Сверхглубокие и глубокие скважины

Под ред. А. И. Кривцова, И. Ф. Мигачева, Г. В. Ручкина. -- М.: ЦНИГРИ, 1993, 618 с.

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА И РАЗВИТИЕ МИНЕ-РАЛЬНО-СЫРЬЕВОИ БАЗЫ.

НАЗВАНИЕ СТАТЬИ

ФИО автора статьи.

Название вуза/учреждения/предприятия/компании

Текст статьи. Текст статьи. Текст статьи.

ИНФОРМАЦИОННАЯ КАРТА УЧАСТНИКА

Фамилия ________________________

Имя ____________________________

Отчество ________________________

Дата рождения ___________________

Возраст, полных лет__________________

Ученая степень, звание __________________

Должность (студент, аспирант)________________________

Организация ________________________

Адрес для высылки авторского сборника _________________________________

Телефон (сотовый) ______________________________

E-mail: _____________________________

Название доклада __________________________________

Ориентировочно секция конференции _____________________________________

Форма участия (очная, заочная) __________________________

Глава 2 Глубинные исследования недр; Раздел 2.1. – стр 20-32.

___________________________________________________________________________

Глубинные исследования недр предусматривают решение комплекса задач создания фундаментальных основ строения земной коры и верхней мантии, разработки теории нефте-газонакопления и рудогенеза для повышения эффективности прогноза месторождений полезных ископаемых. Они включают комплексные геолого-геофизические работы по региональным геотраверсам, исследования на геодинамических полигонах и бурение глубоких (ГС) и сверхглубоких (СГС) скважин. Результаты глубокого и сверхглубокого бурения позволяют существенно повысить достоверность интерпретации огромного геолого-геофизического материала, по-новому подойти к решению фундаментальных проблем эволюции земной коры и выявить происходящие в ней геологические процессы. Эффективность глубокого и сверхглубокого бурения прямо влияет на реализацию программы глубинных исследований недр в целом.

Глубокое и сверхглубокое бурение обеспечивает решение следующих главных задач:

· максимальное вскрытие разрезов геоструктур основных типов в стратиграфическом диапазоне мощностью более 60 км;

· получение прямых данных о состоянии и составе пород на больших глубинах и их изменениях в значительном диапазоне глубин;

· создание фактографической основы для моделирования процессов рудо- и нефте-газообразования и вариаций состояния геологической среды на значительных глубинах;

· выяснение природы геофизических границ и аномалиеобразующих объектов, получение данных о фактических свойствах пород в реальных термодинамических условиях;

· оценка перспектив нефтегазоносности и рудоносности глубоких горизонтов земной коры, выявление нетрадиционных источников рудного вещества и энергии;

· создание принципиально новых технологий и технических средств глубинного изучения и использования недр.

Для выполнения этих задач было начато экспериментальное бурение Кольской (1970 г) и Саатлинской (1971 г) скважин с проектными глvбинами 15 км. В 1981-1985 гг завершено обоснование мест заложения и начато бурение Уральской (1985 г), Криворожской (1984 г), Мурунтауской (1984 г), Днепровско-Донецкой (1983 г), Тимано-Печорской (1985 г) и Прикаспийской (1984 г) скважин (рис. 2.1).

В связи с необходимостью разработки и реализации единой технологии бурения и комплексных исследований, создания системы накопления, обработки и интерпретации уникальной геолого-геофизической информации в 1985 г было образовано специализированное геологическое объединения по сверхглубокому бурению и комплексным исследованиям недр Земли – «Недра», которому была поручена проходка большинства скважин (табл. 2.1).

В 1986-1990 годах бурение глубоких и сверхглубоких скважин осуществлялось в соответствии с Общесоюзной научно-технической программой. Этой программой предусматривалось: изучение закономерностей строения и эволюции континентальной земной коры; развитие научных основ и методов прогнозирования минерально-сырьевых и энергетических ресурсов; разработка новых технологий бурения и экономичных средств для проникновения в недра Земли. Работы по программе обеспечивали единую систему регионального геологического изучения территории СССР, основанную на глубоком и сверхглубоком бурении, геотраверсах и геодинамических полигонах.

Программой предусматривалось бурение двенадцати скважин. Строительство девяти из них (Кольская, Уральская, Криворожская, Мурунтауская, Титано-Печорская, Тюменская, Прикаспийская, Днепровско-Донецкая, Утвинская) осуществляли организации Мингео СССР и трех (Саатлинская, Ново-Елховская, Кубанская) - Миннефтепрома СССР. Дополнительно велось бурение двух глубоких скважин: Тырныаузской (проектная глубина 4 км) и Воротиловской (проектная глубина 6 км) (рис. 2.2). Всего с 1970 г было пройдено более 49 тыс.м (см. табл. 2.1). Скважины расположены в основных геоструктурах: на древних щитах (Кольская, Криворожская), в разновозрастных складчатых сооружениях (Уральская, Мурунтауская) и в чехлах древних (Дпепровско-Донецкая, Тимано-Печорская) и молодых (Утвинская, Тюменская) платформ (рис. 2.3). Это обеспечило получение ценной информации об особенностях геологического строения, эволюции основных геоблоков земной коры и изменчивости петрологических и физических параметров в их пределах на различных горизонтах в широком стратиграфическом диапазоне. Восемь скважин бурились с целью изучения крупных осадочных бассейнов и оценки перспектив их нефте-газоносности, а четыре – заложены в важных рудоносных провинциях с уникальными месторождениями.

К 1990 г только Кольской сверхглубокой скважиной (забой на 12 261 м) достигнуты глубины, позволившие получить новую, во многом уникальную информацию, внесшую принципиальные коррективы в существующие представления о строении и эволюции земной коры. По другим скважинам были достигнуты глубины 4‑5 км и получены новые данные о процессах рудообразования, физическом состоянии пород и природе аномалиеообразующих объектов.

Принципиальное значение имеет установление реальной геологической природы сейсмических границ. Это позволило изменить традиционные представления о горизонтально-слоистой модели земной коры. Исследования физических свойств, состава и состояния горных пород по скважинам доказали, что пологие сейсмические границы в кристаллических породах не связаны с вариациями их вещественного состава, как это предполагалось ранее, а обусловлены изменениями физического состояния горных пород на больших глубинах.

Открыто явление разуплотнения осадочных и кристаллических пород с возникновением горизонтов и зон с высокой пористостью, микротрещиноватостью и аномальными петрофизическими характеристиками.

Во всех интервалах вскрытого разреза консолидированной коры обнаружены углеводородные газы. На значительных глубинах установлены активные гидрогеологические системы, что принципиально меняет представления о нижней границе гидросферы.

Кроме того, результаты бурения каждой скважины весьма существенно проясняют геологическое строение конкретных геоблоков и прилегающих территорий. Так, скважины в осадочных бассейнах приблизились к нижней границе промышленно освоенных интервалов глубин или только начинают вскрывать ранее неизученные части разрезов. По ним получены новые данные об инверсионной гидрогеологической зональности, закономерностях катагенического преобразования органического вещества, особенностях изменения современного и палеотемпературного градиентов; на глубинах 6‑7 км выявлены зоны развития коллекторов. По Тимано-Печорской скважине увеличены прогнозные ресурсы углеводородов в нижне-девонско-силурийском комплексе. Прямые признаки газоносности глубоких горизонтов раннего карбона установлены в Днепровско-Донецкой скважине.

Первенец сверхглубокого бурения – Кольская скважина заложена в северо-восточной части Балтийского щита, в пределах Печорского синклинория; в 10 км к югу от города Заполярный, Мурманской области (рис. 2.4).

Цель бурения – изучение глубинного строения докембрийских структур Балтийского щита, типичных для фундамента древних платформ, и оценка их рудоносности. Проектная глубина – 15 000 м.

Задачи проходки скважины:

1. Изучить глубинное строение никеленосного Печенгского комплекса и архейского кристаллического основания Балтийского щита, выяснить особенности проявления на больших глубинах геологических процессов, включая процессы рудообразования.

2. Выяснить геологическую природу сейсмических границ в континентальной земной коре и получить новые данные о тепловом режиме недр, глубинных водных растворах и газах.

3. Получить максимально полную информацию о вещественном составе горных пород и их физическом состоянии, вскрыть и изучить пограничную зону между «гранитным» и «базальтовым» слоями земной коры.

4. Усовершенствовать имеющиеся и создать новые технологии и технические средства для бурения и комплексных геофизических исследований сверхглубоких скважин.

Бурение скважины было начато 24 /05 /1970 г.

В 1984 г скважина достигла глубины 12 066 м. В связи с многочисленными геологическими осложнениями, связанными с неустойчивостью стенок открытого ствола (инт. 2 300 - 12 066 м) и значительными азимутальными и зенитными, отклонениями траектории скважины было выполнено расширение ствола до глубины 8 770 м и спуск обсадной колонны диатетром 245 мм до этой глубины. Далее был сформирован новый ствол и исправлена траектория скважины. По состоянию на 01 /05 /91 г глубина скважины составляла 12 261 м. Бурение осуществлялось с полным отбором керна, выход которого составил 3 591,9 м (29,3 %).

Кольской скважиной впервые вскрыты и изучены в непрерывном вертикальном разрезе два важнейших докембрийских «надбазальтовых» слоя земной коры, отвечающих древнейшей (от 1,6 до 3,0 млрд.лет) истории геологического развития Земли.

В верхней части разреза (0 - 6 840 м) был детально изvчен по всей мощности раннепротерозойский Печенгский осадочно-вулканогенный комплекс, слагающий палеорифтовую структуру.

В интервале 6 840 -11 700 м исследован «гранито-гнейсовый» слой с возрастом пород не менее 2,6-2,8 млрд.лет. Подробнейшая характеристика разреза позволила выявить цикличность слагающих его глубоко метаморфизованных образований, изначально вулканогенных и осадочных, с увеличением роли последних к верхам разреза.

На глубинах свыше 11 700 м вскрыты породы, предположительно слагающие верхнюю часть зоны перехода к катархейскому основанию древнего фундамента – «диоритовому слою» – важному составному элементу континентальной земной коры.

Значительная глубина скважины позволила получить обширную информацию, освещающую эволюцию докембрийских толщ земной коры, особенности их метаморфизма и рудоносность. Установление гидрогенно-геохимического разуплотнения пород в условиях закрытых систем больших глубин привело к выявлению в скважине коровых волноводов, коллекторов в вулканогенных и метаморфических толщах, механически ослабленных горизонтов, металлоносных растворов.

На всем протяжении разреза установлены притоки вод и газов, содержащих гелий, водород, азот, метан, тяжелые углеводороды. Судя по изотопии углерода, в архейских толщах газы имеют мантийную природу, в протерозойских - биогенную.

К числу принципиально новых относятся данные по изменениям в температурном градиенте. До глубины 3 000 м градиент составляет 0,9‑1 °С на 100 м, как это и установлено менее глубокими скважинами. Глубже градиент возрос до 2-2,5 градуса на 100 м; на глубине 12 км температура составила 220 градусов вместо ожидаемой 120-130 градусов.

Результаты бурения скважин позволили определить геологическую природу геофизических границ. Изученный разрез дифференцирован в зависимости от вещественно-структурного состава вскрываемых пород с отчетливо выраженной тенденцией изменения физических характеристик в зонах разуплотнения (рис. 2.5). Отражающий горизонт на глубине 4 800 м, связываемый ранее с подошвой Печенгского комплекса, оказался отвечающим внутриформационному разрывному нарушению. На глубине 4 500 ‑ 8 000 м вскрыты и исследованы разуплотненные метаморфические породы с низкими скоростями распространения упругих колебаний, что способствовало выделению геофизическими методами подобных коровых волноводов на площадях других древних щитов и платформ.

Кольская скважина – это своеобразная лаборатория, полигон по испытаниям техники, технологии сверхглубокого бурения, глубинным скважинам и наземным геофизическим и геохимическим исследованиям. Результаты работ, сопоставленные с полученными ранее материалами, позволяют внести существенные изменения в ранее составленные схемы, модели, глобальные элементы геологических построений земной коры континентального типа.

Особенно принципиальным может оказаться выяснение геологической природы сейсмической границы щита, выявленной в районе скважины на глубине 12,5‑13,0 км. Если геологические предпосылки подтвердятся, то Кольская скважина впервые единым вертикальным разрезом сможет охарактеризовать сразу три структуры самого высокого стратиграфического ранга – три важнейших докембрийских «надбазальтовых» слоя континентальной земной коры.

В основу технологии бурения Кольской СГС были положены следующие основные принципы:

· бурение опережающим стволом до встречи непреодолимых препятствий с последующим, в случае необходимости, расширением скважины и креплением обсадными колоннами;

· турбинный способ бурения;

· применение легкосплавных бурильных труб.

В процессе бурения скважины применялись новые технические средства и технологии:

- буровая установка для сверхглубокого бурения «Уралмаш-15000/400» с полной механизацией всех трудоемких технологических, монтажных и ремонтных работ;

- трубы ЛБТВК-147, изготовленные из новых алюминиевых сплавов – термостойких (до 220 градусов) и высокопрочных (предел текучести 490 МПа);

- редукторные трубобуры, в тот числе термостойкие;

- керноотборный снаряд МАГ2-195/60, работающий в режиме гидротранспорта керна;

- информационно-измерительная система по управлению процессом бурения сверхглубоких скважин;

- телесистема контроля частоты вращения забойного двигателя и осевой нагрузки на долото;

- система управления траекторией скважины, позволившая при проводке ствола стабилизировать зенитный угол в пределах до 10 град/100 м;

- технология и технические средства по предупреждению и ликвидации аварий в сверхглvбоких скважинах;

- комплекс мероприятий и технологических приёмов, обеспечивших спуск обсадной колонны диаметром 245 мм на глубину 8 760 м.

Часть перечисленного оборудования применялась в виде действующих макетов, опытных образцов и малых серий. Отдельные виды оборудования (редукторные трубобуры, высокопрочные ЛБТ и др.) переданы для использования в геологоразведочном производстве.

Программа континентального научного бурения позволяет разрешить ряд вопросов рудогенеза как в теоретическом, так и в прикладном плане. Соответствующие задачи решаются при проводке сверхглубоких скважин, а также путем проходки специальных скважин глубиной от 2 км до 5 км в важнейших рудных районах СССР. Бурение этих скважин ведется с целью вскрытия различных по своей природе рудообразующих систем и оценки перспектив рудоносности глубоких горизонтов.

Ниже излагаются важнейшие результаты, полученные в области геологии рудных месторождений при проходке сверхглубокнх и глубоких скважин (рис. 2.6).

Кольская СГС

В интервале 1 540-1 810 м вскрыты тела ультрабазитов с сульфидными медно-никелевыми рудами, что опровергло представления о выклинивании рудоносного комплекса Печенги с глvбиной и pacширило перспективы Печенгского рудного поля. На глубинах более 7 км на нескольких уровнях в архейских гнейсах вскрыты магнетит-амфиболовые породы – аналоги железистых кварцитов Оленегорского и Костомукшского месторождений. На глубине 8 700 м вскрыты габброиды с титано-магнетитовой минерализацией.

Полной неожиданностью явилось обнаружение в интервале 9,5‑10,6 км значительного по мощности (до 800 м) участка аномально высоких содержаний золота (до 7,4 г/т), серебра, меди, висмута, мышьяка и некоторых других элементов, связанных с явлением гидрогенно-геохимического разуплотнения архейских пород. Тщательное изучение керна ствола скважины и околоскважинного пространства позволило выявить зоны выноса, транзита и накопления этих элементов, не обнаруживающие связи с первичным составом пород, но коррелирующиеся с фациями метаморфизма. Таким образом, выявлены продукты метаморфогенно-гидротермальной рудообразующей системы, возникшей вследствие разуплотнения.

Явления гидрогенного разуплотнения пород сопровождаются их дегидратацией, миграцией значительных объёмов вод, выступающих в роли металлоносных растворов. Эти растворы заимствуют рудное вещество из значительного объёма пород и концентрируют его в ограниченном пространстве. Возникает необходимость оценки приложимости этой модели к некоторым типам рудных месторождений, для которых источники вещества и энергии остаются спорными. С другой стороны, открывается возможность обнаружения в метаморфизованных комплексах новых типов скоплений рудного вещества.

Криворожская СГС

Главная цель бурения – расшифровка глубинного строения крупного железорудного бассейна, от чего зависят перспективы дальнейших геологоразведочных работ. Главный прикладной результат бурения этой скважины – вскрытие новых железорудных горизонтов в сложной околонадвиговой складчатой структуре.

Дата добавления: 2015-07-13