Научная статья на тему 'Вариации уровня жидкости в Кольской сверхглубокой и двух близлежащих скважинах'

Вариации уровня жидкости в Кольской сверхглубокой и двух близлежащих скважинах Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
157
56
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Шульце К. К., Кюмпель Г. И., Губерман Д. М., Моргачев В. И., Певзнер С. Л.

Проанализированы вариации уровня жидкости в самой глубокой скважине мира - Кольской сверхглубокой (СГ-3), расположенной на северо-западе России и достигшей глубины в 12.26 км. Уровни свободной поверхности жидкости (воды) регистрировались в течение 15 месяцев. В настоящее время скважина имеет необсаженный участок ствола в интервале 8.28-8.56 км и глубже недоступна для исследований. Серии наблюдений проводились, в основном, с интервалом замеров 5 минут, отдельные перерывы в них были связаны с возникавшими техническими проблемами. (1) Анализ данных показал, что уровень жидкости в скважине постоянно падает. Таким образом, этот уровень не находится в состоянии гидравлического равновесия с поровым давлением в породах на глубине. (2) Кроме этого, уровень равновесия неизвестен, так как скважина часто доливается свежей водой. (3) Несмотря на то, что проницаемость пород на глубине представляется весьма низкой, они явно обладают способностью поглощать и транспортировать значительный объем жидкости, поступающей через скважину. Из-за низкой проницаемости пород на необсаженном участке ствола скважины влияние приливов и барометрического (атмосферного) давления малы и не позволяют установить значимые параметры упругости поровой среды, которые могли бы использоваться для установления квазистатических условий. Не ясно, является ли низкая проницаемость пород естественной или она является искусственной и вызвана, например, остатками твердых фракций бурового раствора в стенках скважины. (4) Выявлено растущее количество поднимающихся газовых пузырьков, свидетельствующих о том, что скважина не находится в статических условиях. Состав и происхождение этих газов до сих пор неизвестны. (5) Весьма необычный факт - свободное колебание столба воды длиной 16.7 км с периодом 200 секунд может быть легко инициировано разовой добавкой порции воды в скважину. Также в двух неглубоких скважинах, расположенных в непосредственной близости от СГ-3, около двух месяцев проводился мониторинг уровня жидкости. Несмотря на то, что основные части обеих скважин не обсажены, кривые изменения уровня жидкости в них существенно отличаются друг от друга. Получено, что одна из систем "скважина-водоносный горизонт" весьма чувствительна к приливным и барометрическим воздействиям, а другая - нет. Возможно, эти различия показывают, что гидравлические режимы в кристаллических породах изменяются на сравнительно небольших расстояниях.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Шульце К. К., Кюмпель Г. И., Губерман Д. М., Моргачев В. И., Певзнер С. Л.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Вариации уровня жидкости в Кольской сверхглубокой и двух близлежащих скважинах»

Вариации уровня жидкости в Кольской сверхглубокой и двух близлежащих скважинах

12 3 3

К.К. Шульце , Г.И. Кюмпель , Д.М. Губерман , В.И. Моргачев ,

3 3 3 3

С.Л. Певзнер , А.Д. Писарницкий , Л.А. Симонова , Ю.П. Смирнов

В.И. Хмелинский3, |Э.И. Юдин 3, Ю.Н. Яковлев3

1 Международный центр геомеханики, Майнц, Германия Институт прикладных геонаук им. Лейбница, Ганновер, Германия Научно-производственный центр "Кольская сверхглубокая", Заполярный

Аннотация. Проанализированы вариации уровня жидкости в самой глубокой скважине мира - Кольской сверхглубокой (СГ-3), расположенной на северо-западе России и достигшей глубины в 12.26 км. Уровни свободной поверхности жидкости (воды) регистрировались в течение 15 месяцев. В настоящее время скважина имеет необсаженный участок ствола в интервале 8.28-8.56 км и глубже недоступна для исследований. Серии наблюдений проводились, в основном, с интервалом замеров 5 минут, отдельные перерывы в них были связаны с возникавшими техническими проблемами. (1) Анализ данных показал, что уровень жидкости в скважине постоянно падает. Таким образом, этот уровень не находится в состоянии гидравлического равновесия с поровым давлением в породах на глубине. (2) Кроме этого, уровень равновесия неизвестен, так как скважина часто доливается свежей водой. (3) Несмотря на то, что проницаемость пород на глубине представляется весьма низкой, они явно обладают способностью поглощать и транспортировать значительный объем жидкости, поступающей через скважину. Из-за низкой проницаемости пород на необсаженном участке ствола скважины влияние приливов и барометрического (атмосферного) давления малы и не позволяют установить значимые параметры упругости поровой среды, которые могли бы использоваться для установления квазистатических условий. Не ясно, является ли низкая проницаемость пород естественной или она является искусственной и вызвана, например, остатками твердых фракций бурового раствора в стенках скважины. (4) Выявлено растущее количество поднимающихся газовых пузырьков, свидетельствующих о том, что скважина не находится в статических условиях. Состав и происхождение этих газов до сих пор неизвестны. (5) Весьма необычный факт - свободное колебание столба воды длиной 16.7 км с периодом 200 секунд может быть легко инициировано разовой добавкой порции воды в скважину. Также в двух неглубоких скважинах, расположенных в непосредственной близости от СГ-3, около двух месяцев проводился мониторинг уровня жидкости. Несмотря на то, что основные части обеих скважин не обсажены, кривые изменения уровня жидкости в них существенно отличаются друг от друга. Получено, что одна из систем "скважина-водоносный горизонт" весьма чувствительна к приливным и барометрическим воздействиям, а другая - нет. Возможно, эти различия показывают, что гидравлические режимы в кристаллических породах изменяются на сравнительно небольших расстояниях.

Abstract. Data of fifteen months of fluid level variations in the world's deepest borehole, the 12.26 km deep Kola Superdeep, Northwest Russia, have been recorded and analyzed. The borehole is uncased from 8.28 km to 8.56 km depth and is locked further down. The obtained series were mostly sampled at 5 minutes intervals but are not free of gaps due to occasional technical problems. Analysis of the data has revealed that (1) the fluid level in the borehole is steadily falling, so is not in hydraulic equilibrium with the pore pressure in the rocks at depth. The equilibrium level is not known because the borehole is repeatedly refilled with fresh water. (2) Although the hydraulic transmissivity appears to be rather low, the rocks at depth have the capacity to absorb and transport significant amounts of fluids that enter via the borehole. (3) Due to the low transmissivity of the rocks alongside the open hole section, tidal and barometric efficiencies are small and do not allow to deduce significant poroelastic parameters that would hold for quasi-static conditions. It is not clear whether the low transmissivity reflects the natural situation or is artificial, e.g. due to remains from the drilling mud. (4) We noticed an increasing number of rising gas bubbles, which has shown that the borehole is not under static conditions. Composition and origin of the gases are still unknown. (5) A very unusual, 200 sec long free oscillation period of a 16.7 km long water column inside the borehole can easily be initiated by pouring water into the borehole. Fluid levels of two more shallow boreholes in the vicinity of the superdeep one were monitored for about two months. Although both boreholes are uncased for their major parts, signatures of the fluid level curves are quite different. One well-aquifer system is highly sensitive to tidal and barometric forcings, the other is not. The unequal behaviour could indicate that the hydraulic regimes change over rather small distances in this crystalline environment.

3

1. Введение

Глубочайшая скважина в мире - Кольская сверхглубокая СГ-3 - расположена в арктической части Кольского полуострова, примерно в 10 км от г. Заполярного, являющегося одним из центров горнорудной промышленности региона. В 90-х годах СГ-3 достигла глубины 12.26 км. Необсаженный участок ствола скважины (в интервале 8.28-8.56 км) пересекает архейские гнейсы, мигматиты и амфиболиты. После завершения бурения скважины в 1994 г. глинистый буровой раствор был заменен на воду. Поровые флюиды пород околоскважинного пространства находятся в гидравлическом контакте с жидкостью в стволе скважины.

Одним из наиболее значимых открытий, сделанных в результате бурения СГ-3, а также немецкой сверхглубокой скважины КТВ, было обнаружение существования свободных подвижных флюидов до глубин порядка десяти километров (Borevsky et al, 1984; Huenges et al., 1997). В течение 1999 и 2000 гг. в рамках Международной геологической программы корреляции ЮНЕСКО "Породы и минералы на больших глубинах и поверхности" (IGCP-408) и приоритетного исследовательского проекта "Международная программа континентального бурения / Программа континентального бурения Федеративной Республики Германия" (SPP ICDP/KTB) были изучены некоторые гидравлические свойства пород в стволе СГ-3 и двух мелких скважин, расположенных вблизи нее. Эти работы дополнили аналогичные исследования, выполненные в двух скважинах КТВ между серединой 1996 г. и началом 2001 г. (Schulze et al., 2000; Schulze, 2002). Открытая часть основного ствола скважины KTB находится в интервале глубин 9025-9101 м. На забое скважины KTB температура составляет 275°С, а в СГ-3 на глубине 12260 м - только 180°С. Кольская СГ-3 и основная скважина KTB являются единственными в мире сверхглубокими скважинами, пройденными в кристаллических породах континентальной коры.

В обоих случаях наши исследования базировались на анализе длительных записей уровня жидкости в скважинах (рис. 1). Мониторинг вариаций уровня жидкости выполнялся с использованием высокоразрешающих датчиков давления, которые устанавливались всего на несколько метров ниже поверхности жидкости. Вариации уровня жидкости отражают колебания естественного порового давления в горных породах у стенок открытого ствола скважины. Они могут быть вызваны приливными деформациями и барометрической нагрузкой. Анализ записей, отражающих широкий частотный диапазон таких изменений уровня жидкости, позволяет изучить поведение подвижных флюидов в гидравлически связанных участках и характер механического взаимодействия породы и жидкости в условиях in situ. Длительность записей должна составлять, как минимум, несколько месяцев.

porc pressure variations (open hole) forcing

functions

variation

of fluid level

tidal strain

haromeirie

pressure

seismic wave fields

barometric pressure change

Indra о lie tests

ol hers

pressure transducer

quasi eonl. registration of fluid level derivation of in-situ rock properties

poroelasiic parameiers

hydraulic parameters

open hole

tidal forcing

dala logger

с asms

aquifer

pore pressure variations

Рис. 1. Схема оценки свойств пород по результатам мониторинга уровня жидкости в стволе скважины

При наличии достаточного времени для выравнивания давления столба жидкости в стволе скважины с поровым давлением в породах околоскважинного пространства, оба давления приходят в состояние гидростатического равновесия. В результате проведения мониторинга уровня жидкости в скважине, пересекающей закрытый или глубокий водоносный горизонт, может быть получена информация об изменениях порового давления и гидравлических свойствах пород in situ. Эта информация особенно достоверна, когда известны действующие силы, такие, как приливные деформации и изменения барометрического давления. Последние оказывают двойное воздействие: как давление на столб жидкости в стволе скважины, так и как давление на земную поверхность.

В статье изложены основные данные, полученные в результате исследований, выполненных на Кольской сверхглубокой скважине. Полный отчет об этих исследованиях и об исследованиях на KTB, а также теоретические предпосылки, можно найти в работе (Schulze, 2002). Вопросы изучения упругости поровой среды и теоретические разработки, такие, как анализ и оценка параметров упругости поровой среды, изложены в работах (Kuempel, 1991; 1997; Schulze, 2000; Wang, 2000).

2. Результаты

2.1. Программа мониторинга

Мониторинг уровня жидкости в СГ-3 выполнялся в течение 15 месяцев с целью изучения гидравлических обменных процессов между жидкостью в скважине и флюидами в породах необсаженного интервала ствола. В течение периода исследований уровень жидкости в СГ-3 находился на 25-50 м ниже верха обсадной колонны (ВОК). Большую часть времени использовались два датчика давления, один для измерения абсолютного давления, другой - для измерения относительного (дополнительного к атмосферному) давления. Атмосферное давление также регистрировалось отдельно. В течение 2-х месяцев лета 2000 г. измерялись изменения уровня жидкости в двух более мелких скважинах (глубиной 1150 м и 1654 м), находящихся вблизи от СГ-3. Уровень жидкости в этих скважинах находился в нескольких метрах ниже ВОК. Записи были получены с использованием относительного датчика давления и дополнительного датчика абсолютного давления. Для оптимального соотношения емкости автономной памяти датчиков и временного разрешения записываемых данных, период измерений в основном был выбран равным 5 минутам. Использовавшиеся датчики давления имели разрешающую способность около 10 Па (что соответствует 1 мм водяного столба). Далее приводятся полученные результаты раздельно по трем скважинам.

2.2. Кольская сверхглубокая скважина СГ-3

В течение периода наблюдений уровень жидкости в скважине в основном постоянно понижался. Тенденция понижения уровня свидетельствует о том, что столб воды в стволе не находится в состоянии гидравлического равновесия с поровым давлением в породе (рис. 2). На графиках видны скачкообразные изменения уровня жидкости амплитудой в несколько метров, которые обусловлены периодическим добавлением порций воды в скважину или работами, связанными со спуском в скважину других геофизических приборов на различные глубины. Добавление воды было необходимо для того, чтобы датчик давления не оказался выше уровня жидкости, т.е. в воздухе. В результате вычитания линейного тренда на записях изменения уровня можно выделить слабые суточные и полусуточные флуктуации (рис. 2). Максимальная разница между экстремумами этих флуктуаций составляет всего несколько миллиметров. Например, в немецкой скважине-спутнике КТВ эта разница составляет 13 см.

-20 г

-25

-30

É-35

■= -40

-45

-50

-55

Troll—А1 Troll—А2 manual readings

ч ......\

V

tucket-tösts

V

■ bucket tests

further borehole device installed at different depth

Рис. 2. Записи изменений уровня жидкости в СГ-3 с 20 мая 1999 г. (139 день) по 31 августа 2000 г. (608 день)

100

200

300 400 500

time [days], 0 = 1/1/1999

600

700

Преобладающей тенденцией является устойчивое понижение уровня жидкости со скоростью около 1.5 м/мес. Уровень жидкости дважды поднимался за счет добавления порций воды в скважину (16.09.1999 г. 258 день; 09.11.1999 г. 312 день). Кроме того, уровень повышался случайным образом в результате добавления воды в скважину в процессе "ведерных испытаний". Пропуск в данных до августа 1999 г. (212 день) явился результатом неправильной установки датчика давления. Большая часть пропусков в данных после сентября 1999 г. (243 день) связана с проведением других работ в стволе скважины (например, каротажа). Начиная с марта 2000 г., в скважине на разных глубинах выполнялась серия геотермических исследований и 22 апреля 2000 г. (477 день) скважинный термометр был установлен на конечной глубине 5000 м. Спуск каротажного кабеля в скважину приводил к эпизодическим изменениям уровня жидкости.

Рис. 3. Графики изменений уровня жидкости в СГ-3 в ноябре 1999 г. (а) и июле 2000 г. (ф, записанные с шагом квантования 5 мин, иллюстрируют возрастание со временем максимальных амплитуд. После вычитания кривых локального минимума (Ь, е) пиковые значения становятся более отчетливыми (см. с, 1). Следует обратить внимание на десятикратную разницу в шкалах амплитуд на графиках (с) и (1).

С использованием программы анализа земных приливов и отливов ETERNA 3.3 (Wenzel, 1996) была оценена чувствительность пород к поверхностному давлению, значения которого находятся в диапазоне от 0.1 до 0.2 ГПа/нанодеформации (Schulze et al, 2000; Schulze, 2002). Барометрический коэффициент, который характеризует обратную корреляционную зависимость между изменениями уровня жидкости в СГ-3 и атмосферным давлением, составляет 10 %. Обратная корреляционная зависимость хорошо заметна на рис. 3, если сравнить графики (a) с (b) и (d) с (e). Для сравнения заметим, что барометрический коэффициент в немецкой скважине-спутнике КТВ составляет 60-65 %.

Исходя из предположения, что колебания уровня скважинной жидкости отражают изменения порового давления в породе (установившийся режим), была применена упругая модель пористой среды, разработанная Ван дер Кампом и Гале (Van der Kamp, Gale, 1983) и Ройстажером и Эндрю (Roistaczer, Andrew, 1989). С учетом этой модели получен коэффициент Скемптона В, равный 0.9-1.0, а значение сжимаемости пород во влажном состоянии си приближенно составляет 1-10-9 Па-1. Но для адекватности такого подхода необходимо, чтобы коэффициент Пуассона vu был выше 0.35. Такие значения необычайно велики для кристаллических пород, находящихся на глубине нескольких километров. Кроме того, возможно, не выполняется и условие установившегося режима. Достаточно медленное, но стабильное снижение высоты столба жидкости предполагает низкую проницаемость гидравлически проницаемых пород. Низкая проницаемость приведет к значительному снижению амплитуды изменения уровня жидкости по сравнению амплитудой, вызываемой изменением порового давления. Соответственно, реальные значения для В и си должны быть меньше, чем полученные нами. Мы не смогли выяснить, является ли низкая проницаемость естественной или искусственной, например, обусловленной остатками глинистого бурового раствора, которые могли частично перекрыть пути миграции жидкости. Так как глинистый буровой раствор из скважины СГ-3 был заменен водой без проведения опытных откачек, закупорка порового пространства весьма вероятна.

Рис. 4. Регистрация изменения уровня жидкости в скважине СГ-3 высокочастотным (4 Гц) датчиком

Показан отрезок записи длительность 60 мин. (слева) и детализованная запись основного пика длительностью 1 мин. (справа). Изменение уровня жидкости можно объяснить подъемом газового пузыря по скважине с глубины к поверхности. На пути к поверхности размер газового пузырька увеличивается из-за уменьшения гидростатического давления. Возникающие после появления пузыря на поверхности колебания обусловлены спецификой конструкции скважины (см. рис. 5).

В течение 15-ти месяцев мониторинга СГ-3 наблюдались значительные изменения характера кривых уровня жидкости. Если в начале вариации изменений уровня жидкости имели, в основном, сглаженную форму (рис. 3a, ь, с), то со временем все больше и больше осложнялись резкими, пиковыми изменениями (рис. 3d, e, 1}. Отдельные максимумы обычно сглаживались за период времени менее одного часа. Частота появления и амплитуда пиковых изменений увеличивалась с течением времени. Самые большие максимумы имели амплитуду до 16 см. Анализ наблюдений, выполненных одновременно двумя датчиками давления, показал, что эти пиковые амплитуды связаны с изменениями уровня жидкости, а не аппаратурными шумами. Применив датчик давления с большей частотой квантования (4 Гц) для ряда наблюдений, удалось показать, что регистрируемые пиковые изменения уровня вызваны поднимающимися пузырьками газа (рис. 4). Состав и происхождение этих газов на сегодняшний день неизвестны. Это могут быть природные газы, растворенные в скважинной жидкости или поступающие с глубины из поровых флюидов открытой части ствола (или из участков, где обсадная колонна повреждена). С другой стороны, причиной этого могут быть смазка кабелей или другие материалы, попавшие в скважину в процессе каротажа или бурения и постепенно разлагающиеся с выделением газов. Если учесть все пиковые изменения уровня с амплитудой более 5 мм, то объем газа, пересчитанный к нормальным (атмосферным) условиям и высвободившийся в течение месяца (рис. 3:1^, составит 350 л. Причем это минимальная оценка, так как пики с максимальной амплитудой вполне могли быть пропущены из-за достаточно большого шага квантования датчиков (5 мин).

Довольно эффектный результат был получен при проведении эксперимента по разовому доливу порции воды, который проведен для оценки проницаемости пород в околоскважинном пространстве. После долива 20 л воды в скважину столб жидкости начал колебаться с периодом порядка 200 с (рис. 5). Вначале колебания имели амплитуду 1.5 м, их затухание произошло в течение 45 минут.

Это явление может быть объяснено следующим образом. Во время эксперимента в скважине внутри обсадной колонны, достигающей глубины 8278 м, помещена колонна бурильных труб, башмак которой находился на глубине 8350 м. При этом бурильные трубы использовались как охранная колонна для обеспечения безопасного спуска каротажных приборов в необсаженную часть скважины. Таким образом, создаваемая доливом воды разовая нагрузка на верхнюю часть столба воды внутри бурильных труб заставляет колебаться весь столб жидкости как внутри бурильных труб, так и в кольце между бурильными и обсадными трубами. Период свободных колебаний столба воды длиной 16.7 км должен составлять 183 с, что близко к наблюдаемой величине. Другие возмущения жидкостного уровня, например, вызываемые поднимающимися газовыми пузырьками, также вызывали эти колебания (рис. 4). Пожалуй, это единственный в мире имеющийся вертикальный столб жидкости, в котором легко могут быть возбуждены свободные колебания столь низкой частоты.

2.3. Эксперименты в мелких скважинах

Вблизи СГ-3 находится большое число скважин глубиной от нескольких сотен метров до первых километров. В течение двух месяцев (июль и август 2000 г.) в двух из них был проведен мониторинг уровня жидкости. Скважины были выбраны после проверки их технического состояния и проведения экспериментов по доливу воды. Одна из скважин - Спутник II расположена приблизительно в 50 м от

Рис. 5. При разовом доливе воды в скважину СГ-3 (а) весь столб жидкости начинает колебаться с периодом около 200 с (Ь).

Этот феномен может быть объяснен как возбуждение свободных затухающих колебаний столба воды внутри колонны бурильных труб (длиной 8350 м) и в кольцевом зазоре между обсадными и бурильными трубами. Зарегистрированный сигнал, полученный в результате долива 20 л воды, представлен на (Ь). Другие эксперименты дали те же значения времени (с) и частоты По теоретической оценке период свободных колебаний водяного столба длиной 16.7 км должен быть равным 183 с.

СГ-3. Вторая - № 1886 - находится в нескольких сотнях метров на противоположном от СГ-3 берегу озера Вильгискоддеоайвинярви. Глубина Спутника II составляет 1150 м, ствол обсажен до глубины 200 м. Скважина № 1886 имеет глубину 1654 м и обсажена кондуктором до глубины 6.5 м.

По результатам регистрации изменения уровня жидкости в Спутнике II не обнаружена значимая корреляция с изменениями атмосферного давления, также не выявлено влияние приливных волн. Ранее по результатам короткого цикла наблюдений, выполненных в 1999 г. на этих скважинах, было сделано предположение о присутствии таких вариаций, но оно не было подтверждено более поздними наблюдениями. Предположительно, эти вариации сигнала были связаны с неисправностью измерительной системы.

Изменение уровня жидкости в скважине № 1886 имеет совершенно другой вид (рис. 6). На этой скважине наблюдаются приливные вариации с амплитудой до 10 см. Если не учитывать влияние изменений атмосферного давления, анализ приливных вариаций позволил получить значение чувствительности к поверхностной деформации, равное 0.20 ГПа/нанодеформаций для суточной приливной волны О1 и 0.26 ГПа/ нанодеформаций для полусуточной волны М2. Если учесть деформации, вызываемые океанической приливной нагрузкой, чувствительность к поверхностной деформации для М2 уменьшается почти вдвое, в то время как на величине чувствительности для О1 это влияние почти не сказывается. Коэффициент барометрического влияния эффективности, полученный по записям, составляет 0.4. Соответственно, единица амплитуды барометрического давления изменяет на 40 % амплитуду изменения уровня жидкости. Приняв квазистатические условия (как и для СГ-3) и коэффициент Пуассона уи равным 0.25, получим, что коэффициент Скемптона В = 0.7 и сжимаемость си = 2-10-11 Па-1. Поскольку скважина обсажена только до глубины 6.5 м, на положение уровня жидкости в ней могут влиять и другие гидрометеорологические факторы, как, например, инфильтрация дождевой воды и влияние изменений атмосферного давления через системы трещин выветрелых пород приповерхностной зоны.

Рис. 6. Изменения уровня жидкости в скважине № 1886 (уровень находился между 5.3 и 5.7 м ниже земной поверхности) (а), изменения атмосферного давления (Ь), рассчитанная кривая приливных вариаций (с), разностная кривая изменений уровня жидкости после вычитания влияний изменений атмосферного давления и приливных вариаций (ф. Поскольку изменения атмосферного давления на низких частотах влияют незначительно, из разностной кривой вычитались только высокочастотные составляющие. Разностные изменения уровня жидкости могут отражать влияние других гидрометеорологических явлений.

3. Дискуссия

Несмотря на некоторые организационные и технические проблемы в начале реализации проекта, мониторинг изменений уровня жидкости в скважинах СГ-3, Спутник II, № 1886 был успешно выполнен. К сожалению, некоторые из датчиков давления не работали стабильно, и большой объем записей, полученных на СГ-3, был исключен из анализа приливных вариаций из-за наличия на них скачкообразных срывов с амплитудой от нескольких миллиметров до одного сантиметра. Эти неисправности возникали неоднократно, в течение нескольких или многих часов (Schulze, 2002). Эти части записей изменения уровня жидкости имели амплитудное разрешение всего лишь в один или два сантиметра.

В целом результаты исследований позволили сформулировать новые представления о гидравлических режимах ствола Кольской СГ-3:

1) Уровень жидкости в скважине постоянно понижается, следовательно, не находится в гидравлическом равновесии с поровым давлением глубинных пород. Для скважины СГ-3 уровень водного равновесия определенно находится ниже 100 м от земной поверхности.

2) Несмотря на то, что проницаемость пород на глубине представляется весьма низкой, они явно обладают способностью поглощать и транспортировать значительный объем жидкости, поступающей через скважину.

3) Из-за низкой проницаемости пород на необсаженном участке ствола (8.28-8.56 км) колебания столба воды в СГ-3 длиной 16.7 км могут быть легко возбуждены разовым доливом воды в скважину.

Результаты мониторинга, полученные в двух более мелких скважинах, расположенных вблизи СГ-3, сильно отличаются друг от друга. Если предположить, что изменения уровня жидкости в этих скважинах отражают вариации порового давления на глубине, то, по крайней мере, на основе выводов полученных в результате изучения малых изменений давления, гидравлические явления, выявленные в скважинах, должны иметь в окружающих породах очень небольшое пространственное распространение. Большие приливные изменения уровня жидкости, наблюдавшиеся в скважине № 1886, по-видимому, являются самыми северными из наблюдавшихся до сих пор. Это может представлять интерес для изучения глобальных приливных явлений, так как фаза и амплитуда приливов зависит от широтного положения места наблюдения.

Опыт, полученный в процессе реализации программы мониторинга в Кольской СГ-3, КТВ и других скважинах, однозначно указывает на то, что прокачка скважин водой после завершения бурения необходима для очистки порового пространства пород вблизи скважины. Это мероприятие является необходимым для использования наблюдений за уровнем жидкости при определении пороупругих параметров пород in situ. В целом, мониторинг уровня жидкости пригоден для изучения процессов взаимодействия пород и флюидов на глубине, а также для получения информации о текущем состоянии скважины. Стоимость таких наблюдений не очень высока, и подобные данные вряд ли могут быть получены другим путем. Представляется, что наблюдения за изменением давления (а не уровня) жидкости может оказаться полезным в нефтегазовой промышленности, например, при изучении естественных изменений давления, вызываемых приливной нагрузкой в наклонных скважинах, пробуренных в прибрежной зоне (Schulze et al., 2002).

Благодарности. Мы благодарим коллектив НПЦ "Кольская сверхглубокая" за плодотворное сотрудничество при проведении исследований. Первый автор особенно признателен Эдуарду Юдину, чье активное участие во многом обеспечило успех исследований. Его безвременная кончина осенью 2001 г. стала невосполнимой утратой для всех нас. Мы выражаем глубокую благодарность за поддержку, полученную в рамках гранта KU 583/14-1,2 (Германия), а также ЮНЕСКО и Международный союз геологических наук, под эгидой которых выполнялся проект МПГК-408.

Литература

Borevsky L.V., Vartanyan G.S., Kulikov T.B. Hydrogeological Essay. In: The Superdeep Well of the Kola

Peninsula. Ed. Kozlovsky YeA. Springer-Verlag, Berlin, 490 p., 1984. Huenges E., Engeser B., Erzinger J., Kessels W., Kück J. The permeable crust: Geohydraulic properties down

to 9100 m depth. J. Geophys. Res., v.102, p.18255-18265, 1997. Kümpel H.-J. Poroelasticity: Parameters reviewed. Geophys. J. Int., v.105, p.783-799, 1991. Kümpel H.-J. Tides in water saturated rock. In: Tidal Phenomena, Lecture Notes in Earth Sciences. Eds. Zürn

W.H., Wenzel H.-G., Springer, Heidelberg, v.66, p.277-291, 1997. Rojstaczer S., Agnew D.C. The influence of formation properties on the response of water level in wells to

earth tides and atmospheric loading. J. Geophys. Res., v.94, p.12403-12411, 1989. Schulze K.C. Charakter von Fluidpegel- und Porendruckschwankungen in Tiefbohrungen: Ergebnisse von KTB

und Kola. Shaker Verlag, Aachen, 222 p., 2002 (German with English figures and captions). Schulze K.C., Kümpel H.-J., Huenges E. In situ petrohydraulic parameters from tidal and barometric analysis of fluid level variations in deep wells: Some results from KTB. In: Hydrogeology in crystalline rocks. Eds. Stober I., Bucher K., Kluwer Publ., Berlin, p.79-104, 2000. Schulze K.C., Brudy M., Kjerholt H. Estimation of in situ rock parameters from pressure time series. Paper SPE/ISRM 78249, presented at the 2002 SPE/ISRM Rock Mechanics Conference. Irving, Texas, 8 p., 2002.

Van der Kamp G., Gale J.E. Theory of earth tide and barometric effects in porous formations with

compressible grains. Water Res. Res, v.19, p.538-544, 1983. Wang H.F. Theory of linear poroelasticity - with applications to geomechanics and hydrogeology. Princeton

University Press, Princeton, 2000. Wenzel H.G. The nanogal software: Earth tide data processing package ETERNA 3.30. Bulletin d'Informations Marees Terrestres, 1996.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.