Способ контроля напряженного состояния сейсмичного района

 

Использование: в горном деле и для снятия напряженного состояния на территориях, имеющих предприятия по производству калийных удобрений и соды. Сущность изобретения: нагнетают жидкость в глубокие водоносные горизонты. В качестве закачиваемой жидкости используют специально подготовленные, отделенные от взвешенной твердой фазы избыточные рассолы калийного производства и хлоркальциевые сточные воды содового производства. После начала закачки ведут измерения величины пластового давления. Регистрируют подземные толчки, после появления которых давление на устье скважин снижают до прекращения толчков. Затем давление на устье скважин снова повышают до начала толчков и так далее. Технический результат: повышение функциональности скважин путем использования их для утилизации промышленных стоков.

Предлагаемое изобретение относится к горному делу и может быть использовано для снятия напряженного состояния сейсмичных районов, на территории которых имеются предприятия по производству калийных удобрений и соды.

В последние годы в Березниковско-Соликамском промышленном районе участились землетрясения. 5 января 1995 года произошло землетрясение силой до 5 баллов по шкале Рихтера в г. Соликамске, следствием которого явилось разрушение части подземных горных выработок и поверхностных строений. 9 октября 1997 года произошло землетрясение силой в эпицентре до 4 баллов в г. Березники. В связи с тем, что под жилой застройкой указанных городов имеются пустоты, образованные в результате ведения подземных горных работ, целесообразно проведение в этом районе работ по регулированию землетрясений путем искусственного снятия глубинных напряжений.

Отмеченные землетрясения необходимо относить к категории возбужденных, возникших в результате интегрированного воздействия на недра Камского водохранилища, работы Усольского, Быгельского и Соликамского водозаборов, эксплуатации Юрчукского, Бельского, Чашкинского, Сибирского и Уньвиньского нефтяных месторождений, разработки Верхнекамского месторождения калийных солей.

Повышение давления подземных вод в зоне водохранилища зависит от подъема уровня поверхностных вод, фильтрационных характеристик пород и гидрогеологических условий. Определенное значение имеет и распространение подпора грунтовых вод. При заполнении водохранилища наиболее значительное повышение пластовых давлений в глубоких водоносных горизонтах происходит при наличии гидравлической связи их с поверхностными и грунтовыми водами. При отсутствии такой взаимосвязи пластовые давления будут повышаться в меньшей степени только за счет увеличения нагрузки на водоносный горизонт.

Тот факт, что наиболее значительные землетрясения происходят в районах водохранилищ, где уровень воды достигал 100 м и более, свидетельствует о существенной роли повышения давления подземных вод в механизме таких землетрясений.

Усиление сейсмической активности в районе г. Денвер (штат Колорадо, США), начавшееся после закачки сточных вод в поглощающую скважину, дало толчок к исследованию возбужденных землетрясений, связанных с непосредственным воздействием на глубокие водоносные горизонты [1].

Скважина глубиной 3671 м вскрыла в интервале 3638-3671 м трещиноватые докембрийские гнейсы, куда сбрасывались сточные воды. Закачка воды была начата 8 марта 1962 г., а с конца апреля сейсмические станции стали регистрировать слабые толчки. В последующем была установлена зависимость частоты землетрясений от количества закачиваемой воды. При временном прекращении закачки число толчков резко снизилось. Наблюдалось также соответствие между сейсмической активностью и давлением воды на забое скважины. Очаги землетрясений, определенные по инструментальным данным, локализовались в небольшой зоне и имели глубину 4,5 - 5,5 км.

Возбужденные землетрясения, сопутствующие эксплуатации нефтяных месторождений, были зарегистрированы на месторождениях Ренджели (штат Колорадо, США), грозненских (Россия) и т.д. Механизм таких землетрясений связывают прежде всего со снижением пластовых давлений при добыче нефти и последующим его восстановлением в случае нагнетания воды при законтурном заводнении. Такое изменение гидрогеологической обстановки влияет на фрикционное сопротивление в сейсмогенных разрывах [2].

Для регулирования землетрясений в США на нефтяном месторождении Ренджели в 1969 -1973 г.г. проводилась закачка воды в пласт и дренирование пласта. С этой целью использовались четыре скважины глубиной около 2 км. Была установлена зависимость месячного числа толчков от режима работы скважин. Количество толчков снижалось после того, как закачка воды сменялась откачкой. Очаги концентрировались вблизи существующего разлома в зоне наиболее высокого пластового давления. Критическая величина пластового давления, при которой возбуждались толчки, составляла 257 бар. Опыты в Ренджели показали, что напряженное состояние в очагах землетрясений под воздействием давления воды постепенно снимается - происходит разрядка напряжений. Аналогичные эксперименты проводились в Японии, в сейсмичном районе Мацусиро, где вода нагнеталась в скважину глубиной 1800 м.

Известен способ контроля напряженного состояния сейсмичного района, включающий нагнетание жидкости в глубокие водоносные горизонты, расположенные в этом районе [1, с.64]. Данное техническое решение принято за прототип.

Недостатком известного способа является малая функциональность скважин. Глубокие дорогостоящие скважины используются только для снятия напряженного состояния сейсмичного района.

Целью изобретения является повышение функциональности скважин путем использования их для утилизации промышленных стоков.

Цель достигается тем, что в качестве закачиваемой жидкости используют специально подготовленные, отделенные от взвешенной твердой фазы избыточные рассолы калийного производства и хлоркальциевые сточные воды содового производства.

Способ осуществляют следующим образом.

На участке, свободном от жилой застройки и промышленных предприятий, расположенном в сейсмичном районе, бурят скважины до глубоких водоносных горизонтов, залегающих на глубинах около 2 км. Использование водоносных горизонтов, залегающих на глубинах более 2 км, технически трудно осуществимо, а менее 2 км может не привести к изменению напряженного состояния горного массива. После обсадки скважин трубами и перфорации их на уровне данных горизонтов начинают закачку в них жидкости.

В качестве закачиваемой жидкости используют специально подготовленные избыточные рассолы калийного производства и (или) хлоркальциевые сточные воды содового производства. Специальная подготовка заключается в отделении рассолов, сточных вод содового производства от взвешенной твердой фазы и добавлении в них для предупреждения коррозии обсадных труб известных ингибиторов коррозии, таких как АКС-1, Камеликс 1116х и других.

После начала закачки стоков постоянно фиксируют величину пластового давления. Сразу после возбуждения подземных толчков давление на устье нагнетательных скважин постепенно снижают до момента полного прекращения толчков. Затем давление на устье скважин снова повышают до начала толчков и, таким образом, напряженное состояние в сейсмичном районе постепенно снимают под воздействием давления сточных вод путем разрядки напряжений.

Изменение проницаемости пород при пропускании через образцы яснополянского горизонта, отобранные с глубины около 2 км, сточных вод содового производства исследовано в институте ПермНИПИнефть. Полученные данные свидетельствуют о значительном уменьшении водопроницаемости образцов как при фильтрации через них пресной воды, так и промстоков. При прокачивании сточной воды из шламохранилища содового производства наблюдается меньший темп затухания и большая величина относительной водопроницаемости, чем при экспериментах с пресной водой. Аналогичные результаты получены при фильтрации избыточных рассолов калийного производства. Повышение водопроницаемости вызвано коагуляцией глинистой фракции песчаников при пропускании через них минерализованных растворов.

Пример осуществления способа. В Дуринском прогибе вблизи разлома глубокого заложения субширотного простирания пробурены скважины NN 1-ОП и 2-ОП. Фильтры в скважинах установлены в интервале залегания франко-фаменского водоносного горизонта на глубине 2,1-2,5 км.

Опытные гидрогеологические работы, проведенные на этих скважинах, включали в себя пробные и опытные откачки пластовых вод и опытную закачку этих вод, временно заскладированных в ходе откачки в отстойники.

В результате опытных нагнетаний установлена емкость водоносного горизонта, равная 211 тыс. куб. м в год. В связи с тем, что необходимая производительность в 900 тыс. куб. м в год была не достигнута, скважины законсервированы.

Для регулирования напряженного состояния сейсмичного района производят расконсервацию скважин и повышение их производительности методом гидроразрыва пласта. Затем начинают закачку избыточных рассолов из шламохранилища Четвертого Березниковского калийного рудоуправления. После начала закачки постоянно фиксируют величину пластового давления. Сразу после возбуждения подземных толчков силой 1-2 балла по шкале Рихтера давление на устье скважин постепенно снижают до момента прекращения толчков. Затем давление на устье скважин снова повышают до начала толчков и так далее.

Литература.

1. Киссин И.Г. и др. Подземная гидросфера и сейсмические процессы. Сб.: Основы гидрогеологии. Геологическая деятельность и история воды в земных недрах. - Новосибирск: Наука, 1982, с. 57-64.

2. Смирнова М.Н. Возбужденные землетрясения в связи с разработкой нефтяных месторождений (на примере Старогрозненского землетрясения). Сб.: Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. - М.: Наука, 1977, с. 128-141.

Формула изобретения

Способ контроля напряженного состояния сейсмического района, включающий нагнетание жидкости в глубокие водоносные горизонты, залегающие на глубинах около 2 км, расположенные в сейсмичном районе, отличающийся тем, что 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 силой 1 - 2 балла по шкале Рихтера давление на устье скважин постепенно снижают до момента прекращения толчков, затем давление на устье скважин снова повышают до начала толчков и так далее.