Способ снижения избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов высокочастотными волновыми гидравлическими воздействиями
METHOD FOR REDUCING EXCESS ELASTIC ENERGY IN DEEP EARTHQUAKE-PRONE FAULT SEGMENTS BY HIGH-FREQUENCY WAVE HYDRAULIC IMPACTS

Изобретение относится к сейсмогеологии и предназначено для управляемого снижения инженерно-сейсмического риска с целью предотвращения опасных землетрясений путем высокочастотных волновых гидравлических воздействий давлением жидкости на трещинные пласты-коллекторы в отдельных сегментах сейсмоопасного магистрального разлома, закачиваемой через наклонно-направленные глубокие скважины с горизонтальным окончанием.
В последние два десятилетия, согласно полученным результатам при проведении экспериментальных натурных испытаний на сегментах зон разломов, а также в ходе изучения глубоко денудированных сегментов зон сейсмогенерирующих разломов были получены новые важные результаты. Установлено, что при существующих в недрах земной коры термодинамических условиях и флюидонасыщении разломов, возникновение высокоскоростных косейсмических смещений типа «stick-slip» в разломах при сильных землетрясениях происходило на фоне внезапного снижения сдвигового сопротивления и последующего спонтанного сброса избыточных напряжений с генерацией крупноамплитудных сейсмических импульсов преимущественно в диапазоне 5-15 Гц [Ruzhich, V.V., Savel'eva, V.B., Rasskazov, S.V., Yasnygina, T.A., Kocharyan, G.G., Ostapchuk, A.A., Travin, A.V., Yudin, D.S.: Determination of the PT conditions that accompanied a seismogenic slip along a deep segment of the marginal suture of the Siberian craton // Doklady Earth Sciences. - Vol.481 (№2). - 2018. - pp.1017-1020].
Далее удалось установить, что при проведении закачек в разлом водных растворов в неглубокие вертикальные скважины и применении слабых кумулятивных взрывов или вибровоздействий возникает возможность плавно уменьшить сдвиговое сопротивление в обводненных участках сейсмоактивных разломов. Рассмотренный прием позволил в рамках натурного эксперимента продемонстрировать перевод высокоскоростных смещений в более замедленный режим ускоренной ползучести и таким образом снизить энергию сейсмических импульсов в напряженных средах [Filippov А.Е., Popov V.L, Psakhie S.G., Ruzhich V.V., Shilko E.V. Converting displacement dynamic sintocreepin blockmedia // Technical Physics Letters. - 2006. - Vol.32. - №6. - pp.545-549; Псахье С.Г., Попов В.Л., Шилько E.B., Астафуров С.В., Ружич В.В., Смекалин О.П., Борняков С.А. Патент РФ на изобретение №2273035 «Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов», G01V 9/00 (2006.01), дата публикации: 27.03.2006].
Позднее при проведении серии дополнительных натурных экспериментов в участках зон разломов с применением слайдер-моделей для изучения влияния обводнения и различных типов заполнителей (песок, глина, глицерин, графит и др.) на трение в контактах взаимодействующих неровностей на разломе контактов был сделан следующий важный вывод: путем осуществления обводнения и вибрационных воздействий на участки контактного взаимодействия в разломах есть возможность плавно снизить и сдвиговое сопротивление, и скорость скольжения крыльев разломов [Ruzhich V. V., Psakhie S. G., Shilko E. V., Vakhromeev A.G., Levina E.A. On the Possibility of Development of the Technology for Managing Seismotectonic Displacements in Fault Zones // AIP Conference Proceedings. - 2018. -Vol.2051, Iss. 1. - pp.020261-1-020261-4. (4p.) USA; https://doi.orq/10.1063/1.5083504; Zoback M.D., Snee J.E.L. Predicted and observed shear on pre-existing faults during hydraulic fracture stimulation. // Publisher: Society of Exploration Geophysicists. SEG Technical Program Expanded Abstracts. - Publication date: 27.08.2018. - pp.3588-3592. DOI: 10.1190 / segam 2018-2991018.1]. Подчеркнем, что эти воздействия удалось реализовать в зоне частичного водонасыщения горных пород, область воздействия и обводнения которых находилась выше базиса эрозии (уровень оз. Байкал).
При этом следует рассматривать периодичность воздействий снятия упругой энергии в напряженных средах с учетом лунно-солнечных приливов (природный механизм приливных воздействий, которые проявляются ежесуточно в течение всего развития Земли как планеты), т.е. в связи с динамикой колебаний гидросферы.
Известен способ (по патенту РФ на изобретение №2289151) снижения избыточного уровня упругой энергии и предотвращения землетрясений. Этот способ отличается именно детализацией режимов воздействия, он базируется на идее длиннопериодных воздействий, и эти периоды логично увязаны с слабыми волновыми процессами лунно-солнечных приливов/отливов. Он включает выделение местоположения напряженных сред, нагнетание в них жидкости через скважины в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных породных массивов, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительное вибровоздействие до, во время и после нагнетания жидкости в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, и суждение по величине этих деформаций о величине снятой упругой энергии в напряженных средах. Недостатком данного способа является то, что использование в качестве вибратора агрегатов ГЭС реально только там, где эти ГЭС построены. Еще один недостаток - очень малозначительная энергетическая эффективность лунно-солнечных волновых длиннопериодных приливов, распределенных на огромной площади литосферы, которые не способны оказывать значимое воздействие слабыми (менее 0,1 МПа) колебаниями давления гидросферы на выбранные узко локализованные высоконапряженные сегменты разломов. В данном способе рассмотрены периоды минимальных и максимальных напряженных состояний литосферы Земли, но не описано и не использовано в формуле и в техническом решении главное, что следует из природного приливно-отливного процесса - явления длиннопериодных волновых колебаний гидросферы Земли и волнового воздействия медленных изменений давления водонапорных систем на трещинные массивы горных пород через давление водонапорной системы - т.е. жидкости (подземных вод), распределенной в пустотном пространстве литосферы, в том числе в трещинных коллекторах разломных зон. Между тем, многие исследователи придают этому процессу важное значение в процессах деструкции литосферы, в т.ч. в процессах развития шарьяжно-надвиговых поясов в осадочном чехле планеты (Старосельцев B.C. Актуальные проблемы тектоники нефтегазоперспективных регионов / Новосибирск: Наука, 2008, с. 103 - раздел 6; с. 191, 3 абз.). Весьма перспективным следует считать привлечение, использование выявленного механизма длиннопериодных волновых воздействий на участки разломов для снятия упругой энергии в критически напряженных средах (которая является источником сейсмической энергии) посредством управляемого активного физического воздействия на напряженные среды с учетом лунно-солнечных приливов через гидравлический подход, через плавное повышение и такой же плавный сброс давления жидкости в высоконапорных природных системах. Отсюда с учетом опыта успешного применения рассмотренного выше гидравлического домкрата, обосновывается возможность применения с высокой эффективностью технологии повышения давления жидкости на породные массивы через глубокие скважины в пределах обособленного сегмента разломной зоны и возможности управления достигаемых рабочих давлений жидкости в скважине в большом диапазоне значений, сопоставимых с параметрами горного давления на определенной глубине, причем в локальном интервале массива горных пород в конкретном сегменте разломной зоны, которое обеспечивается гидравлическим механизмом раскрытия сомкнутых природных трещин давлением жидкости, происходящем, как правило, в направлении наименьших напряжений. При этом важно учитывать рассмотренную в данном способе природную периодичность воздействий приливного механизма на литосферу, т.е. суточный 24-часовой цикл полного оборота планеты, и по аналогии логично предложить, что сам рабочий период повышения давления флюидной системы в сегменте разломной зоны через скважину должен происходить в периоды растяжения напряженных сред, а разрядки - в периоды их сжатия.
Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности и достигаемому техническому результату (прототипом) является способ снижения избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов (Патент РФ на изобретение № 2740630). В данном способе используется плавное волновое гидравлическое воздействие на сегменты сейсмоопасных сместителей разломных зон. Основным недостатком являются низкочастотные плавные и растянутые во времени гидравлические воздействия, эффективность которых может потребовать крайне длительного проведения циклов закачек (месяцы, годы), что обуславливается медленным воздействием на напряженную зону сегмента разлома. Воздействие же вибрации в скважине, обозначенное в прототипе, носит локальный характер и передается только по самому «скелету» коллектора относительно на небольшие расстояния (десятки метров), вследствие того, что мощный вибрационный механизм не может быть помещен в скважину.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности снятия упругой энергии в напряженных средах, являющейся источником сейсмической энергии в напряженных средах, для предотвращения землетрясений.
Техническим результатом является предотвращение сильных и катастрофических землетрясений путем подтвержденного деформационными и сейсмологическими измерениями плавного снижения накопленных избыточных деформаций и сейсмотектонической энергии недр поэтапно в отдельных сегментах магистрального сейсмоопасного разлома до безопасного фонового уровня. Таким способом осуществляется достижение релаксационного эффекта на временные интервалы длительностью во многие десятки - сотни лет и более.
Сущность изобретения: осуществляется бурение глубоких многозабойных скважин в секторы (сегменты) магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости для проведения управляемых высокочастотных волновых гидравлических воздействий давлением жидкости в точно спроектированном диапазоне значений, инициирующих плавные смещения крыльев разлома в режиме ускоренной сдвиговой ползучести.
Технический результат достигается предлагаемым способом снижения избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов высокочастотными волновыми гидравлическими воздействиями, включающим выделение местоположения напряженных сред, бурение многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием боковыми стволами, пересекающими самостоятельный сегмент магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости, после окончания бурения каждого бокового ствола выполняют цикл тестирования данного сегмента методом теста «на утечку», с определением природных значений параметров - давлений и температуры водонапорной системы обводненной разломной зоны в сегменте, и давления начала поглощения, далее выполняют нагнетание жидкости по бурильной колонне через обсаженный ствол скважины через сеть скважин в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов с забойным давлением, не превышающим давление утечки, дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости проведение вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение с помощью датчиков, установленных в скважине и на земной поверхности горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, причем по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах, отличающийся тем, что нагнетание в сегмент магистрального тектонического сместителя осуществляется буровыми насосами при отсутствии давления в пневмокомпенсаторах с пульсирующей подачей жидкости и колебаниями забойного давления в диапазоне 3-5 МПа с частотой колебаний равной времени одного хода поршня бурового насоса, при этом регулирование частоты и диапазона колебаний забойного давления ведется путем изменения времени одного хода поршня на электроприводе бурового насоса и фиксацией фактических значений забойного давления датчиком, установленным в компоновке низа бурильных труб.
Регулируемые высокочастотные гидравлические колебания будут иметь большой радиус воздействия (сотни метров) за счет распространения колебаний в жидкости, а высокая частота колебаний обеспечит необходимый эффект по плавному снижению избыточной упругой энергии в глубинных сейсмоопасных сегментах разломов, который отслеживается датчиками и контролируется в режиме «online».
ПРИМЕР
Оптимальным является выделение местоположения напряженных сред, бурение многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием боковыми стволами, пересекающими самостоятельный сегмент магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости. После окончания бурения каждого бокового ствола выполняют цикл тестирования данного сегмента методом теста «на утечку», с определением природных значений параметров – давлений и температуры водонапорной системы обводненной разломной зоны в сегменте, и давления начала поглощения. Далее выполняют нагнетание жидкости по бурильной колонне через обсаженный ствол скважины через сеть скважин в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов с забойным давлением, не превышающим давление утечки. Дополнительно до, во время, и после нагнетания жидкости проводят вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, выполняют измерение с помощью датчиков, установленных в скважине и на земной поверхности горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями. Причем по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах.
При этом сначала детализируют тектонофизическое строение области, где вероятно произойдет разрядка напряженных сред, выделяют напряженную разломную зону магистрального сейсмоопасного сместителя, в ее пределах выявляют отдельные зоны-сегменты магистрального сейсмоопасного сместителя, на основании этих данных проектируют бурение первой пилотной скважины с наклонно-направленным стволом и второй многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием и боковыми стволами, которые бурят из основного горизонтального ствола.
Бурение выполняют со станка эксплуатационного ряда, как правило, с электрическим приводом, который позволяет пробурить несколько наклонно-направленных скважин с одной площадки, при этом после бурения каждой очередной скважины, начиная с пилотного ствола, станок по рельсам передвигается на 9 метров, где забуривается новая скважина куста. В случае бурения многозабойной скважины последовательно бурят основной ствол и далее несколько боковых горизонтальных стволов из основного. При этом траектория каждого бокового ствола искривляется так, чтоб он вскрыл высоконапряженную зону трещиноватости в отдельном сегменте магистрального сейсмоопасного сместителя на расстоянии 250-300 метров один от другого.
Начинают бурение с пилотного ствола, его бурят по наклонной траектории (фиг.1 - траектория бурения пилотного ствола, вид сбоку) с задачами вскрыть зону сместителя высоконапряженного разлома и уточнить ее главные параметры (глубина вскрытия зоны трещиноватости по вертикали, угол падения и простирания трещин (используют акустический сканер, отбор ориентированного керна), давление водонапорной системы (используют глубинный манометр на кабеле или автономный на трубах), а после окончания бурения, крепления и тестовых операций в пилотном стволе устанавливают сейсмодатчики для «online»-контроля всех последующих операций и выводят их на общий пульт станции слежения и управления.
После окончания бурения пилотного ствола скважины интервал зоны дробления магистрального сместителя отсекают пакером ГМП (гидромеханический пакер) и осуществляют тестирование, пробное нагнетание жидкости через ствол скважины в изолированный сегмент разломной зоны, которое обеспечивает исходные данные для проектирования последующих высокочастотных волновых воздействий в области возникновения «давления утечки» (на фиг.2 представлен типовой график гидроразрыва пласта), и закачку триботехнических составов, например, «Alpine drilling beads» диаметром 0,1-0,2 мм в сегмент призабойной зоны пласта.
После окончания работ на пилотном стволе и проверки работы сейсмодатчиков станок сдвигают, перемещают на 9 метров, и забуривают новую многозабойную скважину, ее основной наклонно-направленный ствол (фиг.3 - траектория бурения многозабойной наклонно-направленной скважины с горизонтальным окончанием, вид сбоку; фиг.4). На фиг.4 показана реальная скважина с горизонтальным окончанием в многозабойном исполнении, где каждый боковой наклонно-направленный ствол (5, 6, 7, 8) пробурен в отдельный сегмент разломной зоны (1, 2, 3, 4). Скважина бурится с 5-интервальным, либо другим профилем, обеспечивающим условия последующего попадания боковых стволов в точках входа в сегменты разломной зоны. Первый интервал скважины вертикальный с целью набора глубины, изоляции интервала пресных питьевых подземных вод. Далее интервал набора угла, интервал стабилизации для сближения ствола скважины с протяженной зоной высоконапряженного магистрального сместителя, далее интервал донабора угла до 87-88°. Затем осуществляют спуск и крепление обсадной колонны (ОК) 168 мм (178 мм), из-под которой будет буриться основной горизонтальный ствол с боковыми отходами в конкретные сегменты (как показано на фиг.4). После спуска в скважину и крепления эксплуатационной колонной далее траекторию горизонтальной части основного ствола ведут в ненарушенном массиве горных пород на некотором расстоянии (100-150 м) вдоль, т.е. параллельно зоне простирания основного направления трещиноватости зоны высоконапряженного сейсмоопасного магистрального сместителя, которое установлено ранее (см. фиг.4) на основе сейсмогеологических и технических данных бурения пилотного ствола скважины (например, на юге Сибирской платформы). Далее каждый боковой ствол направленно отводят от основного ствола в сторону напряженного магистрального сместителя, и бурят в горизонтальной плоскости, чтобы вкрест простирания основной системы трещиноватости (см. фиг.4) вскрыть на полную мощность зону дробления, трещиноватости этого самостоятельного сегмента.
Таким образом выполняют бурение скважины по многозабойной конструкции с горизонтальным окончанием каждого бокового ствола, пересекающего самостоятельный сегмент магистрального тектонического сместителя вкрест простирания главных систем трещиноватости.
После окончания бурения первого бокового горизонтального ствола выполняют цикл тестирования данного сегмента методом теста «на утечку», с определением природных значений параметров - давлений и температуры водонапорной системы обводненной разломной зоны в сегменте, и давления начала поглощения, для чего в первый боковой горизонтальный ствол спускают лифтовые трубы с двумя пакерами и многоразовую муфту гидроразрыва пласта между ними, изолируют пакерами участок бокового открытого ствола скважины и выполняют тестирование пробным нагнетанием технической воды.
Пробное нагнетание - тестовая операция, позволяет определить экспериментально значение давления утечки, которое в последующих волновых воздействиях не будет превышено по величине. На фиг.2 показан характерный график [Старощук А.В., Семенякин B.C. Причины рапо-, нефте- и газопроявлений при бурении скважин с применением утяжеленных буровых растворов // Разработка и эксплуатация нефтяных месторождений. - 2011. - №4. - с. 90-93, с. 90] стандартной операции гидроразрыва пласта, где точка А характеризует начало закачки жидкости через скважину в определенный локальный участок массива горных пород и пропорциональный рост давления закачки от времени, точка В - начало давления утечки (рост давления замедляется и становится непропорциональным от времени), точка С - давление гидроразрыва пласта (т.е. формирования искусственной трещины), точка Д -стабилизация давления закачки после проведения гидроразрыва, Рн - давление нагнетания жидкости, Рут - давление утечки, Ргр - давление гидроразрыва пласта.
Определяющим для предлагаемого способа является отрезок на кривой забойных давлений ВС, в диапазоне значений которого и будут далее производиться плавные высокочастотные гидравлические воздействия на пласт. При этом важно заметить, что на практике диапазон значений давлений в данном отрезке может зависеть от расхода закачиваемой жидкости в пласт. Исходя из расхода закачиваемой жидкости, подбирают режим (давлений и производительности насосов, расхода закачки), который позволяет не переходить в область гидроразрыва пласта на фиг.2, то есть вести постоянную медленную закачку в области значений забойных давлений, которые отражены на фиг.2 участком ВС. Учитывая, что разломная зона является гидропроводной системой, такие воздействия на нее практикуют при опрессовке участка открытого ствола на утечку, т.е. это реальная, стандартная операция при бурении скважины на нефть и газ.
Затем тестирование водонапорной системы повторяют в каждом следующем бокового стволе от ствола к стволу в соответствующем сегменте, по мере бурения каждого.
Далее выполняют заканчивание многозабойной скважины спуском в основной горизонтальный ствол потайной колонны - фильтр-хвостовика с окнами против каждого входа в боковой ствол и с пакерами, разобщающими за потайной колонной эти входные отверстия, при спуске которого отдельные боковые стволы разобщаются системой набухающих пакеров, и который (хвостовик) имеет окна против каждого бокового ствола.
Далее в скважину спускают колонну лифтовых труб, включающую два пакера и многоразовую муфту гидроразрыва пласта между ними, активируют пакеры напротив первого бокового ствола, и обвязывают устье скважины, подключая насосную группу.
Далее осуществляют воздействие импульсно-волновым методом переменных давлений жидкости с учетом периода солнечно-лунных приливов в высокочастотном режиме с увеличением давления закачки не более давления утечки, к примеру, следующим образом: увеличение давления на уровне горизонтального ствола - 3 часа, остановка и фиксация (падения давления) 3 часа, подкачка до значения не более 10% от достигнутого в 1 цикле - 3 часа, после чего выполняют равномерный плавный сброс давления так же в высокочастотном режиме за 3 часа для инициирования плавных смещений крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести, далее операцию повторяют.
Основным отличием предлагаемого способа является то, что при этом нагнетание жидкости в сегмент магистрального тектонического сместителя осуществляют буровыми насосами при отсутствии давления в пневмокомпенсаторах с пульсирующей подачей жидкости и колебаниями забойного давления в диапазоне 3-5 МПа (фиг.5) с частотой колебаний, равной времени одного хода поршня бурового насоса. При этом регулирование частоты и диапазона колебаний забойного давления ведут путем изменения времени одного хода поршня на электроприводе бурового насоса и фиксацией фактических значений забойного давления датчиком, установленным в компоновке низа бурильных труб. Диапазон колебаний забойного давления в 3-5 МПа обуславливается техническими характеристиками бурового насоса при работе без пневмокомпенсатора.
На фиг.5 показан график зависимости забойного давления от времени при работе бурового насоса, где: Р - давление, t - время, 9 - период до момента пуска насосов, 10 -пластовое давление, 11 - пуск насосов, 12 - стабилизация забойного давления после пуска насосов с низкоамплитудной частотой колебаний при работающем компенсаторе, 13 - высокоамплитудная частота колебаний забойного давления при спущенном давлении в пневмокомпенсаторах (выделенном кругом).
Обусловленный плавным ростом давления водонапорной (флюидонапорной) системы процесс формирования зоны обводненного разлома, магистрального сместителя по гидравлическому механизму значительно облегчает реализацию постепенного, плавного смещения крыльев разлома по хрупко-пластическому механизму [Ружич В.В. Сейсмотектоническая деструкция в земной коре Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1997. - 144 с; с. 78, рис. 3.3.5; Семинский К.Ж., Гладков А.С., Лунина О.В., Тугарина М.А. Внутренняя структура континентальных разломных зон. Прикладной аспект.- Новосибирск.: Изд-во СО РАН, Филиал «ГЕО», 2005. - 293 с, с. 29, абз. 3, 5], на дистальных окончаниях основных и оперяющих разрывов, а вибрационное воздействие регулируемых высокочастотных гидравлических колебаний способствует разрядке напряженных сред мелкоамплитудными косейсмическими подвижками.
Режим высокочастотных волновых гидравлических воздействий переменным давлением жидкости (техническая вода) ведут с диапазоном до 70 МПа (устье), но не более величины давления утечки (фиг.2), и область повышенного давления жидкости плавно распространяется на глубинные сейсмоопасные сегменты зон разломов, снижая горное эффективное давление на стенки трещин высоконапряженного сместителя.
Ограничение устьевого давления 70 МПа связано с техническими возможностями серийного оборудования, например, АН-700 (агрегат насосный, 700 атм.). Ограничение воздействия не более чем на 10% от начального давления связано с недопущением гидроразрыва пород и является параметром, полученным опытным путем.
Далее после цикла высокочастотных волновых воздействий в призабойную зону участка каждого бокового горизонтального ствола, вскрывшего сегмент разломной зоны, изолированную двумя пакерами, закачивают антифрикционные добавки, например, агент размером фракции 0,1-0,2 мм, например, «Alpine drilling beads», который выдерживает давление до 1000 Мпа и снижает трение. Участок тектонического сместителя, на котором высокочастотные волновые гидравлические воздействия отработаны до получения эффекта, консервируется вязкой жидкостью, которая гасит сейсмические колебания, причем в нем выполняют размещение сейсмодатчиков для текущего и долговременного контроля глубинной сейсмической активности магистрального разломной зоны после проведения волновых воздействий давлением.