Способ получения информации о глубинных структурах литосферы Земли Советский патент 1993 года по МПК G01V1/40 

Изобретение относится к области геофизических исследований строения и состава земной коры, точнее к прямым методам проникания в глубинные слои, и может быть использовано для получения информации о верхних границах литосферы.

Известны устройства для термического бурения, в которых проходка скважин осуществляется с помощью нагрева пород, окружающих термобур, их расплавления или испарения и последующего извлечения жидких или газообразных продуктов через скважину. Термобур состоит из тугоплавкого корпуса, тепловыделяющего элемента и приспособлений для его связи с поверхно- стью Земли.

Недостатком такого метода является необходимость поддержания механической связи с термобуром через скважину. В скважине давление вблизи термобура сущёст- .

венно меньше давления окружающих пород, поэтому возникающие сдвиговые напряжения в условиях высоких температур вызывают деформацию и заплывание скважины.

Существуют методы проникания в недра Земли путем бурения скважин. При этом бур- механически разрушает монолитность горной породы, а образцы породы извлекают через скважину на поверхность. Скважина при этом используется для механической и энергетической связи с буром и системой извлечения породы. Так достигают глубин 1.2 км, планируется бурение до 15 км.

Прототипом предлагаемого способа получения информации о литосфере является способ глубинного бурения.

Рассмотренный в прототипе метод проникания в литосферу Земли сталкивается с принципиальными трудностями.

4

00

vj КЭ

Ч

ю

со

Главная проблема достижения еще больших глубин с помощью бурения состоит в возникновении больших сдвиговых на- пряжений в горных породах вблизи скважины и в обсадных трубах. Это приводит к деформации скважины, к ее заплыва- нию или схлопыванию на больших глубинах.

Целью изобретения является разработка способаг получения информации о литосфере ЗемЛй, при котором значительно снижается общая стоимость работ.

Цель достигает„tewi , что с пеци ально оборудованную обсадную скважину с вставкой и подогревателями загружают раздробленным свинцовым ломом и по мере проникания 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- бинных слоев земной коры. При этом скважину бурят в районе прогиба в регионе с растягивающими фоновыми напряжениями., . :--:.-Загруженйе свинца заканчивают по достижении глубины с породами, представляющими особый интерес, после чего свинец по всей высоте подогревающей вставки расплавляют и улавливают всплывающие куски глубинных пород Для определения их минералогического состава.:

После расплавления всего свинца в верхнюю часть распл ава 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 теоретического рассмотрения взаимодействия свинцового столба, заполняющего участок скважины, с породами нижнего, глубинного участка скважины. Покажем , что при некоторых условиях столб расплавленного свинца под действием собственной тяжести способен проникнуть на большие глубины литосферы.-- --v

Предел прочности горных пород характеризуется величиной Смаке, физический смысл которой - предельное напряжение сдвига, при котором еще не происходит растрескивание или пластическое течение сре- ды. Величина Смаке составляет около 300 МПа для больших неоднородных блоков ультраосновных пород.

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

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

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

приближенно получить, рассматривая сферу радиуса R, с внутренним давлением р, отличным от давления на бесконечности р0. Рассмотрим следствия точно решаемых задач о деформациях и напряжениях в неограниченной среде со сферической полостью и с цилиндрической полостью, внутри которых давление равно р, а на большом удалении от полостей - ро. Согласно теории упругости компоненты тензора напряжений

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

R3 CTrr --Po-(p-po)-g-; СГ9в

30г°

3

+ ( Р-РО)

Rc 2 г3

а вне цилиндрической полости (при. ) равны

35

R О Гг - РО-- (р-ро) -j,

R2 40СГфф - ро +(р-ро) -j

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

«Шс о-ве (R) афф (R) (р - 3 ро):

55

О&акс афф(Я) (р - 2 Ро)

(3)

соответственно для сферы и цилиндра.

Разрушение скважины происходит, если абсолютная величина выражений (3) превышает предел прочности Смаке, т.е. при давлениях р, удовлетворяющих уравнениям

U lp-3po l 2СМакс: Смаке (4)

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

Таким образом, принципиально существуют четыре разных типа разрушения скважины, заполненной материалом иной плотности: схлопывание 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 плотно сти 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 p 1,3 г/см предельная глубина, на которой происходит схлопывание, оказывается равной 10,9 км, что разумно согласуется с достигнутым при бурении рекордом 12 км. Для скважины в таких же породах, заполненной расплавом (Свинца с плотностью/ 1 11,3 г/см, предельная глубина по формуле (4) оказывается равной 4,1 км. Если, кроме того, учесть, что предел прочности Смаке уменьшается с ростом температуры, то окажется, что предельная глуби на устойчивой скважины в ультраосновных породах, заполненной свинцовым расплавом, при температуре 350°С меньше 3 км.

По достижении предельной глубины обычная (заполненная относительно легким буровым раствором) скважина схлопывает- ся, 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 ,

0 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

5 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.

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

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

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

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

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

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

материала. В этом случае происходит приостановка или существенное замедление погружения системы вследствие затупле- ния 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 - заклепывание трещин - происходит вследствие падения давления после опускания свинца в основном канале. Описанные процессы боковой диффузии расплава затрудняют оценку средней скорости погружения 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 пульсацй- онно. Фаза прогрева пород- с утолщением нижней части, затем растрескивание, про. никновение расплава вниз, относительно

медленное опускание конгломерата капсул, с одновременным удлинением хвоста за

: счёт 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 по- родег начиная от дневной .поверхности; и верхней части вставки, капсулу-формирователь, создающую направленную систему трещин. Благоприятные геологические структуры отражены в прогибе границ слоев и вертикальной направленности трещин, заполняющихся расплавом свинца, поступающим из свинцового столба.

Проникновение в литосферу Земли по предлагаемому способу осуществляется следующим образом.

В районе прогиба 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

ломом до момента, когда контрольная аппаратура зарегистрирует формирование в нижней части трубы плотного столба свинца, находящегося в пластически текучем состоянии, но при температуре ниже точки

плавления. В соответствии с расчетными данными это означает начало процесса углубления столба. Процессы разрушения при этом сопровождаются излучением сейсмоэ-- миссионных волн. Регистрация сейсмоакустических сигналов стандартной сетью приемников позволит после дешифровки сейсмограмм получить информацию о глубинных слоях литосферы. Ультразвуковые 1 колебания, вводимые по свинцовому столбу

в глубинные структуры, при отражении и их последующей регистрации и интерпретации методами активного сейсмического просвечивания расширяют возможности исследования. Аналогичный результат дает

сопоставительный анализ сейсмоакустиче- ских данных с записями электромагнитных сигналов, принятых приемниками на дневной поверхности. При прохождении свинцового столба наиболее интересных зон

свинец в верхней пластичной и (или) холодной зоне расплавляют и извлекают всплывшие куски горной породы зоны разрушения. Формул а изо бретени я

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 структурах литосферы, отличающийся тем,

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

подогреватели, при этом длину вставки выбирают исходя из 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 текущего свинца регистрируют сейсмические

и акустические сигналы.

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

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