Применение технологии сверхглубокого бурения для изучения земной коры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

По дисциплине «Общая геология»

«Применение технологии сверхглубокого бурения для изучения земной коры»

Содержание

1. Ведение

2. История проблемы

3. Программа сверхглубокого бурения в Советском Союзе

3.1 Кольская скважина

3.2 Саатлинская скважина

4. Бурение сверхглубоких скважин

5. Новая техника и технологии бурения

6. Научные результаты сверхглубокого бурения

Заключение

Литература

1. Ведение

Прогресс зависит от геологической науки!

Стремительно развивающаяся промышленность требует все новых и новых полезных ископаемых, и во все возрастающем количестве. Для поисков полезных ископаемых и научного прогноза нужны разнообразные современные геологические разработки.

Особую актуальность приобрели сейчас вопросы сверхглубокого бурения, так как запас полезных ископаемых, находящихся на поверхности Земли, почти исчерпан. Огромную важность в освоении сверхглубокого бурения имеют проблемы, которые пока не решены, так как от скорости их решения зависит общественный прогресс вообще всей земной цивилизации. Конечно, хотелось бы, чтобы решение этих проблем было найдено российскими учеными, что повысило бы авторитет нашей страны на международном уровне.

В настоящее время к числу наиболее актуальных вопросов сверхглубокого бурения относятся:

1. Разница гидростатического и литостатического давления при бурении;

2. Обеспечение надежной работы бурового оборудования при высоких температурах;

3. Самая большая проблема возникает с измерительной аппаратурой, с электроникой;

4. Самопроизвольное искривление глубоких скважин в процессе бурения;

5. Мертвый прихват бурового снаряда.

И подобные им проблемы.

Интерес к этим вопросам обусловлен многочисленной вариативностью их решения, без существования пока четкой научной разработки.

Акцент в данной работе делается на значимость вышеуказанных вопросов при сверхглубоком бурении.

Цель данной работы - дать общее представление методов сверхглубокого бурения на примерах всемирно известных скважин и выделить актуальные проблемы, требующие скорейшего решения.

Работа может быть рекомендована для обучающихся, получающих соответствующее профессиональное образование.

Ожидаемые результаты:

- системное видение обозначенных проблем и возможность их изменения в целях улучшения качества геологических научных разработок;

- умение видеть в каждом практическом деле творческое начало.

сверхглубокий бурение скважина порода

2. История проблемы

Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с поверхности земли, а о составе и строении земных глубин можно судить лишь по косвенным данным. Поэтому геологи стремятся проникнуть как можно дальше в глубь земли с помощью бурения.

Буровые скважины чаще всего проходят для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, для извлечения из недр воды, нефти и газа, для инженерных изысканий и других прикладных целей. Кроме этого, бурение в последние десятилетия все шире используется как метод решения фундаментальных научных проблем современной геологии. Результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические представления, которые до этого казались очевидными и незыблемыми.

Начало систематического научного бурения относится к 60-м годам. В 1968 году в США было спущено на воду специальное буровое судно «Glomar Challenger» (рис.1) и началась реализация международной программы глубоководного бурения в океанах.

В 1985 году на смену пришло новое судно «JODES Resolution» и программа океанского бурения была продолжена. За тридцать лет в мировом океане пробурили сотни скважин, которые пересекли рыхлые осадки океанского дна и углубились в подстилающие базальты. Самая глубокая скважина, пробуренная в Тихом океане к югу от берегов от Коста-Рики, достигла 2105 м ниже океанского дна. Результаты океанского бурения открыли новую страницу в геологии, поскольку раньше прямых данных о строении океанского дна практически не было.

В отличии от относительно мелких скважин которые бурят для разведки твердых полезных ископаемых, скважины научного бурения на континентах, как правило относятся к категории глубоких (3-7км) и сверхглубоких (более 7 км). В этом отношении они сопоставимы лишь со скважинами, пробуренными для поисков, разведки и эксплуатации глубоко залегающих месторождений нефти и газа, известных, например, на юге США. За последние 30 лет в штатах Техас и Оклахома пробурено более 350 скважин глубиной 6,5-7 км и 50 скважин глубиной более 7 км, 4 скважины более 9 км. Самая глубокая - Берта Роджерс (9583м) была пробурена в 1973-1974 годах всего за 502 дня. Столь высокая скорость прохождения обусловлена как возможностями американской техники, так и тем, что бурение осуществлялось без отбора керна, то есть без подъема образцов породы на поверхность. Отбор керна требует большого дополнительного времени, но совершенно необходим при научном бурении. Поэтому глубокие и сверхглубокие поисковые и разведочные скважины имеют ограниченное значение как источники научной информации.

3. Программа сверхглубокого бурения в Советском Союзе

Первая программа систематического, континентального сверхглубокого бурения с научными целями разработана и осуществлена в Советском Союзе. Основополагающие идеи этой программы были сформулированы в 1960-1962 годах. Первая из сверхглубоких скважин в СССР - Аралсорская в Северном Казахстане - достигла 5600 м, Саатлинская на Кура-Араксинской низменности Азербайджана - 8200 м, Уренгойская в Западной Сибири - 7800 м. Были заложены еще несколько скважин: Криворожская, Уральская, Мурунтауская, Кубанская. В мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 км от города Заполярного началось бурение Колськой сверхглубокой скважины. Ее проектная глубина была определена в 15 км.

Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них (в Германии) превзойдет Кольскую. Однако бурение на всех трех, так же как и на СГ, было прекращено из-за аварий.

В последующие годы в СССР было пробурено еще 10 научных скважин глубиной от 4 до 9 км. Для выполнения программы комплексного изучения недр земли и сверхглубокого бурения в 1986 году было создано специальное государственное научное предприятие (ГНПП) «Недра» (Ярославль). В настоящее время в России продолжается бурение только одной Уральской сверхглубокой скважины.

Успехи Советского Союза стимулировали разработку программ научного континентального бурения в Германии, Франции, США, Канаде, Японии, Великобритании и других странах. Одним из наиболее известных результатов явилось бурение немецкой сверхглубокой скважины КТБ-Оберпфальц в Баварии (1990-1994годы), которая достигла глубины 9101м.

3.1 Кольская скважина

Кольская Сверхглубокая скважина, СГ-3, - одна из главных достопримечательностей области. Глубина ее составляет 12 262 м - до сих пор остается непревзойденной.

Это одна из немногих скважин, которую бурили не ради разведки или добычи полезных ископаемых, а с чисто научными целями: изучить древнейшие породы нашей планеты и идущие в них процессы. Кольская Сверхглубокая (государственный индекс - СГ-3) была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Сегодня на Кольской Сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено в 1992 г. В феврале 1995 г. СГ была переведена в режим глубинной геолаборатории.

Для бурения СГ в 1970 г. была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Скважину и буровую вышку построили в 10 км от Заполярного, по соседству с озером с невыговариваемым названием Вильгискоддеоайвинъярви, в переводе с саамского "озеро у Волчьей горы". Место бурения выбрано неслучайно: Балтийский щит, на поверхность которого выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет (при возрасте Земли около 4,5 млрд. лет). Бурение началось в мае 1970 г. Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. Ее вели серийной установкой, которую обычно используют при добыче нефти и газа. Далее потребовался почти годовой перерыв для монтажа специальной буровой установки "Уралмаш-15000". Именно с ее помощью велось дальнейшее бурение.

1983 год ознаменовался рекордом: глубина бурения превысила 12 км. Скважина стала глубочайшей выработкой в мире.

Кольская Сверхглубокая, как и другие скважины, - отнюдь не прямое вертикальное отверстие от поверхности земли до забоя. Скважина пересекает наклонные пласты различной плотности. (рис1)

Рис. 1.

При этом она "извивается", потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород. При значительных отклонениях скважину пытаются "вернуть на место". Нередко случаются аварии с потерей бурового инструмента и части труб. После этого приходится делать новый ствол, отступив в сторону. Так, крупнейшая авария на Кольской Сверхглубокой произошла 27 сентября 1984 г.: в скважине остались 5 км труб. Это была "черная дата" в истории Сверхглубокой, когда пришлось начинать новый обходной ствол с глубины 7 км. Всего в скважине было пробурено 12 таких обходных стволов. Таким образом, скважина похожа на корневую систему гигантского растения. При этом ученые получили чрезвычайно ценную для науки объемную модель участка земной коры.

По научной значимости бурение сверхглубоких скважин неслучайно сравнивают с космической экспедицией к другой планете. Образцы пород, извлеченные из земных недр, представляют не меньший интерес, чем, например, образцы лунного грунта. Так, исследования лунного грунта показали почти полную его идентичность породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около 3 км. Результаты бурения поставили много других вопросов. На 10-километровой глубине были обнаружены 14 видов микрофасилий - окаменевших остатков древних живых организмов. Эта находка означала, что сроки существования жизни на нашей планете - не 1,5, а 3 млрд. лет. Во время бурения из глубин, где уже нет осадочных пород, появлялся метан. Так была поставлена под сомнение теория чисто биологического происхождения углеводородов. Скважина преподнесла также и практический подарок: на глубине 1,6-1,8 км были вскрыты промышленные медно-никелевые руды - обнаружен новый рудный горизонт.

На Кольской Сверхглубокой использовалось турбинное бурение, при котором вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подается буровой раствор, вращающий стоящую внизу турбину. Общая длина турбины 46 м, она завершается кольцевой буровой головкой (ее часто называют коронкой), диаметром 214 мм. В середине остается неразбуренный столбик породы - керн диаметром 60 мм. Через все секции турбины проходит труба - керноприемник, где собираются столбики добытой породы.

Измельченная порода вместе с буровым раствором выносится по скважине на поверхность. Масса колонны, погруженной в скважину с буровым раствором, около 200 тонн. Использовались специально разработанные трубы из легких сплавов; колонна из обычных стальных труб разорвалась бы под собственным весом. Одна проходка, определяемая износом буровой головки, составляла обычно 7-10 м. В 1991 году бурение прекратили на глубине 12261м. Кольскя скважина до сих пор остается самой глубокой в мире.

3.2 Саатлинская скважина

В 1977 году было начато бурение Саатлинской скважины в Куринской впадине на территории Азербайджана. Проектная глубина этой скважины была 11 км. Саатлинская сверхглубокая скважина в отличие от Кольской бурилась в области "молодой" континентальной земной коры Средиземноморского подвижного пояса. Активное геологическое развитие этого пояса протекало в так называемый альпийский период, начавшийся в мезозое и продолжающийся в настоящее время. Скважина заложена в Закавказье в Куринской низменности вблизи слияния рек Куры и Аракса, в нефтегазоносном районе. Она достигла глубины 8324 м. Эта скважина должна была выяснить возможности обнаружения нефтяных и газовых залежей на больших глубинах и установить положение кристаллического фундамента современной Куринской низменности, образованной между двумя крупными горными хребтами - Большим и Малым Кавказом.

К сожалению, не оправдались ожидания вскрыть в пределах Саатлинской структуры нефти и газоносные горизонты (хотя в отдельных породах разреза и установлено присутствие небольших количеств углеводородов). Скважина, по всей вероятности, угодила непосредственно в один из крупных длительно развивающихся вулканических центров, в пределах которых скопления углеводородов не создаются.

Несмотря на то что Саатлинская скважина не достигла проектной глубины 15 км, вскрытый ею разрез дал много нового для понимания глубинного строения Кавказа и истории его развития. Прежде всего удалось установить, что территория Куринской впадины в мезозое представляла собой море, на дне которого шли бурные вулканические процессы. Огромные массы вулканических продуктов образовали сначала подводные горы, которые затем поднялись над водой и превратились в цепь вулканических островов - островную дугу. Она протягивалась примерно с юга на север в том же направлении, в котором и до настоящего времени геофизики устанавливают крупную глубинную аномалию в строении земной коры.

4. Бурение сверхглубоких скважин

Существуют разные способы бурения. Если глубина скважины не велика, то двигатель, находящийся на поверхности, вращает колонну стальных бурильных труб; на нижнем конце трубы крепится буровая коронка (рис3), армированная твердыми сплавами или алмазами.

Вращаясь коронка вырезает цилиндрический столбик породы, которая постепенно заполняет специальную внутреннюю (колонковую) трубу, при бурении без отбора керна часто используют буровые головки, которые представляют собой систему нескольких вращающихся конусов, армированных твердыми сплавами (рис4).

Если стенки скважины неустойчивы, в нее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный глинистый раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, выноса мелких частиц породы (шлама) и других целей. Время от времени колонну буровых труб поднимают на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой вышке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изношенную коронку на новую и опять опускают буровой снаряд на забой.

Бурение сопровождается измерениями физических свойств пород вдоль ствола скважины. Для этого на специальном кабеле в скважину опускают приборы которые фиксируют температуру, электропроводность, магнитную восприимчивость и друге свойства пород. Этот процесс называют каротажем скважин.

Как показывает опыт бурения в США и других странах, Увеличивая мощность двигателей и давления насосов, нагнетающих буровой раствор, повышая грузоподъемность лебедок и прочность стальных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9-10 км. Для более глубоких скважин нужны нетрадиционные инженерные решения. Многие из них были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения.

Так, если забой скважины находится на многокилометровой глубине, целесообразно использовать забойные двигатели, установленные не на поверхности а в нижней части буровой колонны, которая при этом сама не вращается. Забойные двигатели представляют собой миниатюрные турбины или винтовые механизмы, которые приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в скважину.

Для того чтобы уменьшит вес колонны буровых труб длинной в несколько километров, их изготавливают из специальных легких, но достаточно прочных и термостойких сплавов. Например при бурении Кольской скважины были использовали алюминиевые сплавы, которые в 2-4 раза легче стали. Для этих же целей предлагается применять трубы из титановых сплавов.

Когда скважина достигает большой глубины, возникает значительная разница между гидростатическим давлением столба бурового раствора и литостатическим давлением, обусловленным весом горных пород. В результате стенки скважины могут быть разрушены, что приводит к серьезным осложнениям при бурении. Для того чтобы уравновесить горное давление увеличивают плотность бурового раствора примерно до 2г на сантиметр кубический, добавляя в него специальные наполнители.

Одна из наиболее сложных технических задач заключается в том, чтобы обеспечивать надежную работу бурового оборудования при высоких температурах, существующих в сверхглубоких скважинах. Это касается металлических деталей, их соединений, смазок, бурового раствора и измерительной аппаратуры. Хотя на забое, то есть в самой нижней точки скважины Солтон-Си в США на глубине 3220м была зафиксирована температура 355 градусов С, а в другой скважине, пробуренной до1440м в одной из вулканических структур на западе США, измеренная температура достигла 465С, современные технические средства не позволят бурить сверхглубокие скважины при столь высоких температурах в течении длительного времени, поскольку термостойкость существующего оборудования не превышает 200-300С. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150С. Водные Буровы растворы сохраняют технологические свойства до 230-250С. При более высокой температур приходится переходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов ограничивающих глубину научного бурения.

Серьезные технические трудности связаны с самопроизвольным искривлением глубоких скважин в процессе бурения из-за неравномерного разрушения парод на забое, геологических неоднородностей, разреза и других причин. Например, забой Кольской скважины на глубине 12 км отклонился от вертикали на 840м. существуют технические приемы удержания скважины в вертикальном положении. Так, благодаря удачной конструкции скважина КТБ-Оберпфальц в Германии оставалась до глубины 7500 м самой вертикальной скважиной в мире. Однако глубже это приспособление вышло из строя из-за высоких давлений и температур, и скважина пошла своим путем; в результате на глубине 9101м она отклонилась о вертикали на 300 м.

Сверхглубокое бурение требует создания специальной измерительной аппаратуры, контролирующей условия вдоль ствола на забое. Обычная технология каротажа с датчиками, которые опускают в скважину на термостойком кабеле, мало пригодна для этих целей. Разработана телеметрическая и другая электронная аппаратура, которая крепится на буровом снаряде, а так же автономные измерительные приборы, которые опускаются вниз и выносятся наверх потоком бурового раствора, сигналы датчиков могут передаваться не по проводам,, а гидравлическим способом, путем создания импульсов давления в буровом растворе.

Глубокие и сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают с самого большого диаметра (92 см в Кольской скважине, 71см в скважине КТБ-Оберфальц), затем переходят на меньшие. Нижняя часть Кольской скважины пробурена диаметром 21,5 см. а диаметр скважины КТБ-Оберфальц на забое был 16,5 см.

Механическая скорость бурения составляет в среднем 1-3м/час. за один рейс между спуско-подъемными операциями углубляются в среднем на 6-10м. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3-0,5 м/с. Не менее 10% тратится на измерения в скважине. В целом бурение одной сверхглубокой скважины занимает годы и стоит очень дорого. Например бурение одной сверхглубокой скважины в Германии обошлось в 583 млн немецких марок. Затраты на сверхглубокое бурение в нашей стране были не меньше.

При бурения сверхглубоких скважин нередко возникают аварии, вызванные мертвым прихватом бурового снаряда и другими причинами. На устранение аварии требуется много времени, зачастую их не возможно устранить, приходится начинать бурение нового ствола. Поэтому многокилометровый столбик керна диаметром от 5 до 20 см, который являются одним из основных, но не единственным результатом научного бурения, становится поистине драгоценным. Керн тщательно документируют и хранят в специальных помещениях. Его изучением занимаются большие коллективы специалистов, которые проводят разнообразные исследования. Например, материал, полученный при бурении немецкой сверхглубокой скважины, изучали около 400 ученых, результаты этих исследований были опубликованы в 2000 научных публикаций!

После того как бурение сверхглубокой скважины закончено, она превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты следят за изменением режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят различные эксперименты. Такие лаборатории созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберфальц в Германии.

5. Новые техника и технологии бурения

Бурение сверхглубоких скважин (более 6000 м) имеет ряд особенностей по сравнению с бурением скважин на освоенные глубины. В частности, исходные геологические данные для проектирования сверхглубоких скважин, как правило, прогнозные и не имеют достаточной степени достоверности; проектные решения по способам бурения, конструкции скважины, выбору технических средств бурения (бурильных труб, долот), а также материалов для буровых и тампонажных растворов содержат несколько возможных вариантов, которые корректируются или даже меняются по мере углубления скважин; большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ - необходимое условие обеспечения оптимальных технико-технологических решений в условиях многовариантности геологического строения и др.

В настоящее время требованиям сверхглубокого бурения удовлетворяют только два основных способа - турбинный и роторный. В мировой практике нефтегазопоискового бурения преимущественно используется роторное бурение, но расчеты свидетельствуют о том, что при глубине более 10000 м предпочтительным остается бурение забойными двигателями.

Конструкция скважины, включая число обсадных колонн, их диаметр и глубину спуска, определяется с учетом многих факторов. Решающее значение в кристаллических породах играют их физико-химические свойства. Для осадочных пород важно избегать несовместимости условий бурения в разных интервалах разреза, а также обеспечивать герметичность затрубного пространства и возможность установки соответствующего по давлению противовыбросового оборудования. При выборе конструкции оцениваются стойкость труб от механического износа и их прочностные свойства, а также допустимая масса секций труб. Во многом сочетание диаметров обсадных колонн в скважине зависит от диаметра конечной колонны, которая должна соответствовать условиям проводимых в ней исследований.

Был разработан и внедрен принципиально новый метод бурения открытым стволом оптимального диаметра, позволивший в 5-6 раз сократить металлоемкость конструкции скважины (по сравнению со скважинами на нефть и газ), исключить износ зацементированных обсадных колонн, предотвратить непреодолимые осложнения и тем самым обеспечить возможность бурения на большие глубины.

Для бурения Кольской сверхглубокой скважины была создана отечественная буровая установка БУ-15000 грузоподъемностью 400 т при давлении нагнетания 400 кг/см2 с максимальной автоматизацией процессов бурения (спуск и подъем бурового инструмента, подача долота) и бесступенчатым регулированием основных технических процессов за счет применения привода на постоянном токе. Установка рассчитана для проходки скважин до глубины 15 км. Автоматизация позволила в несколько раз увеличить скорость бурения.

Сверхглубокое бурение обусловило совершенствование конструкции и повышение термостойкости объемных двигателей и маслонаполненных редукторов, которые могли работать при температурах до 160-180°. Они стали основными низкооборотными машинами для работы с шарошечными долотами с герметизированными опорами, алмазными долотами и долотами типа "Стратопакс".

Специально для бурения сверхглубоких скважин были сконструированы породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в том числе с маслонаполненной герметизированной опорой, обеспечившие показатели отработки, на 15-20% превышающие средние проектные параметры, а на больших глубинах - на 70-100%. Были созданы термостойкие редукторные турбобуры, устойчиво работающие со скоростью вращения 80-200 об/мин (забойный двигатель работает от энергии потока жидкости без вращения колонны или с ее вращением на минимальной - 2-4 об/мин - скорости). Сконструированы и внедрены в практику эффективные средства контроля работы турбобура на забое, без которых невозможно бурение забойным двигателем на глубинах более 8-9 км с контролем процесса по наземным датчикам. Внедрены в производство новые типы керноотборных снарядов с гидротранспортом керна в камеру складирования, которые обеспечили приемлемые показатели отбора пород практически по всей глубине скважины. Новый колонковый снаряд позволяет сохранять от истирания значительную часть выбуренного керна и поднимать его на поверхность: процент выноса керна с больших глубин повышается в 2-3 раза против обычного. Разработана принципиально новая технология ликвидации тяжелых призабойных осложнений методом безориентированного забуривания нового ствола без установки цементного моста, которая была трижды успешно применена при бурении Кольской сверхглубокой скважины на глубинах более 7 км.

Учеными и конструкторами был создан ряд уникальных приборов и аппаратуры, что обеспечило проведение наиболее полного в мировой практике комплекса исследований. Среди них аппаратура акустического каротажа, позволившая изучать закономерности акустических полей и определять интервальные и пластовые скорости распространения упругих колебаний поперечных и продольных волн, и семейство аппаратуры спектрометрического гамма-каротажа, которая обеспечила точные спектрометрические исследования при температуре до 250°С и давлении до 210 МПа.

На Кольской сверхглубокой скважине была внедрена информационно-измерительная система, включавшая три основные программно-аппаратные подсистемы для подготовки к рейсу, контроля бурения, определения итогов рейса.

На Тюменской сверхглубокой скважине использовалась станция автоматической оптимизации бурения, разработанная ВПО "Союзгеотехника". Система обеспечивала оптимизацию по рейсовой скорости или проходки на долото, корректировку выбранного режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса, распознавание на ранней стадии возникновения предаварийных и аварийных ситуаций и их вероятную оценку.

6. Научные результаты сверхглубокого бурения

Ни одна из сверхглубоких скважин не подтвердила полностью геологического разреза, который предполагался до начла бурения; во многих случаях расхождения оказались кардинальными. Сам этот факт подтверждает приблизительный характер современных знаний о глубинном строении континентальной земной коры и доказывает необходимость глубокого научного бурения. Так, Криворожская скважина была пробурена в центре железорудного бассейна с целью доказать, что железистые кварцы, выходящие на поверхность в виде полосы протяженностью около 120 км, погружаются до глубины 6-8 км, а затем, изгибаясь, снова выходят на поверхность. Результаты бурения показали, что глубинная структура этого бассейна представляет собой не изогнутую складку, а серию параллельных наклонных пластов, уходящих на глубину более 10 км. Надежды на открытие новых рудных залежей на доступных для добычи глубинах не оправдались.

Главная задача, которая стояла перед первыми сверхглубокими скважинами - Кольской и Саатлинской, -заключалась в достижении кровли так называемого базальтового слоя земной коры, который давно уже выделялся по геофизическим данным, указывающим на возрастание скорости прохождения упругих волн и увеличение плотности в основании гранитного слоя. Формирование такой зоны вызвано тем, что при температуре 60-100С химически и физически связанная вода и другие летучие соединения переходят в свободное состояние с образованием гидроразрывов и частичным растворением горных парод. Этот эффект затем был обнаружен и в других глубоких и сверхглубоких скважинах. Тем самым было доказано, что волновая картина, которая фиксируется сейсмическими методами, отражает не столько изменение состава пород с глубиной, сколько изменение его напряженного состояния и фильтрационных свойств. Стало ясно, что двухслойная модель строения континентальной земной коры по крайне мерее не является универсальной.

Эти результаты важны не только для интерпретации геофизических данных. Они позволили по-новому оценить общие условия формирования глубинной гидросферы Земли и понять природу некоторых явлений, которые ранее оставались необъяснимыми: в частности появления глубинных зон избыточного давления, не соответствующего весу вышележащих пород, противодействие глинистых толщ уплотнению при их погружению на большие глубины, когда они превращаются из традиционных малопроницаемых упоров в пористые коллекторы нефти и газа.

Как следует из материалов бурения Саатлинской скважины, подземные воды могут проникать в изначально сухие кристаллические породы из перекрывающих осадочных толщ (механизм нисходящей фильтрации). Таким путем могут формироваться и глубокие залежи нефти. Тюменская сверхглубокая скважина, пробуренная в 20 км к западу от Уренгоя до глубины 7502 м, подтвердила этот вывод. На глубинах 6424 м до забоя она вскрыла толщу базальтов, которые в отличии от аналогичных по возросту и составу парод, обнаженных на поверхности в восточной Сибири, оказались очень пористыми и микротрещиноватыми, поскольку выделявшаяся при уплотнении вышележащих толщ осадочных толщ вода вступала во взаимодействие с подстилающими сухими базальтами так, что в конце концов они превратились в проницаемые глубинные коллекторы, благоприятных для накопления газоконденсатных и газовых залежей.

Изучение распределения химических элементов в керне глубоких и сверхглубоких скважин привело к выводу, что процессы геохимической миграции с образованием повышенных локальных концентраций тех или иных металлов характерны не только для приповерхностной зоны, но протекаю и на глубине многих километров. Так, аномально высокие содержания золота и серебра были установлены в Кольской скважине на глубине около 10 км. Следовательно руды могут залегать на весьма большой глубине, что согласуется с результатами разведки некоторых известных месторождений, где оруденение прослежено скважинами и горными выработками на несколько километров от дневной поверхности. Так в пустыне Кызылкумы вблизи золоторудного месторождения Мурунтау, которое является одним из крупнейших в мире, пробурены глубокая скважина, а так де четыре скважины спутника суммарной глубиной 5000м. с их помощью удалось изучить состав и строение рудовмещающих осадочных парод пород, а на глубине 4000м вскрыть купол гранитов. Промышленное золотое оруденение было прослежено до глубины 1100м. По данным бурения, на глубоких горизонтах месторождения можно ожидать запасы золота которые оцениваются в 3 тыс. т.

Если целесообразность практического извлечения руд с глубины 5-10км проблематична, то теоретическое значение геохимических данных, полученных при сверхглубоком бурении, в сочетании с открытиями, которые относятся с сохранению высокой проницаемости и пористости горных пород до 10-12 км, исключительно велико. Эти данные подтверждают возможность широкомасштабной циркуляции нагретых вод, которые взаимодействуют с пародами земной коры. Если это так то источники рудного вещества на месторождениях следует связывать не с гипотетическими подкоровыми глубинами, а с реальными процессами перераспределения химических элементов в верхней и средней частях континентальной коры.

Большой интерес представляют результаты бурения Воротиловской скважины, которая была заложена в 60 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода для изучения кратера который образовался при падении крупного метеорита. Это событие произошло около 200 млн лет назад и сопровождалось мощным взрывом. Горные пароды были раздроблены и разбиты многочисленным трещинами до глубины около 3 км. В эпицентре взрыва под воздействием взрывной волны кристаллическая решетка многих минералов оказалась разупорядоченной, и они превратились в аморфные стекла. В момент взрыва температура достигла 2000-3000С, и после прохождения ударной волны, когда давление резко снизилось, твердые пароды плавились и возможно частично испарялись. Позднее взрывной кратер был перекрыт более молодой осадочной толщей. Скважина глубиной 5374м вскрыла полный вертикальный разрез кратера, что позволило детально изучить все эффекты древнего взрыва, последствия которого поражают воображение. В результате удара метеорита крупный блок земной коры сначала был сильно сжат, а затем выдвинулся вверх почти на 2 км относительно первоначального положения. На поверхности образовался кратер диаметром 80 км, заполненный раздробленным и частично расплавленным материалом. Среди новообразованных минералов были обнаружены и алмазы, которые возникли в момент взрыва из органического углерода, первоначально заключенных в осадочных породах мишени.

Главная задача бурения сверхглубокой скважины заключается в получении прямой информации о фундаменте Уральского подвижного пояса. В настоящее время специалисты обсуждают две альтернативные модели. Согласно одной из них, на месте Урала ранее существовал обширный океан. Другая модель предполагает, что Уральский пояс был заложен на континентальном основании. Обе модели имеют далеко идущие геологические следствия. Прямые сведения о составе пород, залегающих сейчас на глубине 10-15км, внесут ясность в эту проблему.

Теплофизические измерения в глубоких и сверхглубоких скважинах позволили существенно уточнить распределение температур и величину глубинного теплового потока. Оказалось, что температуры и плотность теплового потока во многих случаях заметно превышают те оценки, которые получены экстраполяцией данных по приповерхностной зоне. Так, в Кольской скважине температура на глубине 12 км оказалась равной 212С вместо предполагавшихся 120С. Скорее всего, это связано с тем, что нижняя часть разреза этой скважины сложена гранитными породами, которые содержат значительно больше радиоактивных теплотворных элементов (U, Th, K), чем пароды базальтового слоя в проектном разрезе. По расчетам температура в районе этой скважины на глубине 30 км равна 460С, а на глубине 42км в основании земной коры достигает 580С.

Аномально высокие температуры характерны для Тырныаузской скважины, пробуренной на северном Кавказе. Температура на глубине 4 км повышается здесь до 223С. Эта скважина пересекает граниты, которые были внедрены в земную кору всего 2 млн лет назад в виде магматического расплава с начальной температурой 900-700С. К настоящему времени граниты не успели окончательно остыть.

Согласно проекту, разработанному в ГНПП «Недра», Тырныаузская скважина должна была служить главным элементом опытной геотермальной станции, использующей тепло сухих нагретых гранитов. Для этого предполагалось закачивать в эту скважину холодную воду, а через пробуренную рядом вторую скважину извлекать горячую воду на поверхность. Планировалось зацементировать ствол до глубины 3457м, ниже пробурить 350-400 метровое наклонное отверстие, а рядом- еще одну скважину для подъема воды. Водя, нагнетаемая под давлением, должна была расширять трещины в граните, увеличивая его проницаемость, нагреваться до 240С и подниматься на верх. Согласно расчетам такая конструкция могла обеспечить горячей водой соседний город Тырныауз. К сожалению, из-за возникших экономических трудностей этот интересный проект остается пока нереализованным. Существуют и другие, еще более смелые проекты глубокого бурения с целью практического использования тепла земли.

Заключение

Современная техника позволяет бурить скважины на континентах глубиной до 10-15км. Прямое проникновение на большие глубины требует новых технологий бурения и остается пока делам будущего. Первые впечатляющие научные результаты позволяют надеяться, что необходимые технические средства будут созданы достаточно быстро.

Полученные с помощью глубокого и сверхглубокого бурения новые данные о реальном глубинном строении земной коры, в том числе о явлениях активного взаимодействия вода-порода, которые приводят к формированию неоднородностей типа волноводов и ложных границ, заставили внести серьезные коррективы в интерпретацию геофизических измерений.

Следует подчеркнуть, что сами программы научного бурения являются мощным стимулом технического прогресса и международной кооперации ученых. Например, благодаря такой программе в СССР было создано уникальное буровое оборудование, изготовленное на отечественных заводах, которое позволило пробурить самую глубокую в мире скважину (12,3км). Опыт бурения сверхглубокой скважины в Германии был очень полезным с точки зрения организации и проведения научных исследований. В ближайшие годы, вероятно, будет реализована широкая международная программа глубокого наученного бурения на континентах, сопоставимая по размаху с бурением в океанах. Сейчас стало очевидным, что это совершенно необходимо для дальнейшего развития геологической науки.

Литература

1. Резанов И.А. Сверхглубокое бурение. М.: Наука, 1981.

2. Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984.

3. Казанский В.И. Континентальное научное бурение // Геология руд. месторождений. 1990. № 2.

4. Хахаев Б.Н., Певзнер Л.А., Кременецкий А.А. Континентальное научное бурение в России, состояние и основные направления развития // Разведка и охрана недр. 1994. № 1.

5. Кременецкий А.А. ТЭЦ под землей // Природа и человек. 1995. № 11.

6. Евгений Козловский. Глубинные исследования земли//Промышленные ведомости 2006. №3.

7.Попов В. С., Кременецкий А. А. Глубокое и сверхглубокое научное бурение на континентах.//Соросовский образовательный журнал

Размещено на Allbest.ru