Способ получения информации о глубинных структурах литосферы земли

)5 6 01 Ч ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ИЗОБРЕТЕНИЯ ОПИСАН ПАТЕНТУИзобретение относится к области гео- венно меньше давления окружающих по- физических 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 скваиспользовано для получения информации ожины.верхних границахлитосферы, Существуют методы проникания в неИзвестны 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 извлеченияна 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 пр связи с термобуром через скважину. В сква- никания в литосферу Земли сталкивается жине давление вблизи термобура сущест-; принципиальными трудностями. о- с 1(56) 1, Авторское свидетельство СССР 1 Ф 269864, кл. Е 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 ЗЕМЛИ57) 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 ольцевом 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, 1787279зстгг = Ро-(Р- Ро) - ; ст = стфф=- р +30 гззз (1)2 гза вне цилиндрической полости (при гВ)равны35(3) Главная проблема достижения ещебольших глубин с помощью бурения состоит в возникновении больших сдвиговых напряжений в горных породах вблизискважины и в обсадных трубах, Это приводит к деформации скважины, к ее заплыванию или схлопыванию на больших глубинах.Целью изобретения является рэзработка способа получения информации о литосфере Земй, при котором значительноснижабтя общая стоимость работ.Цель достигают тем, что специальнооборудованную обсадную скважину с вставкой и подогревателями загружают раздробленным свинцовым ломом и по мерепроникайия в более глубокие уровни литосферы пластически текущего свинца регистрируют сейсмические, акустические и, другие геофизические поля и сигналы и по:их характеристикам судят о свойствах глубинных слоев земной коры. При этом скважину бурят в районе прогиба в регионе срастягивающими фоновыми напряжениями,Загружение свинца заканчивают по достижении глубины с породами, представляющими особый интерес, после чего свинецпо всей вь 1 соте подогревающей вставки расплавляют и улавливают всплывающие кускиглубиннь х пород для определения их минералогическогосостава,После расплавления всего свинца в верхнюю часть расплава через устье скважинывводят источник ультразвуковых колебанийи полем ультразвуковых колебаний, распространяющихся по столбу жидкого свинца,облучают донную часть зоны внедрениярасплава в глубинные породы литосферы сцелью регистрации и изучения отраженныхи преломленных сигналов.Реализуемость предлагаемого методаследует из теоРетйческого рассмотрениявзаимодействия свинцового столба, заполняющего учасгок скважины, с породаминижнего, глубинного участка скважины. Покажем, что прй некоторых условиях столбрасплавленного свинца под действием собственной тяжести способен проникнуть нэбольшие глубины литосферы, "Предел прочности горных пород характеризуется величиной бмакс, физическийсмысл которой - предельное напряжениесдвйга, при котором еще не происходит растрескивание или пластическое течение среды, Величина бракс составляет около 300МПа для больших неоднородных блоковультраосновных пород.Рассмотрйм напряжения в среде вокругскважины глубины Н, пробуренной в однородной среде с плотностью р о и заполненной жидкостью с плотностью р 1 . р 1 может быть как меньше, так и большего. Давление жидкости в нижней части заполнейной скважины равно р == р 1 дН, а равновесное давле ние на этой глубине равно р =.ро дН,Поскольку радиус скважийы В мал посравнению 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 В (на бесконечности) давление равно ро. Напряжения вокруг окончания скважины можно 15 приближенно получить, рассматривая сферу радиуса Й, с внутренним давлением р, отличным от давления на бесконечности ро,Рассмотрим следствия точно решаемыхзадач о деформациях и напряжениях в неог рэниченной среде со сферической полостьюи с цилиндрической полостью, внутри кото-.рых давление равно р, а на большом удалении от полостей - ро. Согласно теории упругости компоненты тензорэ напряжений 25 О в среде вне сферической полости (при гВ) равны При большом удалении от сферы и отцилиндра (при г В) все диагональные компоненты тензора напряжений, так и должно 45 быть. оказываются равными ро. На поверхностях сферы и цилиндра при г= В нормальные напряжения ст, как следствие граничных условий, оказываются равными р, а тангенциальные достигают своих мэкси мальных значений, равных Ойккс = стэе (В) = стфф (В)(Р З Ро )1 Осмао стфф(й) (Р 2 Ро) соответственно для сферы и цилиндра.Разрушение скважины происходит, если абсолютная величина выражений (3) пре 1787279510 15 20 25 30 35 40 45 50 вышает предел прочности бмакс, т.е, при давлениях р, удовлетворяющих уравнениям О 1 р - Зро 1= 26 макс, 1 ррз 1= Омакс (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 =родН, Если скважина заполнена на высоту Н 1 (т,е. до глубины к = Н - Н 1) наполнителем - материалом с плотностью р 1, то давление внутри скважины вблизи ее нижнего конца равно Р =Р 19 Н 1,Таким образом, прийципиально 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 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 скважйны или проникновение наполнителя в окружающую породу по горизонтальным трещинам.При заполнении обычной скважины в кристаллической горной породе буровым раствором с плотностью р 1 = 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 1 = 11,3 г/см, предельная глубйна по формуле(4)оказывается равной 4,1 км. Если, кроме того, учесть, что предел прочности Омакс 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 само- углубляться, 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 на боковую диффузию - насыщение боковых трещин вдоль канала иглы.Другая, по существу близкая, возможность приостановки погружения - достижение столбомсвинца горизонта непрочных пород или пород с высокой боковой проницаемостью, или же - напротив - пласта существенно 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" 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 частьматериала, 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, зэполняющаяся 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 части, затем растрескивание, проникновение расплава вниз, относительно медленное опускание конгломерата капсул содновременным 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 скважинойназемный павильон с системой подачи свинцового лома, геофизической аппаратурой, ультразвуковым источником и т.д. Затем загружают трубу скважины свинцовым5 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 10 данными это означает начало процесса углубления столба. Процессы разрушения при этом сопровождаются излучением сейсмоэ-. миссионных волн, Регистрация сейсмоаку 15 стических сигналов стандартной сетью приемников позволит после дешифровки сейсмограмм получить информацию о глубинных слоях литосферы. Ультразвуковыеколебания, вводимые по свинцовому столбу20 в глубинные структуры, при отражении и их 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 ю (или) холод 30 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 ющийсятем,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 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 и. 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в качестве теплового источника на забое скважины размещают капсулу с радиоактивными элементами,45 подогреватели, при этом длину вставки выбирают исходя иэ условия обеспечения процесса разрушения пород в соответствии с их