен рассмотренному для пласта Г. Модельная схема трехзонной функциональной системы галогенного метасоматоза в условиях карналлитового пласта Г представлена на рис. 3. Вследствие высокой проницаемости глинисто-ангидритовых прослоев, агрессивные растворы проникали, в первую очередь, по соленосным глинам и, следовательно, сильвинитизация карналлитовых пород пласта Г начиналась преимущественно сверху. При наличии слоев и прослойков соленосных глин в почве пласта Г сильвинитизация могла происходить и снизу, как показано на рис. 3. Забойная зона трехзонной функциональной системы метасоматоза двигалась как вниз от проводника, так и вперед по направлению движения водного раствора. Разложение карналлита сопровождалось дефицитом твердой фазы, так как агрессивность водного раствора относительно карналлита равняется примерно единице [1, с. 304-308; 41]. В результате этого, вновь образованная порода - пестрый сильвинит - вблизи контакта с карналлитовой породой обладает повышенной пористостью. На участках полного разложения карналлита пласта Г структурные связи между зернами минералов под воздействием литостатического давления и продолжающейся миграции растворов восстанавливались, и порода становилась монолитной, практически лишенной крупных пор. Таким образом, создавался своего рода «газовый барьер», препятствующий миграции газов в направлении, противоположном движению фронта сильвинитизации карналлита пласта Г. По мере продвижения фронта сильвинитизации (забойной, обменной и конденсационной зон системы галогенного метасоматоза), участки с различной пористостью перемещались в том же направлении, что и мигрирующие растворы, - в направлении карналлитовых пород пласта Г. Как показывает практика ведения горных работ на промышленном пласте АБ, наибольшее количество газовыделений и газодинамических явлений происходило на участках развития более пористых пород при «затухании» процесса сильвинитизации, т.е. вблизи контакта пестрого сильвинита с карналлитовой породой [1, с. 318-321; 45, с. 110-118]. Этим и объясняется смещение максимума частоты газодинамических явлений в сторону карналлитовых пород. Следует отметить еще один очень важный нюанс в механизме образования газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны. Как уже указывалось выше, при наличии слоев и прослойков соленосных глин в почве пласта Г сильвинитизация могла происходить и снизу. При этом процесс галогенного метасоматоза мог распространяться не на всю мощность карналлитового пласта, а только на нижнюю часть пласта. Вследствие этого по вертикали в разрезе пласта на границе с карналлитовой породой формировались газонасыщенные зоны. Аналогичным образом могли формироваться газонасыщенные зоны и в других мощных карналлитовых пластах сильвинито-карналлитовой зоны. Иллюстрацией высказанного положения является представленный на рис. 4 случай газодинамического явления интенсивностью 180 т, происшедшего на руднике БКПРУ-2 15 марта 1973 г. Как видно из рис. 4, мощное газодинамическое явление произошло из кровли выработки шириной 3,0 м. При этом пласт В, из которого произошло газодинамическое явление, представлен смешанным составом: нижняя часть пласта представлена пестрыми сильвинитами, верхняя - карналлитовой породой. Подобные случаи газодинамических явлений неоднократно происходили в калийных рудниках на Верхнекамском месторождении. Весьма важным является и геомеханический аспект формирования газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны в процессе галогенного метасоматоза при сильвинитизации карналлитовых пластов. Забойная зона трехзонной функциональной системы метасоматоза двигалась как вверх от проводника, так и вперед по направлению движения водного раствора. Разложение карналлита сопровождалось дефицитом твердой фазы, так как агрессивность водных флюидов относительно карналлита равняется примерно единице. Рассмотрим геомеханические процессы, сопровождавшие сильвинитизацию карналлитовых пластов, на примере карналлитового пласта Г. На участках полного разложения карналлита пласта Г из-за дефицита твердой фазы формировались пустоты, т.е. мощность пласта Г при сильвинитизации значительно уменьшалась, примерно в 3 раза при средних значениях мощностей с 7,70 до 2,50 м. Формирование таких природных пустот создавало известный в горном деле эффект подработки свиты пластов выше пласта Г, подвергшегося сильвинитизации. В связи с тем что в процессе сильвинитизации карналлитовых пластов участвуют только природные процессы, в данном случае под природной подработкой будем понимать изменение мощности карналлитовых пластов в процессе сильвинитизации. В исследованиях о влиянии подработки на калийные пласты можно выделить два основных направления. Первое направление связано с исследованием сдвижения горных пород и характера перераспределения горного давления вокруг очистных выработок подрабатывающего пласта. Второе направление связано собственно с исследованием процессов, связанных с изменением газодинамических характеристик подрабатываемых калийных пластов. До настоящего времени в условиях Верхнекамского месторождения калийных солей исследования закономерностей изменения газодинамических свойств калийных пластов при их природной подработке не проводились. Следовательно, и участие геомеханических процессов в механизме формирования газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны до настоящего времени не исследовалось. Известно, по аналогии с техногенной подработкой, что процесс сильвинитизации карналлитовых пластов будет сопровождаться перераспределением горного давления, в результате чего карналлитовые пласты сильвинито-карналлитовой зоны подвергались воздействию различных силовых полей. Рассмотрим эти процессы на примере сильвинитизации карналлитового пласта Г. В области влияния движущегося фронта сильвинитизации пласта Г в зависимости от характера деформирования и перераспределения горного давления формировались следующие характерные зоны: не подверженная влиянию горных работ (зона I); повышенного горного давления (зона II); разгрузки (зона III); восстановленного геостатического давления (зона IV) (рис. 5). Каждый участок карналлитовых пластов, расположенных по геологическому разрезу над пластом Г, при движении фронта сильвинитизации по пласту Г последовательно оказывался в каждой зоне, что сопровождалось многократным изменением вида их напряженного состояния: состояние гидростатического сжатия в зоне, не подверженной воздействию природной подработки; переход в состояние неравнокомпонентного сжатия, связанный с ростом нормальных к напластованию напряжений в зоне опорного давления; уменьшение бокового распора на границе зоны опорного Рис. 4. Газодинамическое явление на пласте АБ (рудник БКПРУ-2, 3-я восточная панель, 3-1 восточный выемочный штрек) Рис. 5. Зоны, сформировавшиеся в результате сильвинитизации (природной подработки) карналлитового пласта Г: I - неподверженная влиянию горных работ; II - повышенного горного давления; III - разгрузки; IV - восстановленного геостатического давления; V - изгиба; σ, φ - соответственно внешний и внутренний граничные углы полных сдвижений при сильвинитизации карналлитового пласта Г явления и разгрузки; изгиб и связанное с ним появление растягивающих напряжений; разгрузка от горного давления; восстановление горного давления и переход в состояние гидростатического сжатия. Деформирование карналлитовых пластов, расположенных над пластом Г, в зоне опорного давления может быть рассмотрено с позиций теории Гриффитса, которая в своей качественной части сводится к тому, что всякое тело содержит внутри себя множество хаотически расположенных дефектов. При этом многочисленные контакты между литологическими разностями пород, слои и прослойки глин в карналлитовых пластах можно рассматривать как включения. В условиях неравнокомпонентного сжатия на контуре этих дефектов возникают растягивающие напряжения, которые и обусловливают разрушение тела. В условиях трехосного неравнокомпонентного сжатия наблюдаются большие пластические деформации тела, обусловленные развитием внутренней трещиноватости и расслоений, которые сопровождаются увеличением объема и газопроницаемости. При этом интенсивность процесса будет тем выше, чем больше разница между нормальными составляющими тензора напряжений, т.е. уменьшение величины бокового распора на границе зоны опорного давления и зоны разгрузки будет способствовать нарушению исходной структуры карналлитовых пластов в результате развития микродефектов. Особый интерес с точки зрения нарушения структуры пород представляет деформирование карналлитовых пластов при нахождении в зоне изгиба, включающей в себя часть зон повышенного горного давления и разгрузки (рис. 5, зона IV). В пределах этой зоны протекают активные стадии процессов сдвижения, деформирования массива и перераспределения горного давления. При этом могут образовываться самые различные сочетания главных напряжений, вплоть до появления растягивающих усилий. Кроме того, эта зона характеризуется и ростом касательных напряжений. В зоне изгиба создаются условия для увеличения трещиноватости и образования расслоений, подрабатываемых при сильвинитизации пласта Г карналлитовых пластов в результате сдвига и растяжения по плоскостям природных неоднородностей и вновь образовавшейся трещиноватости. Изменению структуры карналлитовых пластов при их природной подработке будет также способствовать и их газонасыщенность, которая приводит к увеличению деформаций как в упругой, так и в пластической областях, а также к понижению пределов прочности, текучести и работы разрушения. В соответствии с изложенными положениями природная подработка карналлитовых пластов, расположенных над пластом Г, при его сильвинитизации может быть представлена как последовательная смена видов напряженного состояния, каждому из которых соответствует определенная форма деформирования: - трещинообразование при переходе пород от состояния гидростатического сжатия в состояние неравнокомпонентного объемного сжатия в результате нагружения в зоне опорного давления; - сдвиг по природным плоскостям ослабления и вновь образовавшейся трещиноватости под действием касательных напряжений при переходе от зоны опорного давления к зоне разгрузки; - трещинообразование, раскрытие трещин и расслоение по контактам слоев, глинистым слоям и прослойкам под воздействием растягивающих напряжений при изгибе. Особенностью деформирования карналлитовых пластов при природной подработке в процессе сильвинитизации в зонах повышенного горного давления на границе фронта сильвинитизации является то, что оно протекает при длительном действии нагрузок. При этом весь период деформирования можно разделить на два этапа: - при непосредственном движении фронта сильвинитизации по карналлитовому пласту; - в результате длительного пребывания при природной подработке карналлитовых пластов в зоне повышенного горного давления. Характер формирующейся при этом структуры карналлитовых пластов после природной подработки определяется совокупностью деформаций, имевших место на этих этапах. На первом этапе при нахождении карналлитовых пластов в зоне влияния движущейся волны опорного давления пластические деформации пород обусловлены ростом нормальных к напластованию напряжений. Основной формой пластических деформаций при этом будет образование новых систем микро- и макротрещин вследствие развития внутренних дефектов. На втором этапе в результате длительного действия повышенных напряжений развиваются деформации пластичности и ползучести, происходит релаксация напряжений. В зонах разгрузки формируются области расслоений карналлитовых пластов по контактам литологических разностей пород, глинистым прослойкам и слоям. Таким образом, в процессе природной подработки карналлитовых пластов при сильвинитизации создаются предпосылки для изменения первоначальной структуры пород, заключающиеся в появлении новых систем микро- и макротрещин, а также расслоений по контактам слоев, глинистым прослойкам и слоям. При сильвинитизации нескольких карналлитовых пластов, например, Б, В и Г, эти эффекты усиливаются. Этот процесс можно определить, как геомеханическую деструкцию карналлитовых пластов сильвинито-карналлитовой зоны под влиянием природной подработки при сильвинитизации карналлитовых пластов. В результате природной подработки в пределах области влияния фронтов сильвинитизации в карналлитовых пластах формируются участки с различной структурой и, следовательно, с различными газодинамическими характеристиками пород. Так как деформирование карналлитовых пластов под воздействием природной подработки длится длительное геологическое время, всякая остановка границы фронта сильвинитизации оказывается источником возникновения краевой части мульды сдвижения. В краевых частях мульд сдвижения карналлитовые пласты будут подвергаться максимальным деформациям с развитием трещиноватости и расслоениям по контактам слоев, глинистым слоям и прослойкам, следовательно, фильтрационные и коллекторские свойства карналлитовых пластов в этих зонах будут играть весьма важную роль с точки зрения возможности формирования газонасыщенных зон. На этих участках в карналлитовых пластах наиболее вероятно появление газодинамических аномалий, т.е. участков, отличающихся степенью нарушенности пород, их газоносностью и газодинамическими характеристиками. В карналлитовых пластах, подработанных при сильвинитизации, в зоне разгрузки от вертикальных напряжений за счет разрушений и расслоений по контактам слоев, глинистым слоям и прослоям создаются благоприятные условия для фильтрации в нее свободных газов. Таким образом, при природной подработке в области пониженных напряжений в результате расслоений пород по контактам слоев, глинистым слоям и прослойкам образуются квазиизолированные газонаполненные области. В результате в зоне пониженных напряжений свободный газ скапливается в количествах, превышающих его содержание в нетронутом массиве. При этом дополнительные сжимающие напряжения, действующие по другую сторону от границы, играют роль своеобразного барьера, препятствующего дальнейшей фильтрации газа и более равномерного его распространения по подработанному массиву. В силу неустойчивого равновесия системы газонаполненных трещин повышение давления газа в них может происходить импульсно, достигая при этом весьма значительных величин. По аналогичному механизму могло происходить формирование газонасыщенных зон в пластах сильвинито-карналлитовой зоны в процессе сильвинитизации других карналлитовых пластов, одного или нескольких одновременно. Заключение Геологическая модель механизма образования очагов газодинамической опасности в породах сильвинито-карналлитовой зоны на Верхнекамском месторождении калийно-магниевых солей может быть представлена следующим образом: 1. Источниками газонасыщенных флюидов являлись газоносные водные растворы из подстилающих соляную толщу пород, в том числе из нефтяных месторождений и нефтеперспективных структур. Путями восходящей миграции газонасыщенных флюидов в соляную толщу могли быть разрывные тектонические нарушения, надвиги, сквозные зоны повышенной трещиноватости и зоны проницаемости над склонами рифов. 2. Миграция газонасыщенных флюидов в соляную толщу через подстилающую толщу пород происходила преимущественно в субвертикальном направлении (снизу вверх). Непосредственно в породах сильвинито-карналлитовой зоны латеральное направление миграции газонасыщенных флюидов преобладало над вертикальным. В породах сильвинито-карналлитовой зоны газонасыщенные флюиды двигались по глинистым слоям и прослойкам, а также по межзерновому пространству. 3. Замещение сильвинитов и карналлитов каменной солью, образование пестрых сильвинитов, смешанных солей (сильвинит+карналлит) и образование газонасыщенных зон в породах сильвинито-карналлитовой зоны следует рассматривать как единый процесс, происходящий в результате миграции через толщу и в толще калийно-магниевых солей газонасыщенных флюидов, представленных газонасыщенными водными растворами или флюидами нефтяных месторождений (нефтеперспективных структур). 4. Газонасыщенные флюиды по путям восходящей миграции проникали в сильвинито-карналлитовую зону и двигались в латеральном направлении от зон замещения в направлении карналлитовых пород. Латеральная миграция газонасыщенных флюидов по глинистым слоям и прослойкам, а также межзерновому пространству карналлитовых пород сопровождалась эпигенетическими изменениями - сильвинитизацией карналлитовых пластов по механизму галогенного метасоматоза, представляющего собой работу трехзонной функциональной системы, состоящей из забойной, обменной и конденсационной зон. 5. Порода, образованная при сильвинитизации карналлитов, - пестрый сильвинит вблизи контакта с карналлитовой породой как по латерали, так и по вертикали - обладала повышенной пористостью. В таких породах происходила аккумуляция свободных газов, выделившихся из газонасыщенных флюидов при изменении термобарических условий и эффекта «высаливания» газов при росте минерализации водных растворов. Кроме этого, здесь же могли аккумулироваться и связанные газы, перешедшие в свободную фазу при разложении карналлитов. 6. В дальнейшем структурные связи между зернами минералов под воздействием литостатического давления и продолжающейся миграции растворов восстанавливались, и порода становилась монолитной, практически лишенной крупных пор. На некотором расстоянии от контакта «карналлит - пестрый сильвинит» создавался своего рода «газовый барьер», препятствующий миграции газов в направлении, противоположном движению фронта сильвинитизации карналлитовых пластов. По мере продвижения фронта сильвинитизации (забойной, обменной и конденсационной зон системы галогенного метасоматоза), участки с различной пористостью перемещались в том же направлении, что и мигрирующие растворы - в направлении карналлитовых пород. Процесс сильвинитизации карналлитов затухал по мере насыщения агрессивных растворов по хлористому магнию. 7. На участках полного разложения карналлитов в процессе сильвинитизации из-за дефицита твердой фазы формировались пустоты, т.е. мощности пластов при сильвинитизации значительно уменьшались, примерно в 2-3 раза. Формирование таких природных пустот создавало известный в горном деле эффект подработки свиты пластов выше пласта, подвергшегося сильвинитизации. В процессе природной подработки карналлитовых пластов при сильвинитизации создаются предпосылки для изменения первоначальной структуры пород, заключающиеся в появлении новых систем микро- и макротрещин, а также расслоений по контактам слоев, глинистым прослойкам и слоям. В результате природной подработки в пределах области влияния фронтов сильвинитизации в карналлитовых пластах формируются участки с различной структурой и, следовательно, с различными газодинамическими характеристиками пород. 8. Деформирование карналлитовых пластов под воздействием природной подработки длится длительное геологическое время, всякая остановка границы фронта сильвинитизации оказывается источником возникновения краевой части мульды сдвижения. В краевых частях мульд сдвижения карналлитовые пласты будут подвергаться максимальным деформациям с развитием трещиноватости и расслоениям по контактам слоев, глинистым слоям и прослойкам. Фильтрационные и коллекторские свойства карналлитовых пластов в этих зонах будут играть весьма важную роль с точки зрения возможности формирования газонасыщенных зон. На этих участках в карналлитовых пластах наиболее вероятно появление газодинамических аномалий, т.е. участков, отличающихся степенью нарушенности пород, их газоносностью и газодинамическими характеристиками, представляющими собой зоны газодинамической опасности при ведении горных работ. Границы таких зон газодинамической опасности в пределах конкретных карналлитовых пластов сильвинито-карналлитовой зоны будут определяться угловыми характеристиками краевых частей мульд сдвижения, сформировавшихся на границе фронта сильвинитизации карналлитов.

Об авторах

С. С. Андрейко

Горный институт Уральского отделения Российской академии наук

Т. А. Лялина

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 12

PDF (Russian) - 11

PDF (English) - 7

Ссылки

• Ссылки не определены.