СПОСОБ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ВУЛКАНИЧЕСКУЮ СИСТЕМУ Российский патент 1997 года по МПК G01V9/00 G01V11/00 

Изобретение относится к способам воздействия на естественные процессы и явления и может быть использовано для предотвращения взрывного извержения вулкана центрального типа и попутного получения геотермальной энергии.

Известен способ предотвращения динамических и газодинамических явлений в массиве горных пород, включающий бурение скважины в массиве горных пород, создание из скважины в массиве горных пород ориентированной разгрузочной полости для образования зоны разгрузки, герметизацию скважины и воздействие на физико-механические свойства массива горных пород [1] Недостатком данного способа является то, что они применяются для введения горных работ только при разработке угольных и соляных месторождений.

Известен способ глушения открытых газовых и нефтяных фонтанов, включающий бурение направленных скважин, сообщение их стволов с помощью гидроразрыва с фонтанирующей скважиной, закачку воды и глинистого раствора через направленные скважины в аварийный ствол для повышения забойного давления и прекращения фонтанирования или временного отвода части газа на поверхность [2] Недостатком способа является то, что он применим, как крайнее средство для борьбы с наиболее тяжелыми авариями только на газовых и нефтяных месторождениях.

Известен способ предупреждения извержения вулкана путем отбора тепла от периферийных очагов действующих вулканов, например Эльбруса и Авачинского, в количестве более 500 МВт, превышающем среднюю скорость накопления в них тепловой энергии [3] Отбор тепла предполагают производить путем создания искусственной трещиноватости в экзаконтактовой зоне магматических очагов действующих вулканов и извлечения энергии из нее с помощью закачки и вывода воды по скважинам. Недостатком способа является вероятность разрушения вулканической пробки или кровли вулкана за счет энергии и давления газов, выделяющихся при кристаллизации магматического расплава в результате интенсивного отбора тепла при сохранении постоянной температуры (ретроградное повышение давления). Кроме того, для полной компенсации тепловой энергии вулкана по этому предложению необходимо было бы на каждом объекте сооружение и длительное поддержание в рабочем состоянии примерно 50 скважин, при приемистости одной нагнетательной скважины 500 м³/сут и сложная система поверхностных коммуникаций. Вышеприведенный способ предупреждения извержения вулканов взят в качестве прототипа.

Задачей изобретения является предупреждение от разрушения вулканической пробки или кровли вулкана за счет энергии скапливающегося под ней в вулканическом канале газа и последующего за резким открытием вулканической системы катастрофического взрывного извержения.

Поставленная задача решается тем, что в способе воздействия на вулканическую систему, включающем исследование вулкана геофизическими методами, бурение скважин, создание искусственной трещиноватости, регулирование вулканического процесса, при этом используют спокойное межэруптивное состояние вулкана в интервале времени, когда энергии и давления газа под вулканической пробкой еще далеко недостаточно для разрушения и выброса перекрывающих выводной канал образований, геофизические исследования проводят с использованием специальных пробуриваемых в пределах вулканического или по его периметру параметрических скважин сейсмическими методами в том числе и межскважинными исследованиями, скважинной гравиметрией в комплексе с другими геофизическими исследованиями, приводимыми на поверхности и в параметрических скважинах, определяют положение газонасыщенной под пробкой части вулканического канала, принимают решение о целесообразности воздействия на вулканическую систему, пробуривают не менее двух регулировочных скважин, сообщают забои регулировочных скважин с газонасыщенной зоной искусственной трещиноватости либо добуривают уменьшенным диаметром до вскрытия газового местоскопления автономными снарядами или снарядами на шлангокабеле, спускают подземное и устанавливают устьевое оборудование, вызывают приток газа, оценивают давление, температуру, химический состав вулканического газа, проводят газодинамические исследования с противодавлением на устье и пробную эксплуатацию, уточняют энергию газа под пробкой и газогенерирующие способности вулканической системы, подбирают режим работы скважин, при котором суммарный дебит газа был бы примерно равен его поступлению из магматического расплава в полость под вулканическую пробку, проводят длительную эксплуатацию регулировочных скважин с оптимальным, корректируемым по результатам периодически повторяемых исследований режимов отбора вулканического газа, поддерживают постоянными на гарантированном безопасном докритическом уровне энергию и давление газа под вулканической пробкой, причем выпуск газа из вулканического канала по регулировочным скважинам ведут под постоянным наблюдением за деформацией земной поверхности в пределах вулканической постройки путем наклонометрии, точного нивелирования и других известных способов, по минимизации деформации подвергают равновесное состояние вулканической системы.

Существенными отличиями заявленного технического решения являются следующие:
проводят геофизические исследования с помощью специально пробуренных скважин сейсмическими методами, в том числе и межскважинными исследованиями, скважинной гравиометрией в комплексе с другими геофизическими исследованиями, проводимыми на поверхности и в параметрических скважинах;
определяют положение газонаполненной под пробкой части вулканического и принимают решение о целесообразности воздействия на вулканическую систему;
бурят не менее двух регулировочных скважин, сообщают забои регулировочных скважин с газонасыщенной зоной искусственной трещиноватостью либо добуривают уменьшенным диаметром до вскрытия газового местоскопления;
устанавливают подземное и наземное оборудование, вызывают приток газа, оценивают давление, температуру, химический состав вулканического газа, проводят газодинамические исследования с противодавлением на устье и пробную эксплуатацию, уточняют энергию газа под пробкой и газогенерирующие способности вулканической системы:
подбирают режим работы скважин, при котором суммарный дебит газа был бы примерно равен его поступлению из магматического расплава в полость под вулканическую пробку, проводят длительную эксплуатацию регулировочных скважин с оптимальным, корректированным по результатам периодически повторяемых исследований режимом отбора вулканического газа, поддерживают постоянными на гарантированном безопасном докритическом уровне энергию и давление газа под вулканической пробкой, причем выпуск газа из вулканического канала по регулировочным скважинам ведут под постоянным наблюдением за деформацией земной поверхности в пределах вулканической постройки, с помощью наклонометрии, точного нивелирования и других способов и по минимизации деформации подтверждают равновесное состояние вулканической системы.

Приведенные существенные отличия неизвестны нам из патентной и научно-технической информации и в совокупности с известными позволяют решить задачу, поставленную изобретением, и позволяют сделать вывод, что изобретение является "Новым".

Заявленный способ позволяет сделать заключение, что совокупность существенных признаков подпадает под критерий "Изобретательский уровень".

Что касается промышленной применимости, то заявленный способ может быть осуществим, так как создано оборудование, позволяющее реализовать способ на действующих вулканических территориях.

На фиг.1 показан профиль через вулкан центрального типа с предлагаемыми параметрическими и регулировочными скважинами; на фиг.2 схема выбора оптимального режима регулирования (выпуск вулканического газа).

Способ включает следующие операции.

Используя данные тефрологических исследований, наблюдения за вулканической деятельностью в исторические время, восстанавливает хронологию и периодичность вулканических извержений, дают прогноз вероятного времени и степени эксплозивности очередного извержения вулкана центрального типа при естественном течении процесса.

Создают первое приближение геолого-геофизической модели вулкана, оценивают положение вулканического канала 1 (фиг.1), промежуточного /периферического/ магматического очага 2.

Если имеется уверенность, что вулкан в межэруптивном состоянии (сольфатерной фазе развития) в стадии медленных упругих деформаций вулканической постройки 3, а значит в интервале времени, когда энергия газа 4, скопившегося в вулканическом канале под вулканической (жерловой) пробкой 5, еще явно недостаточна для совершения работы разрушения и выброса перекрывающих выводной канал образований /вулканической пробки 5 и /или/ кровли вулкана 6/, а давление заведомо меньше, чем необходимо было бы для преодоления прочности пород и литостатической нагрузки, то принимают решение о проведении детализационных геофизических работ. Критические значения массы и энергии накапливающегося в вулканическом канале 1 газа 4 предварительно оценивают по мощности взрыва, в первой стадии предшествующего взрывного извержения, вулканическую систему конкретного вулкана или его близких аналогов.

Пробуривают в пределах вулканического конуса 3 или при малых размерах по его периметру серию параметрических скважин 7 с целью их последующего использования для межскважинных, скважинных геофизических исследований. Выбирают положение в плане и глубину каждой последующей скважины 7 в зависимости от постепенно уточняемого геофизическими работами местоположения газонаполненной под пробкой 5 части вулканического канала 1.

Проводят геофизическое исследование вулкана сейсморазведочными, гравиметрическими, электроразведочными, акустическими и другими известными методами. Наблюдение (и возбуждение упругих колебаний), регистрацию параметров физических полей проводят как на поверхности (в мелких скважинах, шурфах 8), так и в параметрических скважинах 7 (в интервале от устья до забоя 8). Наиболее информативны межскважинные просвечивания на сейсмических частотах между параметрическими скважинами 7, нелинейное сейсмическое просвечивание, сейсмическая скважинная томография. Для реализации межскважинного просвечивания исходя из сущности метода располагают скважины 7 относительно газонаполненной части вулканического канала 1 так, чтобы точки возбуждения и точки приема сигнала находились на одной прямой пересекающих выше и ниже ее.

Комплексом межскважинных, скважинных, поверхностных (полевых) геофизических наблюдений определяют положение газонаполненной полости 4 под вулканической пробкой 5, оценивают ее объем и линейные размеры. Газонаполненную 4, а ниже заполненную магмой 9 части вулканического канала 1 фиксируют "теневым способом" по степени поглощения продольных и поперечных упругих колебаний, а газонаполненную 4 и по дефициту масс.

В случае уверенного обнаружения газонаполненной 4 части вулканического канала (конкретного вулкана), экологической, экономической целесообразности, технической и технологической возможности принимают решение о проведении регулировочных работ на вулкане с целью предупреждения катастрофического взрывного извержения, которое могло бы произойти вслед за разгерметизацией вулканического канала 1 после разрушения и выброса за счет энергии газа, аккумулирующегося под пробкой 5 матераиала пробки 5 и (или) кровли вулкана 6.

Выбирают точки для заложения регулировочных скважин 10, намечают проектные траектории их стволов и координаты забоев 11, при которых будут спускаться эксплуатационные колонны. При этом учитывают пространственное положение газонаполненной 4 части вулканического канала 1, топографические и инженерно-геологические условия: крутизну склонов, несущую способность грунтов, размеры кратера 12, наличие или отсутствие кальдеры.

Монтируют буровые установки, одновременно или последовательно пробуривают не менее двух (с расчетом дублирования, последующего подземного ремонта, исследования) регулировочных скважин 10. Сооружение скважине 10 ведут поэтапно, используют остановки в углублении для охлаждения прискважинной зоны длительной прокачкой теплоносителя и получения геотермальной энергии.

Для снижения температуры регулировочных скважин 10 при необходимости применяют противоточную закачку теплоносителя, например воды с ингибитором углекислой коррозии, других (переохлажденных) жидкостей или газов.

В период сооружения регулировочных скважин 10 дополнительно уточняют местоположение газонаполненной зоны вулканического канала 1, регулируют шум работающего долота и его частотные характеристики приборами, установленными в параметрических скважинах 7.

Доводят забои 11 регулировочных скважин 10 до проектных точек приближением к границе газонаполненной полости 4 на расстояние менее радиуса гарантированного создания в последующем зоны искусственной трещиноватости 13 или получения сообщения 14 регулировочной скважины 10 с с газонаполненной частью 4 вулканического канала 1, применяя автономный буровой снаряд или снаряд на шланго-кабеле типа "Robot Drill".

Оборудуют скважины 10 эксплуатационными колоннами и запорным противовыбросовым оборудованием.

Получают сообщение регулировочных скважин 10 с газонаполненной частью выводного вулканического канала 11 под пробкой одним из указанных способов или их комбинаций.

Искусственную трещиноватость 13 для сообщения забоя регулировочной скважины 11 с газонаполненной частью вулканического канала 4 создают, используя опыт работы по получению тепла из сухих высоконагретых пород. Минимальную проводимость трещиноватой зоны определяют по расчетному проектному максимальному дебиту регулировочных скважин 10 первые сотни тонн газа за сутки. В случае неудачной попытки создания трещиноватости 13 применяют повторное воздействие с изменением режима, возможно углубление скважин 10 и повторение операции при меньшем расстоянии до газонаполненной части 4 вулканического канала 1.

Спускают в регулировочные скважины 10 фонтанные трубы, устанавливают запорное оборудование. Созданием депрессии вызывают приток газа, оценивают давление, температуру газа и его химический состав. Проводят газодинамическое исследование скважины 10 с противодавлением на устье, их пробную эксплуатацию, уточняют по методу материального баланса газогенерирующие способности вулканической системы, оценивают потенциальную энергию сжатого и нагретого газа 4. Подбирают такой режим работы скважин 10 при котором суммарный массовый дебит газа (Q₁ фиг.2) будет примерно равен его поступлению из магматического расплава 9 (фиг.1) в полость под вулканическую пробку 4. Проводят длительную эксплуатацию регулировочных скважин 10 с оптимальным, корректируемым по результатам периодически повторяемых газодинамических исследований, режимом отбора вулканического газа, поддерживают постоянными, на заведомо безопасном, докритическом уровне энергию газа под вулканической пробкой 5 E = MRT/μ где E энергия, M масса газа, R универсальная газовая постоянная, T температура, m молекулярный вес газа, а давление ниже чем необходимо для преодоления прочности пород и литостатической нагрузки. Предохраняют таким образом от разрушения вулканическую пробку 5 и кровлю вулкана 6, исключают возможность резкого открытия вулканической системы, падения в ней давления и последующего за этим катастрофического взрывного извержения с высвобождением энергии (на несколько порядков большей, чем потенциальная энергия, преимущественно углекислого газа, скапливающегося под пробкой 5) водяного пара растворенного в магматическом расплаве 9, заполняющем вулканический канал 1 и промежуточный магматический очаг 2.

Проведением регулировочных работ не нарушают естественные процессы дегазации Земли и теплообмена в вулканической системе. Магматический расплав 9 дифференцируется с выделением только плохо растворимых в нем газовых компонентов (CO₂, CO, H₂), исключаются как возможность вскипания магмы 9 при резком открытии системы и снижения давления ниже величины давления насыщения магмы 9 водяным паром, так и кристаллизация магматического расплава 9 при интенсивном отборе тепла с опасностью ретроградного повышения давления и последующего извержения при выделении больших объемов водяного пара из остаточного магматического расплава эвтектики. Выпуск газа по регулировочным скважинам 10 из газонаполненной части 4 вулканического канала 1 ведут при постоянном наблюдении за деформациями земной поверхности (сети реперов 15) в пределах вулканической постройки 3 с помощью наклонометрии, точного нивелирования и других известных способов, по минимизации деформации подтверждают равновесное состояние вулканической системы.

Состояние вулкана в процессе регулирования контролируют также по комплексной обработке данных сейсмометрических, акустических, гравиметрических и других измерений, проводимых приборами, устанавливаемыми (опускаемыми) в параметрические скважины 7.

Поскольку регулирование вулкана рассчитано на длительный срок (тысячи лет), при необходимости сооружают новые, ликвидируют старые, приходящие в негодность регулировочные скважины 10.

Поддерживая баланс между естественной дегазацией магматического расплава 9 в вулканическом канале 1 и количеством выпускаемого по скважинам 10 вулканического газа, сохраняют на безопасном уровне энергию и давление газа, аккумулированного под пробкой 5, добиваются неограниченного продления межэруптивной стадии существования вулкана. Тем самым решается поставленная перед изобретением задача.

Пример. В 30 км севернее Петропавловска-Камчатского находятся Корякский стратовулкан. Он принадлежит к Авачинско-Корякской группе вулканов восточного вулканического пояса Камчатки. На соседнем Авачинском вулкане 30-35 тыс. лет назад произошло катастрофическое извержение, при направленном на юг взрыве было выброшено 13 км³ породы. На действующем Корякском вулкане столь мощных извержений еще не было, но геолого-морфологические предпосылки катастрофического, направленного на юг, юго-запад взрыва существуют. При этом предполагается, что в зависимости от силы извержения ареал мощной толщи обвально-взрывных отложений составит 100-400 км², край поля будет удален от эруптивного центра на расстояние 25-30 км.

В настоящее время Корякский вулкан находится в сольфатарной (межэруптивной) стадии развития, его абсолютная высота 3456 м, объем вулканической постройки 120 км³, диаметр основания 20 км. По аналогии с Авачинским вулканом можно предполагать, что кровля периферического магматического очага находится на отметках, близких к уровню моря, а температура силикатного расплава 700-800^oC. На вершине вулканического конуса расположен небольшой кратер, на севере от вершины более древний кратер диаметром 500 м, заполненный льдом.

Для реализации предполагаемого способа на западном, восточном, южном склонах Корякского вулкана при удалении от вершинного кратера не более 500-700 м и в его древнем кратере к северу от вершины пробуривают и обсаживают колоннами параметрические скважины глубиной 1000-2000 м. Проводят детальные площадные и объемные геофизические исследования вулканической постройки, включающие в том числе полевые, скважинные, межскважинные сейсморазведочные работы, скважинную гравиметрию с использованием для регистрации геофизических скважин и для возбуждения упругих колебаний.

При необходимости пробуривают дополнительные параметрические скважины и проводят следующий этап геофизических работ. Комплексно интерпретируют данные геофизических исследований, добиваются необходимой точности (десятки, первые сотни метров) определения положения газонаполненной части вулканического канала.

При получении положительных результатов принимают решение о бурении регулировочных скважин и последующего воздействия на вулканическую систему. Выбирают местоположение, монтируют буровые установки, пробуривают не менее двух регулировочных скважин глубиной 1000-2500 м. Оборудуют скважины эксплуатационными колоннами из коррозионно- и термостойких труб, устьевыми запорно-противовыбросовыми устройствами, необходимыми поверхностными установками. Добиваются получения сообщения забоев регулировочных скважин созданием искусственной трещиноватости, другим известным способом или их комбинацией с газонаполненной частью вулканического канала. Снижением забойного давления вызывают приток газа с выпуском на устье скважин. Определяют (рассчитывают по устьевым данным и плотности флюида в скважине) давление, а также температуру и состав вулканического газа. Наиболее вероятное ожидаемое давление в газонаполненной части вулканического канала 15-25 МПа.

Проводят газодинамические исследования, изменяя устьевое давление, и пробную эксплуатацию скважин с выпуском вулканического газа, утилизируют его, отбирают тепло. Ожидаемые дебиты вулканического газа (с преобладанием CO₂) при газодинамических исследованиях и пробной эксплуатации 100-500 тыс. ст. м³/сут или 10-50 т/сутки. По результатам газодинамических исследований и пробной эксплуатации оценивают потенциальную энергию, массу сжатого под пробкой газа, газогенерирующие способности вулканической системы (скорость дифференциации, выделения газа из магмы). Подбирают оптимальный режим отбора газа, в последующем длительно эксплуатируют регулировочные скважины, поддерживают баланс между массой выделяющимся из магмы и выпускаемым по скважинам газа, таким образом поддерживают равновесное состояние вулканической системы, исключают возможность разрушения вулканической пробки или кровли вулкана и последовавшего бы вслед за этим взрывного извержения.

Многие из вулканических областей густо населены, они охватывают значительные части отдельных государств, например Японии, Филиппин, Индонезии и др. Особо опасно существование людей на территориях, прилегающих к вулканам со взрывной деятельностью. Тем более, что для вулканов не во всех случаях можно знать наверняка какие из них могут быть отнесены к "действующим". Во все времена с ними были связаны трагические неожиданности. В историческое время неоднократно происходили катастрофические извержения вулканов, бездействовавших на протяжении предшествующих сотен и тысяч лет.

Преимуществом предлагаемого способа является то, что его применение не нарушает естественного хода процесса дегазации Земли, а позволяет сделать его регулируемым. Слабым воздействием частичным выпуском газа предупреждают рост выше критического уровня энергии и давления сжатого газа, этим обезвреживают спусковой механизм природного процесса, на несколько порядков более мощного, чем разрушение взрывом на выброс вулканической пробки или кровли вулкана.

Использование предлагаемого способа воздействия на вулканическую систему, в отличие от прототипа, позволяет:
избежать ущерба и потерь, приносимых взрывными извержениями вулкана, для окружающей территории.

вовлечь районы, прилегающие к вулканам с относительно частыми извержениями, в безопасное от воздействия вулкана промышленное и сельскохозяйственное освоение.

снизить ущерб от климатических глобальных аномалий: засух, экстремальных зимних холодов, летних заморозков и других явлений, связанных с изменениями прозрачности, теплообмена, нарушениями циркуляции Земной атмосферы, путем снижения ее загрязнения продуктами взрывных вулканических извержений.

Использование: для предохранения на длительное время от разрушения взрывом пробки, перекрывающей вулканический канал, и предотвращения извержения вулкана. Сущность изобретения: с помощью комплекса геофизических исследований, используя параметрические скважины, устанавливают пространственное положение газонасыщенной под пробкой части вулканического канала, пробуривают специальные регулировочные скважины, забои которых по искусственной трещиноватости сообщают с газонасыщенной частью вулканического канала, производят регулируемый выпуск газа через скважины, сохраняют энергию и давление сжатого под пробкой газа на таком уровне, чтобы избежать разрушение вулканической пробки или кровли вулкана, сохранить на неограниченное время равновесное состояние в вулканическом канале и магматическом очаге. 2 ил.

Способ воздействия на вулканическую систему, включающий исследования вулкана геофизическими методами, бурение скважин, создание искусственной трещиноватости, регулирование вулканического процесса, отличающийся тем, что используя спокойное межэруптивное состояние вулкана в интервале времени, когда энергии и давления газа под вулканической пробкой еще далеко недостаточны для разрушения и выброса перекрывающих выводной канал образований, геофизические исследования проводят с использованием специально пробуриваемых в пределах вулканического конуса или по его периметру параметрических скважин сейсмическими методами, в том числе и межскважинными исследованиями, скважинной гравиометрией в комплексе с другими геофизическими исследованиями, проводимыми на поверхности и в параметрических скважинах, определяют положение газонаполненной под пробкой части вулканического канала, принимают решение о целесообразности воздействия на вулканическую систему, пробуривают не менее двух регулировочных скважин, сообщают забои регулировочных скважин с газонасыщенной зоной искусственной трещиноватости, либо добуривают уменьшенным диаметром до вскрытия газового местоскопления автономными снарядами или снарядами на шлангокабеле, спускают подземное и устанавливают устьевое оборудование, вызывают приток газа, оценивают давление, температуру, химический состав вулканического газа, проводят газодинамические исследования с противодавлением на устье и пробную эксплуатацию, уточняют энергию газа под пробкой и газогенерирующие способности вулканической системы, подбирают режим работы скважин, при котором суммарный дебит газа был бы примерно равен его поступлению из магматического расплава в полость под вулканическую пробку, проводят длительную эксплуатацию регулировочных скважин с оптимальным, корректируемым по результатам периодически повторяемых исследований режимом отбора вулканического газа, поддерживают постоянными на гарантированном безопасном докритическом уровне энергии и давления газа под вулканической пробкой, причем выпуск газа из вулканического канала по регулировочным скважинам ведут под постоянным наблюдением за деформацией земной поверхности в пределах вулканической постройки с помощью наклонометрии, точного нивелирования и других способов и по минимизации деформаций подтверждают равновесное состояние вулканической системы.