RU1787279C - Способ получени информации о глубинных структурах литосферы Земли - Google Patents

Abstract

Использование: в области геофизических исследований строени  и состава зем2 ной коры: Сущность изобретени : в обсаженную скважину помещают полую цилиндрическую вставку. На забое скважины размещают тепловой источник, а затем заполн ют вставку раздробленным свинцовым ломом. Последний подогревают с помощью подогревателей, размещенных в кольцевом зазоре между вставкой и обсадными трубами. Длину вставки выбирают исход  из услови  обеспечени  процесса разрушени  пород в соответствии с их термомеханической прочностью, сейсмические и акустические сигналы регистрируют по мере проникновени  текущего свинца в глубокие уровни литосферы. 1 з.п. ф-лы. ел

Description

Изобретение относитс  к области геофизических исследований строени  и состава земной коры, точнее к пр мым методам проникани  в глубинные слои, и может быть использовано дл  получени  информации о верхних границах литосферы.

Известны устройства дл  термического бурени , в которых проходка скважин осуществл етс  с помощью нагрева пород, окружающих термобур, их расплавлени  или испарени  и последующего извлечени  жидких или газообразных продуктов через скважину. Термобур состоит из тугоплавкого корпуса, тепловыдел ющего элемента и приспособлений дл  его св зи с поверхно- стью Земли.

Недостатком такого метода  вл етс  необходимость поддержани  механической св зи с термобуром через скважину. В скважине давление вблизи термобура сущёст- .

венно меньше давлени  окружающих пород , поэтому возникающие сдвиговые напр жени  в услови х высоких температур вызывают деформацию и заплывание скважины .

Существуют методы проникани  в недра Земли путем бурени  скважин. При этом бур- механически разрушает монолитность горной породы, а образцы породы извлекают через скважину на поверхность. Скважина при этом используетс  дл  механической и энергетической св зи с буром и системой извлечени  породы. Так достигают глубин 1.2 км, планируетс  бурение до 15 км.

Прототипом предлагаемого способа получени  информации о литосфере  вл етс  способ глубинного бурени .

Рассмотренный в прототипе метод проникани  в литосферу Земли сталкиваетс  с принципиальными трудност ми.

4

00

vj КЭ

Ч

ю

со

Главна  проблема достижени  еще больших глубин с помощью бурени  состоит в возникновении больших сдвиговых на- пр жений в горных породах вблизи скважины и в обсадных трубах. Это приводит к деформации скважины, к ее заплыва- нию или схлопыванию на больших глубинах.

Целью изобретени   вл етс  разработка способаг получени  информации о литосфере ЗемЛй, при котором значительно снижаетс  обща  стоимость работ.

Цель достигает„tewi , что с пеци ально оборудованную обсадную скважину с вставкой и подогревател ми загружают раздробленным свинцовым ломом и по мере проникани  в более глубокие уровни литосферы пластически текущего свинца регистрируют сейсмические, акустические и другие геофизические пол  и сигналы и по их характеристикам суд т о свойствах глу- бинных слоев земной коры. При этом скважину бур т в районе прогиба в регионе с раст гивающими фоновыми напр жени ми ., . :--:.-Загруженйе свинца заканчивают по достижении глубины с породами, представл ющими особый интерес, после чего свинец по всей высоте подогревающей вставки расплавл ют и улавливают всплывающие куски глубинных пород Дл  определени  их минералогического состава .:

После расплавлени  всего свинца в верхнюю часть распл ава через устье скважины ввод т источник ультразвуковых колебаний и полем ультразвуковых колебаний, распростран ющихс  по столбу жидкого свинца, облучают донную часть зоны внедрени  расплава в глубинные породы литосферы с целью регистрации и изучени  отраженных и преломленных сигналов.

Реализуемость предлагаемого метода следует из теоретического рассмотрени  взаимодействи  свинцового столба, заполн ющего участок скважины, с породами нижнего, глубинного участка скважины. Покажем , что при некоторых услови х столб расплавленного свинца под действием собственной т жести способен проникнуть на большие глубины литосферы.-- --v

Предел прочности горных пород характеризуетс  величиной Смаке, физический смысл которой - предельное напр жение сдвига, при котором еще не происходит растрескивание или пластическое течение сре- ды. Величина Смаке составл ет около 300 МПа дл  больших неоднородных блоков ультраосновных пород.

.. Рассмотрим напр жени  в среде вокруг скважины глубины Н, пробуренной в однородной среде с плотностью р 0 и заполнен

ной жидкостью с плотностью р . р- может быть как меньше, так и большего. Давление жидкости в нижней части заполненной скважины равно р дН, а равновесное давление на этой глубине равно р дН.

Поскольку радиус скважины R мал по сравнению с ее глубиной Н, то напр жени  вокруг ствола скважины в любом, далеком от конца и начала участке, можно определить из рассмотрени  равновеси  цилиндрической полости, внутри которой давление рЗвно (5, а вдали от центра, при г R (на бесконечности) давление равно ро. Напр жени  вокруг окончани  скважины можно

приближенно получить, рассматрива  сферу радиуса R, с внутренним давлением р, отличным от давлени  на бесконечности р0. Рассмотрим следстви  точно решаемых задач о деформаци х и напр жени х в неограниченной среде со сферической полостью и с цилиндрической полостью, внутри которых давление равно р, а на большом удалении от полостей - ро. Согласно теории упругости компоненты тензора напр жений

а в среде вне сферической полости (при г R) равны

R3 CTrr --Po-(p-po)-g-; СГ9в

30г°

3

+ ( Р-РО)

Rc 2 г3

а вне цилиндрической полости (при. ) равны

35

R О Гг - РО-- (р-ро) -j,

R2 40СГфф - ро +(р-ро) -j

При большом удалении от сферы и от цилиндра (при г R) все диагональные ком- поненты тензора напр жений, так и должно быть, оказываютс  равными р0. На поверхност х сферы и цилиндра при r R нормальные напр жени  оь-, как следствие граничных условий, оказываютс  равными р, а тангенциальные достигают своих максимальных зна чений, равных

«Шс о-ве (R) афф (R) (р - 3 ро):

55

О&акс афф(Я) (р - 2 Ро)

(3)

соответственно дл  сферы и цилиндра.

Разрушение скважины происходит, если абсолютна  величина выражений (3) превышает предел прочности Смаке, т.е. при давлени х р, удовлетвор ющих уравнени м

U lp-3po l 2СМакс: Смаке (4)

соответственно дл  сферы и цилиндра. Давление на большом удалении от нижней части скважины на глубине Н в породе с плотностью РО 2,7 г/см определ етс  гидростатической формулой р0 /ОодН, Если скважина заполнена на высоту Нт (т.е. до глубины z H-Hi) наполнителем - материалом с плотностью pi , то давление внутри скважины вблизи ее нижнего конца равно .

Таким образом, принципиально существуют четыре разных типа разрушени  скважины, заполненной материалом иной плотности: схлопывание или разрыв ее сферического окончани  (два решени  уравнени  (4) или схлопывание или разрыв ее цилиндрического столба. Реально осуществл етс  тот тип разрушени , дл  которого ранее всего начинает выполн тьс  одно-из равенств (4). При плотности наполнител , меньшей плотно сти породы, происходит схлопывание, при большей-разрыв. Разрушение сферического окончани  скважины означает ее укорочение или удлинение - проникновение наполнител  вниз, в вертикальную трещину в окружающей породе. Разрушение цилиндрического ствола означает перет жку скважины или проникновение наполнител  в окружающую породу по горизонтальным трещинам.;

При заполнении обычной скважины в кристаллической горной породе буровым раствором с плотностью p 1,3 г/см предельна  глубина, на которой происходит схлопывание, оказываетс  равной 10,9 км, что разумно согласуетс  с достигнутым при бурении рекордом 12 км. Дл  скважины в таких же породах, заполненной расплавом (Свинца с плотностью/ 1 11,3 г/см, предельна  глубина по формуле (4) оказываетс  равной 4,1 км. Если, кроме того, учесть, что предел прочности Смаке уменьшаетс  с ростом температуры, то окажетс , что предельна  глуби на устойчивой скважины в ультраосновных породах, заполненной свинцовым расплавом, при температуре 350°С меньше 3 км.

По достижении предельной глубины обычна  (заполненна  относительно легким буровым раствором) скважина схлопывает- с , а заполненна  свинцом начинает самоуглубл тьс . Дл  отличи  образующейс  в: результате самоуглублени  структуры от скважины, котора  требует энергетических

затрат на бурение, будем называть ее каналом иглы. Энерги , за счет которой образуетс  канал, есть гравитационна  энерги , высвобождающа с  при опускании свинцового столба. Так, при погружении на 1 м трехкилометрового столба диаметром 30 см выдел етс  энерги , равна  26 КДж. Она расходуетс  на в зкое трение свинцового расплава о стенки и, в конечном счете, на ,

0 разогрев расплава и стенок канала иглы и на энергию дополнительного сжати  горных пород около зоны разрушени . После прохождени  свинцового столба эта энерги  сжати  высвобождаетс  при схлопывании

5 образовавшегос  канала, что ведет к разогреву и частичному выплавлению свинца из трещин в основной канал. Наконец, мала  часть гравитационной энергии переходит в кинетическую энергию движени  столба.

0 При неравномерном пульсирующем опускании (что наиболее веро тно) значительна  часть этой кинетической энергии выдел етс  в нижней части канала у зоны разрушени .

5 Трещина, котора  возникает внизу скважины по достижении ею предельной глубины, в однородной среде имеет теоретически строго вертикальное направление, в реальных анизотропных горных породах 0 направление, близкое к вертикали, Эта трещина заполн етс  свинцовым расплавом, что вызывает опускание всего столба. Такое погружение продолжаетс  до тех пор, пока не будет достигнуто условие (4). При этом

5 следует учитывать, что высота свинцового столба уменьшаетс  за счет расхода свинцового материала на боковую диффузию - насыщение боковых трещин вдоль канала иглы..

0 Друга , по существу близка , возможность приостановки погружени  - достижение столбом свинца горизонта непрочных пород или пород с высокой боковой проницаемостью , или же - напротив - пласта су5 щественно более прочных и тугоплавких пород. При этом не исключено образование в породе горизонтальной трещины и заполнение ее частью свинца. На относительно

малых глубинах такое затупление свинцо0 вого столба продолжаетс  вплоть до контакта свинца с удаленными от центра канала холодными породами . Когда равновесна  температура окружающих пород начнет превышать температуру плавлени  свинца

5 (при Соответствующем давлений), т.е. начина  с глубин около 10-12 км, процесс б око- ,. вой диффузии не будет компенсироватьс  застыванием свинца в концах трещин. Тогда в горизонтальную или слегка наклонную трещину может вытечь значительна  часть

материала. В этом случае происходит приостановка или существенное замедление погружени  системы вследствие затупле- ни  иглы. Частичной компенсацией боковой диффузии у зоны разрушени   вл етс  вытеснение свинца из боковых трещин в верхней части канала и присоединение этого свинца к основному стволу. Это  вление - заклепывание трещин - происходит вследствие падени  давлени  после опускани  свинца в основном канале. Описанные процессы боковой диффузии расплава затрудн ют оценку средней скорости погружени  свинцовой иглы.

В утолщенной нижней части свинцового столба сосредоточен конгломерат капсул с радиоактивными отходами, главный источник тепловой энергии, Вниз от него идут усы - система трещин в породе, заполн юща с  расплавленным перегретым свинцом . Толщина столба, простирающегос  вверх на 2-3 км, постепенно утоньшаетс  из-за падени  давлени  свинца и, следовательно , декомпрессии горных пород. Продвижение свинцового столба вниз, по-видимому, не стационарно, а пульсацй- онно. Фаза прогрева пород- с утолщением нижней части, затем растрескивание, про . никновение расплава вниз, относительно

медленное опускание конгломерата капсул, с одновременным удлинением хвоста за

: счёт выдавливани  свинца из захлопывающихс  трещин в верхней части канала.

. Количество свинца, потребное дл  заполнени  скважины глубиной 3 км с диаметром 20 см,.составл ет 1 тыс чу тонн.

Скважина Дл  создани  свинцового столба проникани  содержит обсадную трубу с обсадкой, трубу-вставку дл  подачи свинца, теплоизол тор и Нагреватель, свинцовый столб, формирующийс  в горной по- родег начина  от дневной .поверхности; и верхней части вставки, капсулу-формирователь , создающую направленную систему трещин. Благопри тные геологические структуры отражены в прогибе границ слоев и вертикальной направленности трещин, заполн ющихс  расплавом свинца, поступающим из свинцового столба.

Проникновение в литосферу Земли по предлагаемому способу осуществл етс  следующим образом.

В районе прогиба осадочных пород на участке с благопри тным гидрогеологическим режимом осушают трассу будущего свинцового столба, после чего пробуривают скважину, устанавливают обсадную трубу С герметизирующей и теплоизолирующей обсадкой , затем помещают вставку с нагревател ми . Сооружают над скважиной

наземный павильон с системой подачи свинцового лома, геофизической аппаратурой; ультразвуковым источником и т.д. Затем загружают трубу скважины свинцовым

ломом до момента, когда контрольна  аппаратура зарегистрирует формирование в нижней части трубы плотного столба свинца , наход щегос  в пластически текучем состо нии , но при температуре ниже точки

плавлени . В соответствии с расчетными данными это означает начало процесса углублени  столба. Процессы разрушени  при этом сопровождаютс  излучением сейсмоэ-- миссионных волн. Регистраци  сейсмоакустических сигналов стандартной сетью приемников позволит после дешифровки сейсмограмм получить информацию о глубинных сло х литосферы. Ультразвуковые 1 колебани , вводимые по свинцовому столбу

в глубинные структуры, при отражении и их последующей регистрации и интерпретации методами активного сейсмического просвечивани  расшир ют возможности исследовани . Аналогичный результат дает

сопоставительный анализ сейсмоакустиче- ских данных с запис ми электромагнитных сигналов, прин тых приемниками на дневной поверхности. При прохождении свинцового столба наиболее интересных зон

свинец в верхней пластичной и (или) холодной зоне расплавл ют и извлекают всплывшие куски горной породы зоны разрушени . Формул а изо бретени  

Claims (2)

1. Способ получени  информации о глубинных структурах литосферы земли, включающий бурение скважины, размещение в ней обсадных труб, извлечение образцов пород, по которым суд т о глубинных структурах литосферы, отличающийс  тем,

что, с целью снижени  трудоемкости способа , в скважину с зазором по отношению к обсадным трубам помещают полую цилцнд- рическую вставку, в кольцевом зазоре размещают изолированные от обсадных труб

подогреватели, при этом длину вставки выбирают исход  из услови  обеспечени  процесса разрушени  пород в соответствии с их термомеханическими характеристиками, на забой скважины помещают тепловой источник , загружают вставку раздробленным свинцовым ломом, расплавл ют его подогревател ми и по мере проникани  в более глубокие уровни литосферы пластически текущего свинца регистрируют сейсмические

и акустические сигналы.

2. Способ по п. 1, отличающийс  тем, что в качестве теплового источника на забое скважины размещают капсулу с радиоактивными элементами.