RU2740630C1

RU2740630C1 - Способ снижения избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов

Info

Publication number: RU2740630C1
Application number: RU2020119008A
Authority: RU
Inventors: Валерий Васильевич Ружич; Андрей Гелиевич Вахромеев; Сергей Александрович Сверкунов; Евгений Викторович Шилько; Владимир Мирославович Иванишин; Ренат Хасанович Акчурин
Priority date: 2020-06-02
Filing date: 2020-06-02
Publication date: 2021-01-18

Abstract

Изобретение относится к сейсмогеологии и предназначено для управляемого снижения инженерно-сейсмического риска, для предотвращения землетрясений путем плавных волновых гидравлических воздействий давлением жидкости на трещинные пласты-коллекторы в отдельных сегментах сейсмоопасного магистрального разлома через наклонно-направленные многозабойные глубокие скважины с горизонтальным окончанием. Согласно заявленному способу осуществляют целевое бурение многозабойных скважин с боковыми стволами в сегменты высоконапряженного магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости и проводят волновые гидравлические воздействия, инициирующие плавные смещения крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести. Построенная по изложенному алгоритму группа глубоких многозабойных скважин с боковыми стволами даст возможность неоднократного проведения волновых гидравлических воздействий любой длительности от первых суток до нескольких лет с целью управляемой разрядки накопленной энергии недр. Цель воздействий - релаксационная разгрузка выявленных потенциально сейсмоактивных сегментов разломов, позволяющая в безопасном режиме умеренно ускоренного скольжения снизить на длительный срок (десятки-сотни лет) избыточный уровень упругой энергии до безопасного уровня. Технический результат - предотвращение сильных и катастрофических землетрясений путем подтвержденного деформационными и сейсмологическими измерениями плавного снижения накопленных избыточных деформаций и сейсмотектонической энергии недр в отдельных сегментах высоконапряженного магистрального разлома до безопасного фонового уровня, достигающее таким образом релаксационного эффекта на временные интервалы длительностью во многие десятки-сотни лет и более. 8 ил.

Description

Изобретение относится к сейсмогеологии и предназначено для управляемого снижения инженерно-сейсмического риска с целью предотвращения опасных землетрясений путем плавных волновых гидравлических воздействий давлением жидкости на трещинные пласты-коллекторы в отдельных сегментах сейсмоопасного магистрального разлома, закачиваемой через наклонно-направленные глубокие скважины с горизонтальным окончанием.

К настоящему времени потери от неожиданных сильных и катастрофических землетрясений продолжают увеличиваться в связи с ростом плотности населения, его растущей концентрацией в мегаполисах. Также экспоненциально возрастают огромные материальные, экологические и человеческие потери из-за недостаточной эффективности мероприятий по выявлению признаков подготовки будущих сейсмических катастроф и способов обеспечения сейсмобезопасности [Panza G. F., Kossobokov V., Peresan A., Nekrasova К. Why are the Standard Probabilistic Methods of Estimating Seismic Hazard and Risks Too Often Wrong // Earthquake hazard, risk and disasters. Elsevier, Amsterdam. December 2014. Chapter 12. In: M. Wyss, J.F. Shroder (Eds.), pp. 309-357. DOI: 10.1016 / B978-0-12-394848-9.00012-2. https://pdfslide.net/documents/earthquake-hazard-risk-and-disasters-why-are-the standard-probabilistic.html: Пономарева Е.И., Ружич B.B., Левина E.A. Оперативный среднесрочный прогноз землетрясений в Прибайкалье и его возможности // Известия Иркутского государственного университета. Серия «Науки о земле». - 2014. - Т. 8. - С. 67-78; Ружич В.В., Левина Е.А., Пономарева Е.И. О возможности и результатах среднесрочного прогноза опасных землетрясений в Прибайкалье и его роли в снижении сейсмического риска // Рифтогенез, орогенез и сопутствующие процессы. - Материалы симпозиума, посвященного 90-летию Н.А. Логачева. Иркутск, 14-15 окт., 2019. - с. 167-169.].

На основании имеющихся к настоящему времени сведений научного сообщества, а также результатов собственных исследований в области сейсмопрогностических исследований [Пономарева Е.И., Ружич В.В., Левина Е.А. Оперативный среднесрочный прогноз землетрясений в Прибайкалье и его возможности // Известия Иркутского государственного университета. Серия «Науки о земле». - 2014. - Т. 8. - С. 67-78], к настоящему времени достигнуто заметное продвижение в основном лишь по выявлению мест подготовки очагов готовящихся сильных землетрясений, находящихся на поздних стадиях реализации. Вероятность их выявления в рамках средне- и долгосрочного прогноза составляет порядка 0,6-0,7, и она может быть улучшена при организации более детальных инструментальных наблюдений. Краткосрочный прогноз землетрясений остается недостижимым для применения на практике из-за сложности выявления и контроля глубинных условий подготовки очагов сильных землетрясений на поздней стадии их развития. Произошло осознание того, что с помощью решения задач прогноза нельзя эффективно снизить количество человеческих потерь и губительные экономические и экологические последствия от неизбежных новых сейсмических катастроф.

Следует также признать, что весьма затратные, но далеко не безошибочные используемые методы общего сейсмического районирования (ОСР) и сейсмостойкого строительства не способны существенным образом снизить огромный ущерб от потерь и гибели тысяч жителей от предстоящих сейсмических катастроф. Одна из главных причин подобного состояния - недостаток сведений о скрытых трибофизических и геомеханических параметрах подготовки очагов разрушительных землетрясений. Они зарождаются в интервале 5-30 км глубин земной коры в условиях повышенных температур, давлений и распространенного в земной коре флюидного насыщения, особенно характерного в пределах зон тектонических разломов с крутым падением и повышенной проницаемостью.

В последние два десятилетия, согласно полученным результатам при проведении экспериментальных натурных испытаний на сегментах зон разломов, а также в ходе изучения глубоко денудированных сегментов зон сейсмогенерирующих разломов были получены новые важные результаты. Установлено, что при существующих в недрах земной коры термодинамических условиях и флюидонасыщении разломов, возникновение высокоскоростных косейсмических смещений типа «stick-slip» в разломах при сильных землетрясениях происходило на фоне внезапного снижения сдвигового сопротивления и последующего спонтанного сброса избыточных напряжений с генерацией крупноамплитудных сейсмических импульсов преимущественно в диапазоне 5-15 Гц [Ruzhich, V.V., Savel'eva, V.B., Rasskazov, S.V., Yasnygina, Т.А., Kocharyan, G.G., Ostapchuk, A.A., Travin, A.V., Yudin, D.S.: Determination of the PT conditions that accompanied a seismogenic slip along a deep segment of the marginal suture of the Siberian craton // Doklady Earth Sciences. - Vol. 481 (№2). - 2018. - pp. 1017-1020].

Далее удалось установить, что при проведении закачек в разлом водных растворов в неглубокие вертикальные скважины и применении слабых кумулятивных взрывов или вибровоздействий возникает возможность плавно уменьшить сдвиговое сопротивление в обводненных участках сейсмоактивных разломов. Рассмотренный прием позволил в рамках натурного эксперимента продемонстрировать перевод высокоскоростных смещений в более замедленный режим ускоренной ползучести и таким образом снизить энергию сейсмических импульсов в напряженных средах [Filippov А.Е., Popov V.L, Psakhie S.G., Ruzhich V.V., Shilko E.V. Converting displacement dynamic sintocreepin blockmedia // Technical Physics Letters. - 2006. - Vol. 32. - №6. - pp. 545-549; Псахье С.Г., Попов В.Л., Шилько E.B., Астафуров С.В., Ружич В.В., Смекалин О.П., Борняков С.А. Патент РФ на изобретение №2273035 «Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов», G01V 9/00 (2006.01), дата публикации: 27.03.2006].

Позднее при проведении серии дополнительных натурных экспериментов в участках зон разломов с применением слайдер-моделей для изучения влияния обводнения и различных типов заполнителей (песок, глина, глицерин, графит и др.) на трение в контактах взаимодействующих неровностей на разломе контактов был сделан следующий важный вывод: путем осуществления обводнения и вибрационных воздействий на участки контактного взаимодействия в разломах есть возможность плавно снизить и сдвиговое сопротивление, и скорость скольжения крыльев разломов [Ruzhich V. V., Psakhie S. G., Shilko E. V., Vakhromeev A.G., Levina E.A. On the Possibility of Development of the Technology for Managing Seismotectonic Displacements in Fault Zones // AIP Conference Proceedings. - 2018. - Vol. 2051, Iss. 1. - pp. 020261-1-020261-4. (4p.) USA; https://doi.orq/10.1063/1.5083504; Zoback M.D., Snee J.E.L. Predicted and observed shear on pre-existing faults during hydraulic fracture stimulation. // Publisher: Society of Exploration Geophysicists. SEG Technical Program Expanded Abstracts. - Publication date: 27.08.2018. - pp. 3588-3592. DOI: 10.1190 / segam 2018-2991018.1]. Подчеркнем, что эти воздействия удалось реализовать в зоне частичного водонасыщения горных пород, область воздействия и обводнения которых находилась выше базиса эрозии (уровень оз. Байкал).

Прорабатывая новое, предлагаемое техническое решение по снятию механических напряжений в геологической среде, отметим главные отправные положения:

1. Процессы с гидравлическими воздействиями давлением высоконапорных подземных флюидных систем в трещинных коллекторах земной коры доказаны в природных механизмах деструкции литосферы [Мигурский А.В. Зоны разломов - естественные насосы природных флюидов / А.В. Мигурский, B.C. Старосельцев // Отечественная геология. - 2000. - №1, - С. 56-59.], и в практических разработках человеческой цивилизации (гидроразрыв пласта или ГРП-воздействие) на нефтенасыщенные осадочные породы с целью создания искусственного фильтрационного поля, искусственных трещин для добычи углеводородов (УВ) [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта / П.М. Усачев. - М.: Недра, 1986. - 165 с., с. 87; 1, 2, 3 абз], не только признаны в принципе, но и энергетически наиболее легко реализуемы, высокоэффективны [там же, с. 97; 3 абз. снизу]. Важно также отметить, что эти воздействия через скважину надежно и непрерывно контролируются с земной поверхности, ими легко управлять. Сами воздействия давлением жидкости уверенно разделяются на два вида: а) тестовые, обеспечивающие необходимую информацию о флюидонапорных системах и о напряженном состоянии трещинных резервуаров, т.е. горных пород, фильтрующих флюиды на перепадах давления; 6) собственно проектируемые воздействия давлением жидкости, реализуемые по заранее разработанной Программе.

2. Вторая важнейшая особенность волновых гидравлических воздействий давлением жидкости - техническая возможность плавного доведения давления с выполнением работы требуемой мощности именно в заданном участке массива горных пород на большие глубины (до 6,5 км) через технические устройства, «отсекающие» ствол скважины, и временно перекрывающие локальный участок открытого ствола, вскрывшего обводненную зону конкретного сегмента сейсмоопасного сместителя разломной зоны [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта / П.М. Усачев. - М.: Недра, 1986. - 165 с., с. 99, параграф 6.2]. Давление жидкости гидравлически повышается именно в этом локальном участке в пределах высоконапряженного массива горных пород. Глубина 6-6,5 км по вертикали на сегодняшний день является достижимой в области бурения глубоких скважин.

Таким образом, наиболее эффективное по удельной мощности, величине энергии, приложению сил и по целенаправленному локальному точечному воздействию решение задач по обеспечению сейсмобезопасности целесообразно связывать с осуществлением глубоко проникающих в земную кору техногенных волновых гидравлических воздействий давлением жидкости через напорные флюидные системы, распределенные в трещинных пластах-коллекторах, в разломных зонах. Такие воздействия уверенно по скважине управляются, и контролируются с земной поверхности по сейсмоакустическому и гидравлическому каналам связи. Роль гидравлического канала связи играет глубокая наклонно-направленная скважина, она вскрывает забоем неравномерно обводненную трещинную систему, разломную зону, в которой распределен природный высоконапорный флюид - напорные воды. Скважина может находиться в разных состояниях - открытом, когда флюидная система сообщается с поверхностью земли (скважина может фонтанировать или в ней может установиться уровень жидкости), и закрытом, когда в скважине на устье фиксируется давление, характеризующее природное состояние напорной флюидной системы, и есть возможность точно оценить давление жидкости на стенки фильтрующих трещин.

Известен способ уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива (патент РФ на изобретение №2138638, Е21С 39/00 (1995.01), дата публикации: 27.09.1999) путем гидроразрыва горных пород. Для ликвидации предполагаемого готовящегося очага мелкофокусного слабого землетрясения или горно-тектонического удара, расположенного на глубинах не более 200-220 м, гидроразрыв пласта осуществляют поинтервально в перенапряженных горных породах, в направлении от забоя к устью в одной или группе скважин колонкового ряда, пробуренных с поверхности земли. Недостатком является локальность воздействия методом гидроразрыва пласта на относительно небольшую зону перенапряженных пород, расположенных на небольшой глубине. Однако главный недостаток - проведение ГРП ведет к неуправляемой разрядке напряженной сейсмоопасной зоны, что недопустимо.

Известен способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов (патент РФ на изобретение №2273035, G01V 9/00 (2006.01), дата публикации: 27.03.2006). Согласно этому способу, осуществляют техногенное воздействие на один из выбранных фрагментов. Регистрируют исходные параметры фрагмента разлома, затем осуществляют тестирующее воздействие на фрагмент разлома для оценки исходного уровня тектонических напряжений в нем. Если оно близко к критическому уровню, тогда путем закачек жидкостей в разлом через скважины в сочетании со слабыми взрывами или ударами копра осуществляют инициирование плавных смещений крыльев разлома в режиме ускоренной сдвиговой ползучести, что позволяет осуществлять релаксацию критических деформаций. Недостатки и ограничения способа заключаются в применении безнапорного флюидного режима смачивания и фильтрации флюида (воды) в проницаемой разломной зоне, а именно: в невозможности его исполнения в местах отсутствия выхода разломных зон на земную поверхность, в ограниченности параметров закачек растворов только в приповерхностный уровень зоны разлома через очень неглубокие скважины. Поэтому полученные сведения можно рассматривать как результаты мелкомасштабных натурных экспериментов при отсутствии значительных давлений водонапорных систем в обводненной разломной зоне и существующем перепаде уровней воды, который обеспечивает ее фильтрацию через разломную зону в безнапорном флюидном режиме. Такой режим воздействий весьма далек от реальных гидрогеологических и геомеханических условий, существующих в природных глубоких сегментах сейсмоопасных разломов.

Известен способ защиты района застройки от сейсмического воздействия (авторское свидетельство СССР №1030496, E02D 27/34 (2000.01), дата публикации: 23.07.1983) путем гашения сейсмических колебаний за счет упругих волновых колебаний, излучаемых сейсмическими виброисточниками. Недостатком данного способа является низкая эффективность блокирующих воздействий на источник сейсмической опасности с поверхности земли, малый радиус вибровоздействия. Рассмотрен в целом район воздействия, но не предложено решения по эффективным воздействиям непосредственно в напряженных средах сейсмоопасного сместителя разломной зоны на километровых удалениях от земной поверхности.

Известен способ снятия механических напряжений в геологической среде (патент РФ на изобретение №2050014, G01V 9/00 (1995.01), дата публикации: 10.12.1995) путем пенетрации земной коры с помощью твердых тел большой массой. Недостатком способа является обязательный выход сейсмоопасной зоны разлома на земную поверхность и неуправляемость процесса разрядки напряжений в сейсмоопасном сместителе.

Все приведенные известные способы: по авторскому свидетельству СССР №1030496, по патенту РФ №2050014, направлены в основном на обеспечение сейсмо- и ударобезопасности в глубоких горных выработках. Они ориентированы на лишь энергетически слабые воздействия в приповерхностных слоях земной коры с ограниченными параметрами как по энергетическому уровню, так и по размерам геологических структурных объектов. Глубины бурения скважин колонкового ряда составляют от 100-200 м и вероятно - до 1200 м.

Известен способ снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений (патент РФ на изобретение №2431158, G01V 3/12 (2006.01), G01V 9/00 (2006.01), дата публикации: 10.10.2011), связанный с периодическими вибровоздействиями электромагнитных импульсов на разломы в земной коре. Перспективность этого способа еще остается достаточно сомнительной, так как не доказана эффективность его применения на зоны напряженных сместителей разломов в высоко метаморфизованных и прочных породных массивах различного состава на глубинах 5-15 км и более, где происходит возникновение очагов землетрясений. Также требуются проведение длительных испытаний в других сейсмоопасных регионах.

Известен способ стабилизации грунтового массива в сейсмически опасных районах (патент РФ на изобретение №2140492, E02D 31/08 (1995.01), дата публикации: 27.10.1999) путем закачки жидкости специально подбираемого химического состава в грунтовый массив через сеть скважин. Здесь также рассмотрены скважины колонкового ряда с глубинностью до 500 м, что неприемлемо для ощутимого влияния на глубокие очаги опасных землетрясений.

Известен способ контроля напряженного состояния сейсмичного района (патент РФ на изобретение №2150721, G01V 9/00 (2000.01), дата публикации: 10.06.2000), включающий нагнетание жидкости в водоносные горизонты, залегающие на глубинах около 2 км. В качестве закачиваемой жидкости используют специально подготовленные, то есть отделенные от взвешенной твердой фазы с добавлением ингибиторов коррозии, избыточные рассолы калийного производства и хлоркальциевые сточные воды содового производства. После начала закачки постоянно ведут измерения величины пластового давления и регистрацию подземных толчков, сразу после возбуждения подземных толчков давление на устье скважин постепенно снижают до момента прекращения толчков, затем давление на устье скважин снова повышают до начала толчков и так далее. Существенными недостатком способа является возможность отравления водоносных горизонтов, где ведется забор питьевой воды, широкое распределения воздействия от закачек по площади распространения водоносного горизонта, а также низкая эффективность применения в малоглубинных скважинах, что доказано современными результатами закачек жидкостей в разломы при разработках месторождений углеводородов. Не детализированы режимы закачек жидкости, по сути, это просто дополнительное обводнение водоносного горизонта, изменение его режима. Простое обводнение участков сместителя в пределах высоконапряженной разломной зоны, недостаточно для эффективной разрядки избыточных деформаций и напряжений, особенно в местах жесткого контактирования крупных неровностей при высоком всестороннем давлении, которое трудно преодолеть техническими средствами.

Приведенные способы: по патенту РФ №2140492, по патенту РФ №2150721, связанные лишь с обычным нагнетанием жидкости, имеют общий недостаток, обусловленный локальностью проведения малоэффективных воздействий на сейсмоопасную зону разлома без проведения контролируемых режимных волновых воздействий во время закачки жидкости. При этом периодичность воздействий снятия упругой энергии в напряженных средах не рассмотрена, например, с учетом лунно-солнечных приливов, т.е. в связи с динамикой колебаний гидросферы.

Известен способ разгрузки горного массива от напряжений (авторское свидетельство СССР №1804556, Е21С 39/00 (1990.01), E21D 5/00 (1990.01), дата публикации: 23.03.1993), включающий гидроразрыв пород горного массива. Для реализации способа бурят скважины колонкового ряда, часть которых используют для осуществления гидроразрыва, часть - для проведения вибрационного воздействия. Скважины бурят с учетом направления главного минимального напряжения в массиве. В способе добиваются максимального разрушения массива (за один цикл гидроразрыва), для этого предварительно осуществляют вибрационное воздействие на массив (скелет породы), затем одновременный в нескольких скважинах гидроразрыв, закачку в эти скважины растворов, газа, расклинивающих агентов при одновременном вибровоздействии. Недостатком данного способа, предназначенного для использования в горнопроходческой сфере, является энергетически слабое вибровоздействие, которое имеет весьма ограниченный радиус влияния. По этим условиям он не предназначен для применения по отношению к крупномасштабным геологическим объектам в виде очагов сильных землетрясений, поскольку в способе добиваются максимального разрушения массива (за один цикл гидроразрыва). Использование технологии гидроразрыва в чистом виде под задачу реализации максимального разрушения массива горных пород, напротив, может привести к неконтролируемой спонтанной разрядке очага мощного землетрясения и катастрофическим последствиям.

Из рассмотренных технических решений следует вывод, что идея использования жидкости, как правило, сводится к процессу безнапорного обводнения области высоконапряженного сместителя сейсмоопасной разломной зоны. Большая часть экспериментов в этой области реализована в области выше уровня подземных вод, и положительный эффект обусловлен снижением трения в области сместителя разломной зоны. Привлечение же технологии ГРП просто упоминается как подход, применяется с целью максимальных разрушений напряженного массива горных пород, либо описано без детализации операций, или увязано с вибровоздействиями. Процесс закачек жидкостей разного состава не раскрыт в области режимов и давлений закачки. Авторами не рассмотрено, как учитывается внутреннее строение самой разломной зоны высоконапряженного тектонического сместителя на значительных глубинах при повышенных давлениях, температурах и флюидном насыщении.

В способе контроля напряженного состояния сейсмичного района (по патенту РФ №2150721) с целью снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений нагнетание жидкости ведут круглосуточно, как в периоды растяжения, так и сжатия напряженной среды, обусловленные лунно-солнечными приливами/отливами. Таким образом, природный механизм приливных воздействий, которые проявляются ежесуточно в течение всего развития Земли как планеты, в способе не учтен.

Наиболее близким к заявляемому способу является известный способ (по патенту РФ на изобретение №2289151, G01V 9/00 (2006.01), дата публикации: 10.12.2006) снижения избыточного уровня упругой энергии и предотвращения землетрясений, который принят авторами за прототип. Этот способ отличается именно детализацией режимов воздействия, он базируется на идее длиннопериодных воздействий, и эти периоды логично увязаны с слабыми волновыми процессами лунно-солнечных приливов/отливов. Он включает выделение местоположения напряженных сред, нагнетание в них жидкости через скважины в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных породных массивов, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительное вибровоздействие до, во время и после нагнетания жидкости в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, и суждение по величине этих деформаций о величине снятой упругой энергии в напряженных средах. Недостатком данного способа являются то, что использование в качестве вибратора агрегатов ГЭС реально только там, где эти ГЭС построены. Еще один недостаток - очень малозначительная энергетическая эффективность лунно-солнечных волновых длиннопериодных приливов, распределенных на огромной площади литосферы, которые не способны оказывать значимое воздействие слабыми (менее 0,1 МПа) колебаниями давления гидросферы на выбранные узко локализованные высоконапряженные сегменты разломов. В прототипе рассмотрены периоды минимальных и максимальных напряженных состояний литосферы Земли, но не описано и не использовано в формуле и в техническом решении главное, что следует из природного приливно-отливного процесса - явления длиннопериодных волновых колебаний гидросферы Земли и волнового воздействия медленных изменений давления водонапорных систем на трещинные массивы горных пород через давление водонапорной системы - т.е. жидкости (подземных вод), распределенной в пустотном пространстве литосферы, в том числе в трещинных коллекторах разломных зон. Между тем, многие исследователи придают этому процессу важное значение в процессах деструкции литосферы, в т.ч. в процессах развития шарьяжно-надвиговых поясов в осадочном чехле планеты [Старосельцев B.C. Актуальные проблемы тектоники нефтегазоперспективных регионов / Новосибирск: Наука, 2008, с. 103 - раздел 6; с. 191, 3 абз.]. Весьма перспективным следует считать привлечение, использование выявленного механизма длиннопериодных волновых воздействий на участки разломов для снятия упругой энергии в критически напряженных средах (которая является источником сейсмической энергии) посредством управляемого активного физического воздействия на напряженные среды с учетом лунно-солнечных приливов через гидравлический подход, через плавное повышение и такой же плавный сброс давления жидкости в высоконапорных природных системах. Отсюда с учетом опыта успешного применения рассмотренного выше гидравлического домкрата, обосновывается возможность применения с высокой эффективностью технологии повышения давления жидкости на породные массивы через глубокие скважины в пределах обособленного сегмента разломной зоны и возможности управления достигаемых рабочих давлений жидкости в скважине в большом диапазоне значений, сопоставимых с параметрами горного давления на определенной глубине, причем в локальном интервале массива горных пород в конкретном сегменте разломной зоны, которое обеспечивается гидравлическим механизмом раскрытия сомкнутых природных трещин давлением жидкости, происходящим, как правило, в направлении наименьших напряжений. При этом важно учитывать рассмотренную в прототипе природную периодичность воздействий приливного механизма на литосферу, т.е. суточный 24-часовой цикл полного оборота планеты, и по аналогии с прототипом логично предположить, что сам рабочий период повышения давления флюидной системы в сегменте разломной зоны через скважину должен происходить в периоды растяжения напряженных сред, а разрядки - в периоды их сжатия.

Авторами предлагаемого изобретения учтен накопленный опыт в нефтегазовой отрасли для проектирования и реализации высокоточного наклонно-направленного бурения [Савосин Д., Бахтина О. Березовый лист. Роснефть пробурила 15-ти забойную горизонтальную скважину // ИА Neftegaz.RU. Якутск, 22 янв. 2020 г. https://neftegaz.ru/news/drill/520323-berezovyy-list-rosneft-proburila-15-ti-zaboynuyu-gorizontalnuyu-skvazhinu/], как для целенаправленного вскрытия наклонно-направленным бурением локальных сегментов высоконапряженных разломных зон, их экспрессного тестирования, так и последующего управляемого волнового воздействия на массивы горных пород давлением закачиваемой через скважину жидкости в сегмент разлома, поскольку процесс закачки и явления «отклика» в скважине высокоточно контролируются с поверхности земли.

Возвращаясь к прототипу, отметим, что в приведенном в описании прототипа примере осуществления способа использование уже имеющихся скважин, расположенных на местности, где подтверждена повышенная сейсмичность, для обводнения и нагнетания жидкости приводит к распределению под давлением жидкости в целевом интервале глубин, снижая эффективное горное давление на стенки разломной зоны, что с позиций применения достижений трибологии облегчает осуществление безопасной разрядки напряжений [Псахье С.Г., Попов В.Л., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Ружич В.В., Смекалин О.П., Борняков С.А. Патент РФ на изобретение №2273035 «Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов», стр. 2-7, 2006]. Но мы видим серьезный недостаток прототипа в том, что авторами предполагается использование уже пробуренных скважин. Это нельзя признать оправданным по отношению к заблаговременно не выясненному структурному распределению напряжений в объеме горных пород, окружающих зону разлома. Необходимо осознанное с точки зрения геомеханики бурение, направленное в узловые области напряженного сместителя зоны разлома в интервале глубин порядка 6-6,5 км от земной поверхности. Это позволит выполнить целенаправленное воздействие плавными волновыми воздействиями давлением жидкости в сегмент для снятия упругой энергии в напряженных средах, с учетом периодичности лунно-солнечных приливов.

Таким образом, общий анализ рассмотренных выше подходов показывает их ограниченность, особенно явную для тех случаев, когда информация для разработки способов разрядки высоконапряженных сред была получена при проведении испытаний в основном через скважины колонкового ряда и горные выработки, то есть воздействия осуществлялись на приповерхностные сегменты разломов. С некоторой долей условности техногенные воздействия могут осуществляться в виде колебательных вибрационных воздействий на скелет горной породы импульсными волновыми сейсмическими (акустическая волна), электромагнитными, энергия которых явно недостаточна. Подобные способы малоэффективны в высокопрочных метаморфизованных породных массивах земной коры континентов на глубинах 6-6,5 км и более, где располагается сейсмофокальный горизонт, и характеризуются небольшим радиусом влияния, не превышающим первые сотни метров (в прототипе до 2 км).

При разработках месторождений углеводородов, особенно в сланцевых толщах, традиционно применяются гидравлические воздействия предельно высоким давлением жидкости на горные породы через скважины с применением эффекта гидроразрыва пласта, то есть «ГРП-воздействия». Общеизвестно, что ГРП и масштабные закачки могут способствовать активизации сейсмических процессов. В рамках рассматриваемого нами подхода применение ГРП не предусматривается, поскольку закачки осуществляются в пределах трещинно-поровых зон уже существующих разломов с соблюдением разработанных оптимальных режимов.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности снятия упругой энергии в напряженных средах, являющейся источником сейсмической энергии в напряженных средах, для предотвращения землетрясений.

Техническим результатом является предотвращение сильных и катастрофических землетрясений путем подтвержденного деформационными и сейсмологическими измерениями плавного снижения накопленных избыточных деформаций и сейсмотектонической энергии недр поэтапно в отдельных сегментах магистрального сейсмоопасного разлома до безопасного фонового уровня. Таким способом осуществляется достижение релаксационного эффекта на временные интервалы длительностью во многие десятки - сотни лет и более.

Сущность изобретения: осуществляется бурение глубоких многозабойных скважин в секторы (сегменты) магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости для проведения управляемых медленных волновых гидравлических воздействий давлением жидкости в точно спроектированном диапазоне значений, инициирующих плавные смещения крыльев разлома в режиме ускоренной сдвиговой ползучести.

Технический результат достигается предлагаемым способом снижения избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов, включающим выделение местоположения напряженных сред, нагнетание жидкости через сеть скважин в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости проведение вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение с помощью датчиков горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, причем по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах, отличающимся тем, что детализируют тектонофизическое строение области, где произойдет разрядка напряженных сред, в качестве напряженных сред выделяют разломную зону магистрального сейсмоопасного сместителя, в ее пределах выявляют отдельные сегменты магистрального сместителя, на основании этих данных проектируют и бурят наклонно-направленные скважины нефтяного ряда на достижимые глубины по вертикали до 6-6,5 км, сначала пилотный ствол, в котором определяют параметры разломной зоны и устанавливают сейсмодатчики, далее ведут бурение второй скважины по многозабойной конструкции с горизонтальным окончанием каждого бокового ствола, пересекающего самостоятельный сегмент магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости, при этом крепление основного ствола скважины до начала отхода первого бокового ствола в ненарушенном массиве горных пород производят эксплуатационной колонной, далее бурят боковые горизонтальные стволы, причем после окончания бурения первого бокового ствола выполняют цикл тестирования данного сегмента методом теста «на утечку», с определением природных значений параметров -давлений и температуры водонапорной системы обводненной разломной зоны в сегменте и давления начала поглощения, для чего в первый боковой горизонтальный ствол спускают лифтовые трубы с двумя пакерами и многоразовую муфту гидроразрыва пласта между ними, изолируют пакерами участок бокового открытого ствола скважины и выполняют тестирование, затем тестирование повторяют в каждом следующем боковом стволе от ствола к стволу в соответствующем сегменте, по мере бурения каждого, далее выполняют заканчивание скважины спуском в основной горизонтальный ствол потайной колонны - фильтр-хвостовика с окнами против каждого входа в боковой ствол и с пакерами, разобщающими эти входные отверстия, расположенными между боковыми стволами с целью перекрытия вскрытых горизонтальным бурением отдельных сегментов сейсмоопасной зоны магистральной трещиноватости, дальнейший цикл плавных волновых гидравлических воздействий на водонапорную систему обводненной зоны дробления выполняют, отсекая гидромеханическими пакерами в основном горизонтальном стволе рабочий интервал воздействий, причем плавное воздействие жидкостью на сегменты сейсмоопасного сместителя через боковые горизонтальные стволы скважины ведут последовательно в каждом боковом стволе (от сегмента к сегменту), волновым методом переменных давлений в низкочастотном режиме в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, с плавным увеличением давления закачки до 70 МПа к величине начального, природного пластового давления водонапорной системы, но не более величины давления утечки, инициируя плавные смещения крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести, при этом низкочастотный режим подразумевает увеличение давления на уровне бокового горизонтального ствола в течение 3-12 часов, остановку и фиксацию давления от 3 часов до 3 и более суток с подкачкой давления до значения не более, чем на 10% превышающего достигнутое в первом цикле (3-12 часов), после чего в интервалы времени, соответствующие сжатию напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, выполняют равномерный плавный сброс давления за 6-12 часов до значения исходного, пластового давления водонапорной системы разломной зоны в сегменте, где 6-12 часов -период времени, кратный солнечно-лунному циклу, т.е. 1/2, 1/3, 1/4 от периода, далее операцию повторяют до достижения проектируемого уровня напряженно-деформированного состояния и амплитуд смещений в сегменте, который подтверждают через запись в пилотном стволе с установленными в нем сейсмодатчиками и на поверхности земли, причем смещения устанавливают путем измерений в режиме реального времени достигнутого снижения уровня сейсмической активности напряженных сред и суммарных амплитуд индуцированных замедленных смещений в ядре сегмента сместителя разлома, далее после цикла волновых воздействий в призабойную зону участка каждого бокового горизонтального ствола, вскрывшего сегмент разломной зоны, изолированную двумя пакерами, закачивают агент размером фракции 0,1-0,2 мм, снижающий трение, после чего участок сместителя, на котором волновые гидравлические воздействия отработаны до получения эффекта, консервируется вязкой жидкостью, которая гасит сейсмические колебания, причем в нем выполняют размещение сейсмодатчиков после проведения волновых воздействий давлением для текущего и долговременного контроля глубинной сейсмической активности сегмента разломной зоны.

Ограничение устьевого давления 70 МПа связано с техническими возможностями серийного оборудования, например АН-700 (агрегат насосный, 700 атм.). Ограничение воздействия не более чем на 10% от начального давления связано с недопущением гидроразрыва пород и является параметром, полученным опытным путем.

Подготовленная по изложенному алгоритму скважина или группа глубоких многозабойных скважин с боковыми стволами даст возможность неоднократного проведения волновых гидравлических воздействий любой длительности (от первых суток до нескольких лет) на отдельные сегменты магистрального сместителя напряженной разломной зоны с целью управляемой разрядки накопленной энергии недр. Цель воздействий - релаксационная разгрузка выявленных потенциально сейсмоактивных сегментов разломов, позволяющая в безопасном режиме умеренно ускоренного скольжения снизить на длительный срок (десятки-сотни лет) избыточный уровень упругой энергии до безопасного уровня.

Примеры испытаний в течение прошедших 10-15 лет по новым технологиям добычи углеводородов, нефти с помощью искусственного формирования систем активной трещиноватости, показали, что ГРП как технология управляемого гидравлического повышения давления через глубокие скважины способна оказывать энергетически мощное, целевое (локально в сегменте) и тонко управляемое (по величине давления жидкости на уровне сегмента) воздействие на локальные участки массива горных пород в скважинах, а следовательно - на различные по внутреннему строению глубинные сегменты зон сейсмоактивных разломов, в которых формируются очаги землетрясений (Mighani, S., D. A. Lockner, В. D. Kilgore, F. Sheibani, В. Evans. Interaction between hydraulic fracture and a preexisting fracture under triaxial stress conditions // Publisher: Society of Petroleum Engineers. SPE Hydraulic Fracturing Technology Conference and Exhibition. - Publication date: 23.08.2018. - SPE-189901-MS, DOI: 10,2118 / 189901-MS; Frohlich C. Two-year survey comparing earthquake activity and injection-well locations in Barnett Shale, Texas // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2012. - 109 (35). - pp. 13934-13938.; Rutqvist J., Rinaldi A.P., Cappa F., Moridis G.J. Modeling of fault activation and seismicity by injection directly into a fault zone associated with hydraulic fracturing of shale-gas reservoirs. //Journal of Petroleum Science and Engineering. - Vol. 127, March 2015. - pp. 377-386. https://doi.org/10.1016/j.petro 1.2015.01.019; Zang A., Oye V., Jousset P., Deichmann N., Gritto R., McGarr A., Majer E., Bruhn D. Analysis of induced seismicity in geothermal reservoirs - an overview // Geothermics. - 2014. - Vol. 52, October 2014. - pp. 6-21. https://doi.org/10.1016/j.geothermics.2014.06.005.996; Lei, X., S. Ma, W. Chen, C. Pang, J. Zeng, B. Jiang. A detailed view of the injection-induced seismicity in a natural gas reservoir in Zigong, southwestern Sichuan Basin, China // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. - 2013. - 118 (8). - pp. 4296-4311. doi:10.1002/jgrb.50310).

Диапазон значений технически достижимого давления жидкости на насосе (на поверхности земли) при волновом гидравлическом воздействии через скважину может достигать 100 и более МПа на локальный участок для достижимой для бурения глубины до 10000 м. Применение для целей создания максимальных значений забойного давления тяжелых жидкостей с плотностью 1,60-1,85 г/см³ и более позволяет на практике удвоить реальное значение забойного давления в скважине, и в скважине оно может превысить к забойному около 200 МПа (с устья). Эта величина (+200 МПа) означает максимально достижимую амплитуду управляемых колебаний забойного давления в скважине (на практике глубины по вертикали до 6-6,5 км) и эти колебания начинаются с величины пластового (обычно близкого к гидростатическому) давления (Р_гидр) флюидных систем, вскрытых забоем скважины.

Например, для забоя 3000 м по вертикали Р_гидр на технической воде плотностью 1,0 г/см³ составит порядка 30 МПа, и амплитуда колебаний до+100 (до 200) МПа. Но самое главное отличие волнового гидравлического воздействия давлением жидкости на трещинные, трещинно-жильные водонапорные системы обводненных разломных зон в массиве горных пород в том, что оно может применяться в режиме контролируемых, относительно медленных по скорости закачек и медленных сбросов давления прямо в сегменте разломной зоны, т.е. в безопасных режимах, которые не достигают значения ГРП, а реализуются в интервале от пластового давления водонапорной системы до значения «давления утечки». Технически это обеспечивает реальную практическую возможность плавного низкочастотного волнового воздействия давлением жидкости через рабочее пространство глубокой скважины в указанном диапазоне, и с научно обоснованной (и экспериментально выбранной/подобранной) длиной волны на локальный или протяженный обводненный участок разломной зоны на этих же глубинах, на стенки высоконапряженного сместителя разломной зоны.

Тиражируемая сегодня в развитых странах технология ГРП для добычи сланцевой нефти предполагает в основной своей массе выполняемые операции по быстрым, т.е. с высоким расходом, большеобъемным закачкам жидкостей в скважины, т.е. осуществляются преимущественно высокоскоростные и высокоэнергетические воздействия (выше значения горного давления на глубине ГРП-процесса на определенные участки породных массивов). Конечная цель таких воздействий - создание искусственной трещины для получения притока нефти, которую сразу обязательно закрепляют проппантом, чтобы исключить обратное сжатие, «схлопывание» стенок такой трещины. В таких условиях высоконапряженные породные массивы не успевают релаксировать, это нередко приводит к спонтанным выделениям избыточной упругой энергии недр в виде индуцированных землетрясений, в редких случаях достигающих магнитуд порядка 4,5-5,5, что вызывает негативную реакцию органов технического контроля и местных жителей (Keranen K.М., Weingarten М., Abers G.A., Bekins В.А., Ge S. Sharp increase in central Oklahoma seismicity since 2008 induced by massive wastewater injection // Science. - 25 Jul 2014. - Vol. 345, Issue 6195. - pp. 448-451; Rubinstein J.L, Mahani A.B. Myths and facts on wastewater injection, hydraulic fracturing, enhanced oil recovery, and induced seismicity // Seismological Research Letters. - 2015. - Vol. 86, Issue 4. - pp. 1060-1067, и др.).

К настоящему времени наработан значительный международный опыт ГРП для добычи нефти и газа. Рассмотрение этого опыта применительно к решаемой задаче волнового гидравлического воздействия давлением жидкости на зоны тектонических сместителей, на трещинные системы, которые можно отнести к зонам подобия геолого-тектонических условий природного и искусственно проведенного ГРП позволяют утверждать, что:

- искусственная трещина ГРП «вспарывает», рвет массив горных пород под углами к естественной трещиноватости и учитывает анизотропию напряжений горного массива, но не естественную трещиноватость;

- задача реализации раскрытия давлением (жидкости) существующих в массиве природных трещинных систем, и их закрепления (проппантом, лубрикантом, просто шламом (разбуренной горной породой) определенной фракции для обеспечения стабильных устойчивых значений проницаемости решается на основе тестирования «на утечку» («Leak-off test») гидравлическими воздействиями на трещиноватый массив в конкретном выбранном сегменте через глубокую скважину, обсаженные стенки которой предварительно опрессованы, и позволяют обеспечить заданный проектом диапазон колебаний давлений гидравлического воздействия (давления утечки, т.е. начала открытия естественных трещин, это не ГРП в чистом виде!);

распространение искусственной трещины ГРП (как правило, субвертикальной) ограничено по высоте от уровня входа в массив горной породы слоями с разной реологией (слоистый разрез), и имеет эффективную область (эффективный радиус) около 4-6 радиусов скважины [С.В. Малышев. Разработка технологии гидроразрыва пласта в газовых скважинах. Автореферат дисс. кандидата наук. - М.: 2009. с. 9]. Для естественных трещин этот параметр не изучен, однако разломная зона в массиве горных пород является ослабленной областью массива с одной стороны, и областью концентрации напряжений на ее дистальных окончаниях - с другой.

Физический процесс трещинообразования описывается единой кривой роста напряжений, стабилизации и падения, при котором формируется магистральный разрыв. Механический, гидравлический механизмы воздействий [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта, 1986, 165 с., с. 87 - рис. 18, 19; параграф 6.2] позволяют успешно достигать управляемой плавной разгрузки напряженного массива горных пород через последовательную «разгрузку» напряженных сегментов разломов. Подчеркнем, что гидравлический механизм с медленными волновыми воздействиями давлением жидкости на отдельные сегменты зоны дробления, сместителя энергетически более выгоден. Важное значение также имеет применение триботехнических наполнителей - снижающих трение агентов, закачка которых реализуется через гидравлический канал (скважина) в обводненную зону трещиноватости выбранного сегмента сейсмоопасной разломной зоны. Контролируется изменение давления закачки жидкости от величины пластового давления водонапорной системы обводненного разлома до величины давления утечки (начала открытия естественных трещин сегмента).

Предлагаемая технология реализуется не по механизму быстрого, высокоскоростного ГРП, т.е. гидравлического разрыва пласта, либо массива горных пород давлением жидкости, а по механизму поэтапного (последовательного от сегмента к сегменту) плавного управляемого (гидравлического же) приоткрытия естественных фильтрующих трещин давлением нагнетаемой через скважину жидкости, и последующего плавного воздействия волновыми колебаниями давления флюидной системы низкой частоты (период полуволны 3-12 часов синхронно полуволне солнечно-лунных приливов) на величину до 70 МПа, но не более значения давления утечки через обводненную разломную зону на напряженные среды, т.е. массив горных пород, которое происходит через естественную фильтрационную среду водопроводящих (обводненных) разломов. Одновременное вибровоздействие на скелет горных пород, которое проводят в боковом стволе скважины непосредственно в сегменте высоконапряженной разломной зоны (возможно производить с помощью осциллятора, устанавливаемого в бурильную колонну труб) обеспечивает плавную разрядку крыльев сместителя разлома.

В предлагаемом способе объектом воздействия (тестового, триботехнического, плавного волнового) является локальный сегмент зоны сейсмоактивного разлома в высоконапряженном массиве горных пород. Предлагаемый способ безопасного плавного управляемого снижения избыточного объема упругой энергии напряженных сред, соизмеримой с огромными объемами очагов сильных землетрясений, линейная протяженность которых может достигать многих десятков - первых сотен километров, основан на полученных геологических сведениях об условиях возникновения очагов землетрясений на гипоцентральных глубинах земной коры от 5-7 до 25-30 км (Valery V. Ruzhich, Sergey G. Psakhie, Elena A. Levina, Evgenv V. Shilko and Alexandr S. Grigoriev. Use of controlled dynamic impacts on hierarchically structured seismically hazardous faults for seismically safe relaxation of shear stresses // Proceedings of the International Conference on Advanced Materials with Hierarchical Structure for New Technologies and Reliable Structures 2017, AMHS 2017. Publisher: American Institute of Physics Inc. - 2017. - Vol. 1909. - 020184; https://doi.Org/10.1063/1.5013865), а также на опыте многолетнего проведения крупномасштабных натурных испытаний с воздействиями в сегментах зон сейсмогенерирующих разломов на геодинамических полигонах в Прибайкалье, Монголии, в том числе и на результатах численного моделирования режимов движений в зонах разломов (Псахье С.Г., Попов В.Л., Шилько Е.В., Астафуров С.В., Ружич В.В., Смекалин О.П., Борняков С.А. Патент РФ на изобретение №2273035 «Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов», 2006; стр. 1,; Filippov А.Е., Popov V.L, Psakhie S.G., Ruzhich V.V., Shilko E.V. Converting displacement dynamics into creep in block media // Technical Physics Letters. - 2006. - Vol. 32. - №6. - pp. 545-549; Филиппов A.Э., Попов В.Л., Псахье С.Г., Ружич В.В., Шилько Е.В. О возможности перевода динамики смещений в блочных средах в режим ползучести // Письма в ЖТФ. - 2006. - Т. 32. - Вып. 12. - С. 77-86; S.G. Psakhie, V.V. Ruzhich, E.V. Shilko, V.L. Popov, S.V. Astafurov // A new way to manage displacement sin zones of active faults // Tribology International. - 2007. - Vol. 40. - №6. - pp. 995-1003. doi:10.1016/j.triboint. 2006.02.021).

Исследованиями выяснен следующий механизм подготовки финальной стадии землетрясения, возникающего в виде высокоскоростной косейсмической подвижки (1-10 м/с) и с амплитудами смещений в десятки сантиметров - первые метры, вследствие чего в геологической среде генерируются сейсмические волновые колебания с разрушительными частотами порядка 1-10 Гц. Первичный источник сейсмического излучения зарождается в местах быстрого косейсмического скольжения берегов разломов на сейсмофокальных глубинах 5-10 км и более [Ружич В.В., Кочарян Г.Г., Савельева В.В., Травин А.В. О формировании очагов землетрясений в разломах на приповерхностном и глубинном уровне земной коры. Часть II. Глубинный уровень // Геодинамика и тектонофизика. - 2018. - Т. 9 (3). - С. 1039-1061. doi:10.5800/GT-2018-9-3-0383; Ружич В.В., Кочарян Г.Г., Травин А.В., Савельева В.Б., Остапчук А.А., Рассказов С.В., Ясныгина Т.А., Юдин Д.С. Определение РТ- условий при формировании сейсмогенных подвижек по глубинному сегменту краевого шва Сибирского кратона // Доклады Академии наук. - 2018. - Т. 481, №4. - С. 434-437. doi.org/10.1063/1.5013865].

Одной из главных возможных причин возникновения высокоскоростной сдвиговой подвижки служит проникновение высоконапорных глубинных флюидов в места контактного взаимодействия, что нередко происходит в соответствии с возникающими явлениями природных гидроразрывов [Мигурский А.В. Зоны разломов - естественные насосы природных флюидов / А.В. Мигурский, B.C. Старосельцев // Отечественная геология. - 2000. - №1. - С. 56-59]. При таком механизме реализуются два распространенных эффекта: расклинивающее влияние высоконапорного флюида, действующего разрушительно на проницаемый (анизотропный по прочностным свойствам) скелет горной породы и на раздвигание шероховатых стенок разлома, при котором быстро снижается коэффициент трения и соответственно сдвиговое сопротивление. Подобные эффекты детально изучены в работах по трибологии [Берштейн В.А. Механогидролитические процессы и прочность твердых тел. - Л.: Наука, 1989. - 219 с.; Попов В.Л. Механика контактных взаимодействий и физика трения. От нанотрибологии до динамики землетрясений. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 352 с.], и выявлены при проведении натурных физических экспериментов [Кочарян Г.Г. Геомеханика разломов. - М. ГЕОС, 2017. - 432 с.; Сибиряков Е.Б. Структура порового пространства и расклинивающее давление в зернистой среде /Е.Б. Сибиряков, Б.П. Сибиряков // Физическая мезомеханика. - 2010. - Т. 13, Спец. выпуск. - С. 40-43].

Предлагаемый способ позволит в замедленном режиме скольжения снизить уровень накопленных избыточных упругих деформаций последовательно в каждом отдельном секторе магистрального разлома путем инициации ускоренных малоамплитудных смещений до фоновых значений. Подобные операции необходимо проводить циклически через рассчитанные временные интервалы в рассредоточенных сегментах зоны опасного разлома с «on-line»-контролем деформационных и сейсмометрических откликов на воздействие. Эффективные плавные импульсные волновые колебания давления жидкости, заполняющей трещинно-поровое пространство зоны дробления горных пород разлома, т.е. волновые гидравлические воздействия переменными давлениями и вибровоздействия могут осуществляться последовательно, или одновременно через пробуренные глубокие скважины нефтяного ряда, с глубинами по вертикали до 6-6,5 км, с отходами от вертикали до 3-5 км и с многозабойным исполнением, где каждый боковой ствол целенаправленно вскрывает определенный участок, сегмент - сектор зоны тектонического сместителя, с последующим применением импульсно-волновой технологии с передачей плавных волновых колебаний давлений по скважине по гидравлическому каналу связи с областью воздействия. Такие технологии используются для повышения дебита нефтяных скважин [Проблемы и перспективы волновой технологии многофазных систем в нефтяной и газовой промышленности. Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский, В.Е. Андреев, Ю.А. Котенев. - СПб.: ООО «Недра», 2008. - 214 с., с. 8, абз. 2-5; с. 45, параграф 3.2]. Осуществление замедленного высвобождения избыточной упругой энергии, накопленной в породном массиве, следует контролировать по снижению интенсивности упругого отклика до безопасного среднего уровня напряженно-деформированного состояния [Астафуров С.В., Шилько Е.В., Ружич В.В., Псахье С.Г. Исследование влияния локального напряженного состояния на отклик границ раздела блоков в геологических средах при динамических воздействиях // Геология и геофизика. - 2008. - Т. 49, №1. - с. 67-77]. Важно также иметь возможность менять состав растворов, их вязкость, что позволяет плавно изменять сдвиговое сопротивление в конкретном сегменте.

Еще одним несомненным достоинством предлагаемого изобретения является контролируемое применение плавного волнового режима закачек жидкости в отдельные сегмента разломы с вариациями по длительности, амплитудам давлений и применением остановок. Таким путем достигается режим замедленного скольжения и релаксации избыточных напряжений в трещинно-поровом пространстве породных массивов.

Согласно представлениям авторов данного изобретения, в пределах потенциально опасных сегментов разломов путем указанных мероприятий есть возможность учитывать геомеханические закономерности деформирования, повреждения и разрушения земной коры. В ее трещинно-поровом пустотном пространстве изначально распределена, и находится под давлением разветвленная флюидная (водонапорная) система, которая влияет на кардинальные изменения модуля сдвига в разломах, соответственно, на режимы смещений в зонах разломов [Вахромеев А.Г., Иванишин В.М., Сверкунов С.А., Поляков В.Н., Разяпов Р.К. Глубокая скважина как стенд гидравлических «on-line» исследований напряженного состояния горного массива флюидонасыщенных трещинных коллекторов.// Геодинамика и тектонофизика. - 2019. - Том 10, №3. - с. 761 -778, https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-3-0440, с. 3, столбец 1, стр. 19; Сибиряков Е.Б. Структура порового пространства и расклинивающее давление в зернистой среде / Е.Б. Сибиряков, Б.П. Сибиряков // Физическая мезомеханика. - 2010. - Т. 13, Спец. выпуск. - с. 40-43]. Зачастую значительные перепады геомеханических свойств насыщенной флюидами геологической среды, хотя бы по одному параметру, приводят к различным режимам геодинамического поведения массивов горных пород и режимам подготовки землетрясений. Знание напряженного состояния и ключевых параметров структуры трещинно-порового пространства открывает возможности для управляемой инициации параметров сдвигового сопротивления, скорости скольжения берегов разломов и генерации волновых упругих колебаний сейсмического диапазона. Эти манипуляции позволяют добиться не спонтанного, а именно управляемого замедленного, т.е. низкоскоростного скольжения и плавного снижения избыточной упругой энергии. Таким образом, путем управляемых, контролируемых закачек под давлением растворов через глубокие скважины в определенном режиме в отдельные сегменты разломной зоны исключается спонтанное выделение крупноамплитудных сейсмических колебаний. Важно заметить, что в таких условиях избыточная накопленная за сотни-тысячи лет эндогенная упругая энергия не остается и не перераспределяется в земной коре, она расходуется за счет процессов релаксационного разуплотнения кристаллических горных пород, разрушения породных массивов, фрикционного разогрева горных пород в плоскости скольжения.

Согласно [Проблемы и перспективы волновой технологии многофазных систем в нефтяной и газовой промышленности/ Р.Ф. Ганиев, Л.Е. Украинский, В.Е. Андреев, Ю.А. Котенев. - СПб.: ООО «Недра», 2008. - 214 с., с. 18, абз. 3] волновые гидравлические воздействия имеют существенные отличия от механических вибрационных. Объектом вибрационных воздействий является горная порода, т.е. каркас трещинного коллектора разломной зоны. Гидравлические длиннопериодные колебания давления флюида-жидкости оказывают более эффективное влияние на напряженный массив горных пород через флюидную систему, которая распределена в пустотном пространстве проницаемого трещинного коллектора, и передает низкочастотные волновые изменения давления флюидной системы в трещинах на много большие расстояния, что позволяет существенно увеличить радиус влияния по сравнению с вибрационным воздействием. Радиус влияния волнового воздействия давления здесь крайне важен, так как по предлагаемой в заявляемом способе технологии напряжение горного массива, от сегмента к сегменту плавно и поэтапно снимается с очень большой протяженной области напряженного магистрального сместителя, достигающего в длину десятки километров. Воздействие плавными волновыми колебаниями давления жидкости через скважинный гидравлический канал на природную жидкость в зоне сместителя передается на все взаимосвязанные элементы системы, и главное - на каркас коллектора - стенки трещин [Вахромеев А.Г., Иванишин В.М., Сверкунов С.А., Поляков В.Н., Разяпов Р.К. Глубокая скважина как стенд гидравлических «on-line» исследований напряженного состояния горного массива флюидонасыщенных трещинных коллекторов. // Геодинамика и тектонофизика. - 2019. - Том 10, №3. - с. 761-778. https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-3-0440, с. 4, столбец 2, абз. 1, 2, 3; Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта / П.М. Усачев. - М.: Недра, 1986. - 165 с., с. 25, абз. 5; с. 87, абз. 1; Кашников Ю.А. Гидродинамическое моделирование первоочередного участка разработки Юрубчено-Тохомского месторождения с учетом геомеханического эффекта смыкания трещин / Ю.А. Кашников, С.В. Гладышев, Р.К. Разяпов // Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений. - 2011. - №4. - С. 104-107, с. 3, абз. 2, 3, 4 и рис. 2]. При этом медленные переменные волновые колебания давления жидкости на стенки замкнутых трещинных систем - секторов магистрального разлома происходят равномерно во всех направлениях, и в итоге после волнового воздействия на отдельные его сегменты обеспечивают эффективную поэтапную разгрузку напряжений в большем объеме породного массива.

Практика глубокого и сверхглубокого бурения как в России, так и в мире показала, что зоны разломов (а для них характерно разуплотнение горных пород и пустотного пространства трещинного типа), как правило, заполнены флюидами -водными растворами разной минерализации, иногда углеводородными системами [Катаев В.Н. Теория и методология структурно-тектонического анализа в карстоведении. Автореферат дисс. на соиск. уч. степени доктора геол.-мин. Наук. - Пермь, 1999. - 37 с. - с. 16, п. 1.4.1, абз. 3; с. 17, рис. 1]. Флюиды в земной коре находятся под давлением (параметр пластового давления флюидной системы - Р_пл), которое может на практике быть и аномально-низким по отношению к гидростатическому (АНПД), и нормальным, и аномально-высоким, сверхгидростатическим [Аварийные ситуации в бурении на нефть и газ // Заливин В.Г., Вахромеев А.Г. - Учебное пособие. - М: Изд-во Инфра-Инженерия, 2018 - 508 с., с. 14, раздел 1.2]. Поэтому крайне важно предварительное проведение через скважину тестовых гидродинамических исследований (тест «на утечку», или «Leak-off test»), которые характеризуют барические параметры (пластовое давление) именно флюидной системы, распределенной в трещинной фильтрационной системе зоны влияния магистрального разлома [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта / П.М. Усачев. - М.: Недра, 1986. - 165 с. - с. 119, абз. 5]. На примере нефтегазоконденсатного месторождения-гиганта, где залежи нефти разведаны в древних (возраст более 1 млрд. лет) карбонатных трещинных резервуарах верхнего протерозоя показано [Вахромеев А.Г., Иванишин В.М., Сверкунов С.А., Поляков В.Н., Разяпов Р.К. Глубокая скважина как стенд гидравлических «оп-line» исследований напряженного состояния горного массива флюидонасыщенных трещинных коллекторов.//Геодинамика и тектонофизика. - 2019. - Том 10, №3. - с. 761-778, https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-3-0440. с. 6, столбец 2, абз. 4], что эти данные служат научной основой оценки реального соотношения субгоризонтальной составляющей горного давления на стенки субвертикальной трещинной системы и пластового давления флюидной системы, распределенной в пустотном пространстве пор и трещин.

Существующая практика разработки месторождений УВ, как правило, предполагает проектирование процесса гидравлического воздействия на трещинную систему, что в общем виде требует проведения опережающего изучения через скважину следующих параметров: пластового давления водонапорной системы, давления начала раскрытия естественных трещин (давления утечки) методом плавного повышения давления насосными агрегатами, которое передается на массив горных пород жидкостью - столбом бурового раствора или технической воды. Далее воздействие реализуют через рабочее пространство скважины (бурильные либо насосно-компрессорные трубы) в призабойную зону скважины на пластовую флюидную систему (подземные напорные воды обводненного разлома) [Семинский К.Ж., Гладков А.С., Лунина О.В., Тугарина М.А. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Прикладной аспект. - Новосибирск.: Изд-во СО РАН, Филиал «ГЕО», 2005. - 293 с. - с. 78, 1 абз снизу; с. 80, абз. 4 - с. 82, абз. 1-3], распределенную в замкнутом объеме сегментов трещинного природного резервуара потенциально сейсмоопасной зоны дробления, изолируя пакером в боковом стволе скважины конкретный интервал сегмента исследования. Такие исходные данные о давлении подземных напорных вод (пластовое давление, давление утечки) получают непосредственно в скважине («Leak-off test»), и на этом основании ведут проектирование следующего этапа исследований - проектирование плавных управляемых гидравлических (жидкостью) воздействий (давлением жидкости) на трещинный коллектор в замкнутом сегменте разломной зоны.

По мнению авторов предлагаемого изобретения, на практике волновое воздействие медленными колебаниями давления на область сейсмоопасного магистрального сместителя базируется на двух положениях:

1. На оценке возможности формирования технически достижимого гидравлического воздействия на флюидонасыщенную трещинную систему, в которой формируется критически сейсмоопасное напряжение, а значит, и формирования фильтрационного поля в сегменте обводненного разлома с искусственно реализованными заданными параметрами проницаемости этой области отдельного сегмента сейсмоопасного сместителя, даже если область тектонического сместителя непроницаема в естественном состоянии, заполнена глинками трения, и является барражем, т.е. разделяет фильтрационное поле в блоках относительно сместителя. И одновременно предлагаемое воздействие базируется:

2. на техническом решении, исключающем «смыкание» трещинной сети в области перепада давлений при создании депрессии на продуктивный (вода, нефть, газ) пласт [Вахромеев А.Г., Сверкунов С.А., Иванишин В.М., Сираев Р.У., Разяпов Р.К., Сотников А.К., Чернокалов К.А. Патент РФ на изобретение №2602437 «Способ первичного вскрытия бурением горизонтального ствола в трещинном типе нефтегазонасыщенного карбонатного коллектора в условиях аномально-низких пластовых давлений», Е21В 21/00 (2006.01), Е21В 33/13 (2006.01), Е21В 43/02 (2006.01), 20.11.2016 г.], и триботехническом комплексе мероприятий, обеспечивающем снижение трения поверхностей в области сместителя. Это решается путем подачи в проницаемое пространство трещинной системы вязкой жидкости либо эффективных агентов, снижающих трение. Основой научно-практического решения этих задач являются комплексные геолого-промысловые результаты исследований пласта: комплекс геофизических исследований (ГИС) и результаты анализа ориентированного керна (гидродинамических и геомеханических исследований пласта) в скважине, вскрывшей трещиноватую область влияния магистрального разлома.

Таким образом, непосредственно гидравлический механизм (воздействие переменным давлением жидкости) предполагает влияние плавными медленными колебаниями (давления жидкости) на сейсмоопасную зону сегмента сместителя путем управляемого возрастающего и далее снижаемого, т.е. волнового барического воздействия на внутриразломную систему трещин через скважину с боковыми наклонно-направленными стволами или группу скважин, с непрерывным инструментальным контролем сейсмического отклика. Для ее реализации использовался многолетний опыт натурных испытаний в геологической и ледовой средах, физического и численного моделирования, а также разведки, освоения и эксплуатации газонефтяных месторождений на территории юга Сибирской платформы [Вахромеев А.Г., Иванишин В.М., Сверкунов С.А., Поляков В.Н., Разяпов Р.К. Глубокая скважина как стенд гидравлических «on-line» исследований напряженного состояния горного массива флюидонасыщенных трещинных коллекторов. // Геодинамика и тектонофизика. - 2019. - Том 10, №3. - с. 761-778. https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-3-0440., с. 6, столбец 2, абз. 5; с. 8., столб. 2, абз. 2].

По мнению многих ученых, например, [Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. - 144 с.; с. 82], готовящиеся очаги разрушительных землетрясений имеют протяженность в десятки-сотни километров. Отсюда плавные управляемые техногенные воздействия (горизонтальные боковые стволы для инжекций жидкости в отдельные сегменты зоны трещиноватости магистрального сместителя) должны быть распределены по выбранным участкам (сегментам) зон разломов, которые вскрываются отдельными боковыми стволами скважин, и должны контролироваться с применением предусмотренных средств сервоуправления актами воздействий во времени и пространстве для исключения случаев непреднамеренного спонтанного высвобождения упругой энергии недр.

При достижении релаксационной разгрузки до фонового уровня обсуждается дальнейший план проведения последующих релаксационных гидродинамических волновых воздействий на другие сейсмоопасные сегменты зоны разлома, если обнаруживается подготовка крупного очага землетрясения с потенциалом магнитуды, равной или более 7,0. В таких случаях не исключается вариант синхронных умеренных силовых воздействий давлением жидкости на несколько сегментов разломов, например в районе разломного узла через значительные временные интервалы (многие часы - сутки). Целесообразна организация сервоуправляемого диспетчерского центра, в котором контролируются и согласовываются режимы гидродинамических волновых воздействий и отклики на них.

Возможное гидравлическое сообщение между боковыми стволами посредством систем трещиноватости не мешает проведению волновых воздействий в связи с тем, что через скважину данные боковые стволы не сообщаются, так как технически разобщены пакерами на фильтре-хвостовике.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

На фиг. 1 представлена природная модель стадийности формирования магистрального разлома путем последовательного объединения мелких, средних и протяженных разрывных нарушений в геологической среде, где 1, 2, 3, 4, 5, 6 - стадии формирования магистрального разлома.

На фиг. 2 показана траектория бурения пилотного ствола согласно предлагаемому способу, вид сбоку.

На фиг. 3 показан типовой график стандартной операции гидроразрыва пласта, где точка А - начало закачки жидкости через скважину в определенный локальный участок массива горных пород и пропорциональный рост давления закачки от времени, точка В - начало давления утечки (рост давления замедляется и становится непропорциональным от времени), точка С - давление гидроразрыва пласта (т.е. формирования искусственной трещины), точка Д - стабилизация давления закачки после проведения гидроразрыва, Рн - давление нагнетания жидкости, Рут - давление утечки, Ргр - давление гидроразрыва пласта.

Фиг. 4 иллюстрирует внешний вид гранулы антифрикционной добавки «Alpine drilling beads» диаметром 0,1-0,2 мм, использованной в примере осуществления предлагаемого способа, под микроскопом.

На фиг. 5 представлена траектория бурения многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием, вид сбоку.

На фиг. 6 показана реальная скважина с горизонтальным окончанием в многозабойном исполнении, вид сверху, где 11, 12, 13, 14 - боковые наклонно-направленные стволы, 7, 8, 9, 10 - сегменты сейсмоопасного сместителя разломной зоны, и где каждый боковой наклонно-направленный ствол (11, 12, 13, 14) пробурен в отдельный сегмент разломной зоны (соответственно в 7, 8, 9, 10).

На фиг. 7 показан график изменения расхода и давления при гидравлическом разрыве пласта с раскрытием природных тектонических разрывов, где Р - давление, Q - расход жидкости.

На фиг. 8 представлен аншлиф андезита с древним зеркалом скольжения, взятый из зоны сейсмодислокации 11-балльного Гоби-Алтайского землетрясения 1957 г.

ПРИМЕР

Наиболее оптимальным является выделение местоположения напряженных сред, нагнетание жидкости через сеть скважин в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости проведение вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение с помощью датчиков горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, причем по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах.

При этом сначала детализируют тектонофизическое строение области, где вероятно произойдет разрядка напряженных сред, выделяют напряженную разломную зону магистрального сейсмоопасного сместителя, в ее пределах выявляют отдельные зоны-сегменты магистрального сейсмоопасного сместителя (фиг. 1), на основании этих данных проектируют бурение первой пилотной скважины с наклонно-направленным стволом и второй многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием и боковыми стволами, которые бурят из основного горизонтального ствола.

На фиг. 1 представлена природная модель стадийности формирования магистрального разлома путем последовательного объединения мелких, средних и протяженных разрывных нарушений в геологической среде (стадии 1, 2, 3, 4, 5, б) [Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. - 144 с. - 78, рис. 3.3.5]. Подобному объединению в значительной мере способствует флюидное насыщение при разрушении перемычек между разрывами, а также снижение эффективного горного давления на стенки трещин высоконапряженного сместителя, которое происходит плавно в процессе волновых колебаний давления в отдельном сегменте.

Бурение выполняют со станка эксплуатационного ряда, как правило с электрическим приводом, который позволяет пробурить несколько наклонно-направленных скважин с одной площадки, при этом после бурения каждой очередной скважины, начиная с пилотного ствола, станок по рельсам передвигается на 9 метров, где забуривается новая скважина куста. В случае бурения многозабойной скважины последовательно бурят основной ствол и далее несколько боковых горизонтальных стволов из основного. При этом траектория каждого бокового ствола искривляется так, чтоб он вскрыл высоконапряженную зону трещиноватости в отдельном сегменте магистрального сейсмоопасного сместителя на расстоянии 250-300 метров один от другого.

Начинают бурение с пилотного ствола, его бурят по наклонной траектории (фиг. 2 - траектория бурения пилотного ствола, вид сбоку) с задачами вскрыть зону сместителя высоконапряженного разлома и уточнить ее главные параметры (глубина вскрытия зоны трещиноватости по вертикали, угол падения и простирания трещин (используют акустический сканер, отбор ориентированного керна), давление водонапорной системы (используют глубинный манометр на кабеле или автономный на трубах), а после окончания бурения, крепления и тестовых операций в пилотном стволе устанавливают сейсмодатчики для «on-line»-контроля всех последующих операций и выводят их на общий пульт станции слежения и управления.

После окончания бурения пилотного ствола скважины интервал зоны дробления магистрального сместителя отсекают пакером ГМП (гидромеханический пакер) и осуществляют тестирование, пробное нагнетание жидкости через ствол скважины в изолированный сегмент разломной зоны, которое обеспечивает исходные данные для проектирования последующих волновых воздействий в области возникновения «давления утечки» (фиг. 3 -типовой график гидроразрыва пласта), и закачку триботехнических составов (фиг. 4 - внешний вид гранулы «Alpine drilling beads» диаметром 0,1-0,2 мм под микроскопом) в сегмент призабойной зоны пласта.

После окончания работ на пилотном стволе и проверки работы сейсмодатчиков станок сдвигают, перемещают на 9 метров, и забуривают новую многозабойную скважину, ее основной наклонно-направленный ствол (фиг. 5 - траектория бурения многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием, вид сбоку; фиг. 6). На фиг. 6 показана реальная скважина с горизонтальным окончанием в многозабойном исполнении, где каждый боковой наклонно-направленный ствол (11, 12, 13, 14) пробурен в отдельный сегмент разломной зоны (7, 8, 9, 10). Скважина бурится с 5-интервальным, либо другим профилем, обеспечивающим условия последующего попадания боковых стволов в точках входа в сегменты разломной зоны. Первый интервал скважины вертикальный с целью набора глубины, изоляции интервала пресных питьевых подземных вод. Далее интервал набора угла, интервал стабилизации для сближения ствола скважины с протяженной зоной высоконапряженного магистрального сместителя, далее интервал донабора угла до 87-88°. Затем осуществляют спуск и крепление обсадной колонны (ОК) 168 мм (178 мм), из-под которой будет буриться основной горизонтальный ствол с боковыми отходами в конкретные сегменты (как показано на фиг. 6). После спуска в скважину и крепления эксплуатационной колонной далее траекторию горизонтальной части основного ствола ведут в ненарушенном массиве горных пород на некотором расстоянии (100-150 м) вдоль, т.е. параллельно зоны простирания основного направления трещиноватости зоны высоконапряженного сейсмоопасного магистрального сместителя, которое установлено ранее (см. фиг. 6) на основе сейсмогеологических и технических данных бурения пилотного ствола скважины (например, на юге Сибирской платформы). Далее каждый боковой ствол направленно отводят от основного ствола в сторону напряженного магистрального сместителя, и бурят в горизонтальной плоскости, чтобы вкрест простирания основной системы трещиноватости (см. фиг. 6) вскрыть на полную мощность зону дробления, трещиноватости этого самостоятельного сегмента.

Таким образом выполняют бурение скважины по многозабойной конструкции с горизонтальным окончанием каждого бокового ствола, пересекающего самостоятельный сегмент магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости.

После окончания бурения первого бокового горизонтального ствола выполняют цикл тестирования данного сегмента методом теста «на утечку», с определением природных значений параметров - давлений и температуры водонапорной системы обводненной разломной зоны в сегменте, и давления начала поглощения, для чего в первый боковой горизонтальный ствол спускают лифтовые трубы с двумя пакерами и многоразовую муфту гидроразрыва пласта между ними, изолируют пакерами участок бокового открытого ствола скважины и выполняют тестирование пробным нагнетанием технической воды.

Пробное нагнетание - тестовая операция, позволяет определить экспериментально значение давления утечки, которое в последующих волновых воздействиях не будет превышено по величине. На фиг. 3 показан характерный график [Старощук А.В., Семенякин B.C. Причины рапо-, нефте- и газопроявлений при бурении скважин с применением утяжеленных буровых растворов // Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений. - 2011. - №4. - с. 90-93, с. 90] стандартной операции гидроразрыва пласта, где точка А характеризует начало закачки жидкости через скважину в определенный локальный участок массива горных пород и пропорциональный рост давления закачки от времени, точка В - начало давления утечки (рост давления замедляется и становится непропорциональным от времени), точка С - давление гидроразрыва пласта (т.е. формирования искусственной трещины), точка Д - стабилизация давления закачки после проведения гидроразрыва, Рн - давление нагнетания жидкости, Рут - давление утечки, Ргр - давление гидроразрыва пласта.

Определяющим для предлагаемого способа является отрезок на кривой забойных давлений ВС, в диапазоне значений которого и будут далее производиться плавные гидравлические воздействия на пласт. При этом важно заметить, что на практике диапазон значений давлений в данном отрезке может зависеть от расхода закачиваемой жидкости в пласт. Исходя из расхода закачиваемой жидкости, подбирают режим (давлений и производительности насосов, расхода закачки), который позволяет не переходить в область гидроразрыва пласта на фиг. 3, то есть вести постоянную медленную закачку в области значений забойных давлений, которые отражены на фиг. 3 участком ВС. Учитывая, что разломная зона является гидропроводной системой, такие воздействия на нее практикуют при опрессовке участка открытого ствола на утечку, т.е. это реальная, стандартная операция при бурении скважины на нефть и газ.

Затем тестирование водонапорной системы повторяют в каждом следующем бокового стволе от ствола к стволу в соответствующем сегменте, по мере бурения каждого.

Далее выполняют заканчивание многозабойной скважины спуском в основной горизонтальный ствол потайной колонны - фильтр-хвостовика с окнами против каждого входа в боковой ствол и с пакерами, разобщающими за потайной колонной эти входные отверстия, при спуске которого отдельные боковые стволы разобщаются системой набухающих пакеров, и который (хвостовик) имеет окна против каждого бокового ствола.

Далее скважину технически готовят к осуществлению Программы плавных волновых воздействий - спускают колонну лифтовых труб, включающую два пакера и многоразовую муфту гидроразрыва пласта между ними, активируют пакеры напротив первого бокового ствола, и обвязывают устье скважины, подключая насосную группу.

Далее осуществляют воздействие импульсно-волновым методом переменных давлений жидкости с учетом периода солнечно-лунных приливов в низкочастотном режиме с увеличением давления закачки не более давления утечки, к примеру, следующим образом: увеличение давления на уровне горизонтального ствола - 3 часа, остановка и фиксация (падения давления) 3 часа, подкачка до значения не более 10% от достигнутого в 1 цикле - 3 часа, после чего выполняют равномерный плавный сброс давления за 3 часа для инициирования плавных смещений крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести, далее операцию повторяют.

Обусловленный плавным ростом давления водонапорной (флюидонапорной) системы процесс формирования зоны обводненного разлома, магистрального сместителя по гидравлическому механизму значительно облегчает реализацию постепенного, плавного смещения крыльев разлома по хрупко-пластическому механизму [Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. - 144 с.; с. 78, рис. 3.3.5; Семинский К.Ж., Гладков А.С., Лунина О.В., Тугарина М.А. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Прикладной аспект.- Новосибирск.: Изд-во СО РАН, Филиал «ГЕО», 2005. - 293 с., с. 29, абз. 3, 5], на дистальных окончаниях основных и оперяющих разрывов, а вибрационное воздействие способствует разрядке напряженных сред мелкоамплитудными косейсмическими подвижками.

Режим медленных волновых гидравлических воздействий переменным давлением жидкости (техническая вода) ведут с диапазоном до 70 МПа (устье), но не более величины давления утечки (фиг. 3, 7), и область повышенного давления жидкости плавно распространяется на глубинные сейсмоопасные сегменты зон разломов, снижая горное эффективное давление на стенки трещин высоконапряженного сместителя.

Далее после цикла волновых воздействий в призабойную зону участка каждого бокового горизонтального ствола, вскрывшего сегмент разломной зоны, изолированную двумя пакерами, закачивают антифрикционные добавки например агент размером фракции 0,1-0,2 мм, например, «Alpine drilling beads» (см. фиг. 4) который выдерживает давление до 1000 МПа, снижающий трение. Участок тектонического сместителя, на котором волновые гидравлические воздействия отработаны до получения эффекта, консервируется вязкой жидкостью, которая гасит сейсмические колебания, причем в нем выполняют размещение сейсмодатчиков для текущего и долговременного контроля глубинной сейсмической активности магистрального разломной зоны после проведения волновых воздействий давлением.

При этом на фиг. 7. показано гидравлическое воздействия на массив горных пород, итогом которого формируется протяженная трещина: график изменения расхода и давления при гидравлическом разрыве пласта с раскрытием природных тектонических разрывов [Усачев П.М. Гидравлический разрыв пласта, 1986, 165 с., с. 87 - рис. 18, 19; с. 99, параграф 6.2].

Также для этого выбирают (на основании опробования каждого из вскрытых бурением бокового ствола сегментов/секторов магистрального сместителя) оптимизированные на основании сейсмического отклика значения периодов роста либо сброса давления (3-6-9-12 часов и т.п. до 3 суток и более, с учетом периода солнечно-лунных приливов).

Ниже показан (фиг. 8) аншлиф андезита с древним зеркалом скольжения, взятый из зоны сейсмодислокации 11-балльного Гоби-Алтайского землетрясения 1957 г. Судя по минеральным изменениям, зеркало возникло на сейсмофокальной глубине порядка 6-10 км при косейсмическом скольжении во время двух подвижек при палеоземлетрясениях, возраст которых исчисляется несколькими сотнями миллионов лет. На зеркале при детальном его изучении обнаружены следы двухэтапного разрушения перемычки между трещинами во время двух палеоземлетрясений при участии флюидов разного состава. Также на зеркале при детальном его изучении обнаружены следы двухэтапного скольжения берегов трещины и разрушения неровностей между трещинами в моменты двух палеоземлетрясений при участии флюидов разного состава.

Согласно сведениям на фиг. 1, для направленного волнового гидравлического воздействия давлением жидкости эффективнее всего осуществлять плавные гидродинамические воздействия в участках разломов, находящихся на стадиях 3-5. В подобных участках, где ранее на гипоцентральных глубинах происходило спонтанное слияние мелких разрывов в магистральный разрыв более высокого иерархического уровня, уже сформировались крупные неровности, в которых происходит наиболее жесткое контактное взаимодействие крыльев разломной зоны, нередко с раздроблением и срезанием. В эти участки повышенных давлений и деструкции становится возможным постепенное проникновение закачиваемых растворов, ослабление горного давления при росте давления жидкости, закачиваемой в сегмент, что будет приводить к снижению трения и сдвигового сопротивления, способствуя постепенному уменьшению доли излучаемой сейсмической энергии за счет перевода упругих деформаций в процессы фрикционного разогрева и затрат на механическое разрушение [Ружич В.В., Кочарян Г.Г., Савельева В.Б., Травин А.В. О формировании очагов землетрясений в разломах на приповерхностном и глубинном уровне земной коры. Часть II. Глубинный уровень // Геодинамика и тектонофизика. - 2018. - Т. 9. - №3. - С. 1039-1061. doi:10.5800/GT-2018-9-3-0383].

Claims

Способ снижения избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов, включающий выделение местоположения напряженных сред, нагнетание жидкости через сеть скважин в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости проведение вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение с помощью датчиков горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, причем по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах, отличающийся тем, что детализируют тектонофизическое строение области, где произойдет разрядка напряженных сред, в качестве напряженных сред выделяют разломную зону магистрального сейсмоопасного сместителя, в ее пределах выявляют отдельные сегменты магистрального сместителя, на основании этих данных проектируют и бурят наклонно-направленные скважины нефтяного ряда на достижимые глубины по вертикали до 6-6,5 км, сначала пилотный ствол, в котором определяют параметры разломной зоны и устанавливают сейсмодатчики, далее ведут бурение второй скважины по многозабойной конструкции с горизонтальным окончанием каждого бокового ствола, пересекающего самостоятельный сегмент магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости, при этом крепление основного ствола скважины до начала отхода первого бокового ствола в ненарушенном массиве горных пород производят эксплуатационной колонной, далее бурят боковые горизонтальные стволы, причем после окончания бурения первого бокового ствола выполняют цикл тестирования данного сегмента методом теста «на утечку», с определением природных значений параметров - давлений и температуры водонапорной системы обводненной разломной зоны в сегменте и давления начала поглощения, для чего в первый боковой горизонтальный ствол спускают лифтовые трубы с двумя пакерами и многоразовую муфту гидроразрыва пласта между ними, изолируют пакерами участок бокового открытого ствола скважины и выполняют тестирование, затем тестирование повторяют в каждом следующем боковом стволе от ствола к стволу в соответствующем сегменте, по мере бурения каждого, далее выполняют заканчивание скважины спуском в основной горизонтальный ствол потайной колонны фильтр-хвостовика с окнами против каждого входа в боковой ствол и с пакерами, разобщающими эти входные отверстия, расположенными между боковыми стволами с целью перекрытия вскрытых горизонтальным бурением отдельных сегментов сейсмоопасной зоны магистральной трещиноватости, дальнейший цикл плавных волновых гидравлических воздействий на водонапорную систему обводненной зоны дробления выполняют, отсекая гидромеханическими пакерами в основном горизонтальном стволе рабочий интервал воздействий, причем плавное воздействие жидкостью на сегменты сейсмоопасного сместителя через боковые горизонтальные стволы скважины ведут последовательно в каждом боковом стволе (от сегмента к сегменту), волновым методом переменных давлений в низкочастотном режиме в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, с плавным увеличением давления закачки до 70 МПа к величине начального, природного пластового давления водонапорной системы, но не более величины давления утечки, инициируя плавные смещения крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести, при этом низкочастотный режим подразумевает увеличение давления на уровне бокового горизонтального ствола в течение 3-12 часов, остановку и фиксацию давления от 3 часов до 3 и более суток с подкачкой давления до значения, не более чем на 10% превышающего достигнутое в первом цикле (3-12 часов), после чего в интервалы времени, соответствующие сжатию напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, выполняют равномерный плавный сброс давления за 6-12 часов до значения исходного, пластового давления водонапорной системы разломной зоны в сегменте, где 6-12 часов - период времени, кратный солнечно-лунному циклу, т.е. 1/2, 1/3, 1/4 от периода, далее операцию повторяют до достижения проектируемого уровня напряженно-деформированного состояния и амплитуд смещений в сегменте, который подтверждают через запись в пилотном стволе с установленными в нем сейсмодатчиками и на поверхности земли, причем смещения устанавливают путем измерений в режиме реального времени достигнутого снижения уровня сейсмической активности напряженных сред и суммарных амплитуд индуцированных замедленных смещений в ядре сегмента сместителя разлома, далее после цикла волновых воздействий в призабойную зону участка каждого бокового горизонтального ствола, вскрывшего сегмент разломной зоны, изолированную двумя пакерами, закачивают агент размером фракции 0,1-0,2 мм, снижающий трение, после чего участок сместителя, на котором волновые гидравлические воздействия отработаны до получения эффекта, консервируется вязкой жидкостью, которая гасит сейсмические колебания, причем в нем выполняют размещение сейсмодатчиков после проведения волновых воздействий давлением для текущего и долговременного контроля глубинной сейсмической активности сегмента разломной зоны.