Способ получения информации о глубинных структурах литосферы земли

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК Ж,, 1787279 АЗ (51)5 G 01 V 1/40

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к области гео- венно меньше давления окружающих пофизических исследований строения и соста- род, поэтому возникающие сдвиговые нава земной коры, точнее к прямым методам пряжения в условиях высоких температур йроникания в глубинные слои, и может быть вызывают деформацию и заплывание сква- с3 использовано для получения информации о жины. верхних границах литосферы. Существуют методы проникания в не- )

Известны устройства для термического дра Земли путем бурения скважин, При этом бурения, в которых проходка скважин осу- бур-механически разрушает монолитность ществляется с помощью нагрева пород, ок- горной породы; а образцы породы иэвлекаружающих термобур, их расплавления или ютчерезскважинуна поверхность. Скважииспарения и последующего извлечения на при этом используется для механической жидких или газообразных продуктов через и энергетической связи с буром и системой скважину, Термобур состоит из тугоплавко- извлечения породы. Так достигают глубин го корпуса, тепловыделяющего элемента и -12 км, планируется бурение до 15 км, приспособлений для его связи с поверхно- Прототипом предлагаемого способа стью Земли. получения информации о литосфере являетНедостатком такого метода является ся способ глубинного бурения. необходимость поддержания механической Рассмотренный в прототипе метод просвязи с термобуром через скважину. В сква- никания в литосферу Земли сталкивается с жине давление вблизи термобура сущест- принципиальными трудностями. (21) 4901564/25 (22) 06.11.90 (46) 07.01.93. Бюл, ¹ 1 (76) А,В,Бялко и О.Б.Хаврошкин (56) 1, Авторское свидетельство СССР

¹ 269864, кл. F 21 В 7/14, 1924.

2. Кольская сверхглубокая. Исследова= ния глубинного строения континентальной коры с помощью бурения кольской сверхглубокой скважины, М.: Недра, 1984, с. 490. (54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

О ГЛУБИННЫХ СТРУКТУРАХ ЛИТОСФЕРЫ ЗЕМЛИ (57) Использование: в области геофизических исследований строения и состава земной коры, Сущность изобретения: в обсаженную скважину помещают полую цилиндрическую вставку. На забое скважины размещают тепловой источник, а затем заполняют вставку раздробленным свинцовым ломом. Последний подогревают с помощью подогревателей, размещенных в кольцевом зазоре между вставкой и обсадными трубами. Длину вставки выбирают исходя из условия обеспечения процесса разрушения пород в соответствии с их термомеханической прочностью, сейсмические и акустические сигналы регистрируют по мере проникновения текущего свинца в глу- ) бокие уровни литосферы. 1 з.п. ф-лы.

1787279

Главная проблема достижения еще больших глубин с помощью бурения состоит в возникновении больших сдвиговых напряжений в горных породах вблизи скважины и в обсадных трубах, Это приво- 5 дит к деформации скважины, к ее заплыванию или схлопыванию на больших глубинах.

Целью изобретения является разработка способа- получения информации о литосфере Земли, при котором значительно 10 снижается общая стоимость работ.

Цель достигают тем, что специально оборудованную обсадную скважину с вставкой и подогревателями загружают раздробленным свинцовым ломом и по мере 15 проникайия в более глубокие уровни литосферы пластически текущего свинца регистрируют сейсмические, акустические и, другие геофизические поля и сигналы и по:. " их характеристикам судят о свойствах глу- 20 бинных слоев земной коры. При этом скважину бурят в районе прогиба в регионе с . "растягивающими фоновыми напряжениями, Загружение свинца заканчивают по до- 25 стижении глубины с породами, представля30

35 г

< r =- рО--(р-ро) —; гг г

40 Офф = Ро +(Р-Ро)—

2 (2) 45 ственной тяжести способен проникнуть нэ большие глубины литосферы, ",: Предел прочности горных пород харак- 50 (3) 55 ющими особый интерес, после чего свинец по всей высоте подогревающей вставки расплавляют и улавливают всплывающие куски глубиннь х nîðîä для определения их минералогического состава, После расплавления всего свинца в верхнюю часть расплава через устье скважины вводят источник ультразвуковых колебаний и полем ультразвуковых колебаний, распространяющихся по столбу жидкого свинца, облучают донную часть зоны внедрения расплава в глубинные породы литосферы с целью регистрации и изучения отраженных и преломленных сигналов.

Реализуемость предлагаемого метода следует из теоретйческого рассмотрения взаимодействия свинцового столба, заполняющего учэс гок скважины, с породами нижнего, глубинного участка скважины. Покажем, что прй некоторых условиях столб расплавленного свинца под действием собтеризуется величиной бмакс, физический смысл которой — предельное напряжение сдвйга, при котором еще не происходит растрескивание или пластическое течение среды, Величина 6макс составляет около 300

МПа для больших неоднородных блоков ультраосновных пород. . .. Рассмотрйм напряжения в среде вокруг скважины глубины Н, пробуренной в однородной среде с плотностью р о и заполненной жидкостью с плотностью p> . p1 может быть как меньше, так и больше оо. Давление жидкости в нижней части запал ней ной скважины равно р == р1 дН, а равновесное давление на этой глубине равно р = p o g H.

Поскольку радиус скважийы R мал по сравнению с ее глубиной Н, то напряжения вокруг ствола скважины в любом, далеком от конца и начала участке, можно опреде лять из рассмотрения равновесия цилиндрической полости, внутри которой давление равно р, а вдали от центра, при г» R (на бесконечности) давление равно ро. Напряжения вокруг окончания скважины можно приближенно получить, рассматривая сферу радиуса R c внутренним давлением р, отличным от давления на бесконечности ро.

Рассмотрим следствия точно решаемых задач о деформациях и напряжениях в неограниченной среде со сферической полостью и с цилиндрической полостью, внутри кото-. рых давление равно р, а на большом удалении от полостей — ро. Согласно теории упругости компоненты тензорэ напряжений

cubi в среде вне сферической полости (при r

R) равны з « = po (p po) — Gee= СГфф=- po+ гз з

+(р ро) 3 ()

2г а вне цилиндрической полости (при r»R) равны

При большом удалении от сферы и от цилиндра (при г» R) все диагональные компоненты тензора напряжений, так и должно быть. оказываются равными ро. На поверхностях сферы и цилиндра при г— = R нормальные напряжения о«, как следствие граничных условий, оказываются равными р, а тангенциальные достигают своих максимальных значений, равных 4акс =

Омакс — Офф(В) = (p 2 po) соответственно для сферы и цилиндра.

Разрушение скважины происходит, если абсолютная величина выражений (3) пре1787279

10

20

35

45

55 вышает предел прочности 6м,, т.е, при давлениях р, удовлетворяющих уравнениям

U lp 3p0 1= 26макс, 1р 2рд1= 6макс (4) соответственно для сферы и цилиндра. Давление на большом удалении от нижней части скважины на глубине Н в породе с плотностью р, - 2,7 г/см определяется гидростатической формулой ро = 9 H, Если скважина заполнена на высоту Н1 (т,е. до глубины z = Н вЂ” Н1) наполнителем — материалом с плотностью р1, то давление внутри скважины вблизи ее нижнего конца равно р =Р19Н1.

Таким образом, прийципиально существуют четыре разных типа разрушения скважинь, заполненной материалом иной плотности: схлопывэние или разрыв ее сферического окончания (два решения уравнения (4) или схлопывание или разрыв ее цилиндрического столба. Реально осуществляется тот тип разрушения, для которого ранее всего начинает выполняться одно из равенств (4). При плотности наполнителя, меньшей плотности породы, происходит схлопывание, при большей — разрыв, Разрушение сферического окончания скважины .означает ее укорочение или удлинение— проникновение наполнителя вниз, в вертикальную трещину в окружающей породе.

Разрушение цилиндрического ствола означает перетяжку скважины или проникновение наполнителя в окружающую породу по горизонтальным трещинам.

При заполнении обычной скважины в кристаллической горной породе буровым раствором с плотностью p1 = 1,3 г/см предельная глубина, на которой происходит схлопывание, оказывается равной 10.9 км, что разумно согласуется с достйгнутым при бурении рекордом 12 км. Для скважины в таких же породах, заполненной расплавом свинца с плотностью р = 11,3 г/см, предельная глубйнэ по формуле (4) оказывается равной 4,1 км. Если, кроме того, учесть, что предел прочности 6 «уменьшается с ростом температуры, то окажется, что предельная глубина устойчивой скважины в ультраосновных породах, заполненной свинцовым расплавам, при температуре

350 С меньше 3 км.

По достижении предельной глубины обычная (заполненная относительно легким буровым раствором) скважина схлопывается, а заполненная свинцом начинает самоуглубляться. Для отличия образующейся в результате самоуглубления структуры от скважины, которая требует энергетических затрат на бурение, будем называть ее каналом иглы. Энергия, за счет которой образуется канал, есть гравитационная энергия, высвобождающаяся при опускании свинцового столба. Так, при погружении на 1 м трехкилометрового столба диаметром 30 см выделяется энергия, равная 26 КДж. Она расходуется на вязкое трение свинцового расплава о стенки и, в конечном счете, на разогрев расплава и стенок канала иглы и на энергию дополнительного сжатия горных пород около зоны разрушения, После прохождения свинцового столба эта энергия сжатия высвобождается при схлопывании образовавшегося канала, что ведет к разогреву и частичному выплавлению свинца из трещин в основной канал. Наконец; малая часть гравитационной энергии переходит в кинетическую энергию движения столба.

При неравномерном пульсирующем опускании (что наиболее вероятно) значительная часть этой кинетической энергии выделяется в нижней части канала у зоны разрушения.

Трещина, которая возникает внизу скважины по достижении ею предельной глубины, в однородной среде имеет теоретически строго вертикальное направление, " в реальных анизотропных горных йородах— направление, близкое к вертикали, Эта трещина заполняется свинцовым расплавом, что вызывает опускание всего столба. Такое погружение продолжается до тех пор, пока не будет достигнуто условие (4). При этом следует учитывать, что высота свинцового столба уменьшается за счет расхода свинцового материала нэ боковую диффузию— насыщение боковых трещин вдоль канала иглы.

Другая, по существу близкая, возможность и риостановки-погружения — достижение столбом свинца горизонта непрочных пород или пород с высокой боковой проницаемостью, или же — напротив — пласта существенно более прочных и тугоплэвких пород, При этом не исключено образование в породе горизонтальной трещины и заполнение ее частью свинца, На относительно малых глубинах такое "затупление" свинцового столба продолжается вплоть до контакта свинца с удаленными от центра канала холодными породами . Когда равновесная температура окружающих пород начнет превышать температуру плавления свинца (при Соответствующем давлении), т,е. начиная с глубин около 10-12 км, процесс боковой диффузии не будет компенсироваться застыванием свинца в концах трещин. Тогда в горизонтальную или слегка наклонную трещину может вытечь значительная часть

1787279 материала. В этом случае происходит приОстановка или существенное замедление погружения системы вследствие "затупления" иглы. Частичной компенсацией боковой диффузии у зоны разрушения является вытеснение свинца из боковых трещин в верхней части канала и присоединение этого свинца к основному стволу. Это явление — захлопывание трещин — происходит вследствие падения давления после опускания свинца в основном канале. Описанные процессы боковой диффузии расплава затрудняют оценку средней скорости погруженил 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, заполняющаяся расплавленным перегретым свинцом. Толщина столба, простирающегося вверх на 2-3 км, постепенно утоньшается из-за падения давления свинца и, следовательно, декомпрессии горных пород. Продвижение свинцового столба вниз, по-видимому, не стационарно, а пульсационно. Фаза прогрева пород- с утолщением нижней асти, затем растрескивание, проникновение расплава вниз, относительно медленное опускание конгломерата капсул с:одновременным удлинением хвоста за

: счет выдавливания свинца из захлопывающихся трещин в верхней части канала, Количество свинца, потребное для заполнения скважины глубиной 3 км с диаметром 20 см,.составляет 1 тысячу тонн, Скважина для создания свинцового столба проникания содержит обсадную трубу .с обсадкой, трубу-вставку для подачи свинца, теплоизолятор и нагреватель, свинцовый столб, формирующийся в горной породе, начиная от дневной .поверхности и верхней чаСти вставки, капсулу-формирователь, создающую направленную систему трещин. Благбприятные геологические .структуры отражены в прогибе границ слоев и вертикальной направленности трещин, заполняющихся расплавом свинца, поступающим иэ свинцового столба.

Проникновение в литосферу Земли по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

В районе нрогиба осадочных пород на участке с благоприятным гидрогеологическим режимом осушают трассу будущего свинцового столба, после чего пробуривают скважину, устанавливают обсадную трубу с герметизирующей и теплоизолирующей обсадкой, затем помещают вставку с нагревателями. Сооружают над скважиной наземный павильон с системой подачи свинцового лома, геофизической аппаратурой, ультразвуковым источником и т.д. Затем загружают трубу скважины свинцовым

5 ломом до момента, когда контрольная аппаратура зарегистрирует формирование в нижней части трубы плотного столба свинца, находящегося в пластически текучем соI стоянии, но при температуре ниже точки плавления. B соответствии с расчетными

10 данными это означает начало процесса углубления столба. Процессы разрушения при этом сопровождаются излучением сейсмоэ-. миссионных волн. Регистрация сейсмоаку15 стических сигналов стандартной сетью приемников позволит после дешифровки сейсмограмм получить информацию о глубинных слоях литосферы. Ультразвуковые последующей регистрации и интерпретации методами активного сейсмического просвечивания расширяют возможности исследования. Аналогичный результат дает сопоставительный анализ сейсмоакустических данных с записями эЛектромагнитных. сигналов, принятых привмниками на дневной поверхности. При прохождении свинцового столба наиболее интересных эон свинец в верхней пластичной у (или) холод30 ной зоне расплавляют и извлекают всплывшие куски горной породы зоны разрушения.

Формула изобретения

1. Способ получения информации о глубинных структурах литосферы земли, включающий бурение скважины, размещение в ней обсадных труб, извлечение образцов пород, по которым судят о глубинных структурахлитосферы, отлича ю щи и с я тем, 40 что, с целью снижения трудоемкости способа, в скважину с зазором по отношению к обсадным трубам помещают полую цилинд рическую вставку, в кольцевом зазоре размещают изолированные от обсадных труб подогреватели, при этом длину вставки выбирают исходя иэ условия обеспечения процесса разрушения пород в соответствии с их термомеханическими характеристиками, на забой скважины помещают тепловой источник, загружают вставку раздробленным свинцовым ломом, расплавляют его подогревателями и по мере проникания.в более глубокие уровни литосферы пластически текущ го свинца регистрируют сейсмические и акустические сигналы.

2. Способ по и. 1, отличающийся тем, что в качестве теплового источника на забое скважины размещают капсулу с радиоактивными элементами. колебания, вводимые по свинцовому столбу

20 в глубинные структуры, при отражении и их