Спутники геокосмоса

В нынешней пятилетке в Советском Союзе пробурено более 100 миллионов метров колонковых скважин, более 14 миллионов метров глубоких скважин, предназначенных для разведки месторождений нефти и газа. Все они станут для геологов главными каналами информации об устройстве недр. Они помогут понять общие закономерности глубинного строения, выяснить геологическую конструкцию изучаемых районов, открыть месторождения, установить детали их расположения для организации добычи... Разведочные скважины на нефть и газ впоследствии могут стать эксплуатационными - по ним будет подниматься наверх жидкое и газообразное топливо.

Керн - вот, пожалуй, главный свидетель подземной обстановки; но и он не в состоянии ответить на все вопросы геологоразведчиков. Ведь это всего кусочек больших горных масс и часто не может представлять целый пласт. К тому же его портит соприкосновение с буровым режущим инструментом, промывочным раствором. Если же подъем происходит с больших глубин, то на поверхности керн может изменить некоторые механические свойства, в частности плотность. И самое главное - керн не всегда удается получить, причем по мере продвижения скважины вниз трудности отбора возрастают. Выбуриваемый цилиндрик горной породы крошится, уплывает с промывочным раствором и на поверхность попадает незначительная часть каменного материала.

В распоряжении геологоразведчиков сегодня имеется; другой обильный источник информации - геофизические исследования в скважинах: каротаж. В скважины на специальных кабелях опускают приборы, которые ощупывают стенки стволов, меряют температуру и давление, исследуют электрические и магнитные свойства горных пород, их химический состав, радиоактивность, улавливают излучение атомных ядер, элементарные частицы. Каротаж проводится во всех разведочных скважинах: ежегодно геофизические приборы медленно следуют мимо нескольких десятков миллионов метров горных пород, выискивая в них признаки руды, нефти, газа, указывая на месторождения полезных ископаемых, скрытых в недрах. Без этого вида исследований невозможно дальнейшее познание земных глубин, поиск и разведка месторождений, особенно в наши дни, когда геологоразведчиков начинают интересовать глубокие горизонты. А в будущем роль каротажа еще возрастет; многие из средств современной физики удастся привлечь на службу в геологию, и это расширит информацию о недрах, сделает ее более тонкой, способной дать ответ на многие нерешенные вопросы.

Плодотворность союза физики и геологии можно видеть на примере Всесоюзного научно-исследовательского института ядерной геофизики и геохимии. Здесь стык обеих наук наиболее очевиден, результаты их взаимодействия обнадеживают, они уже привели к значительному экономическому эффекту - до 10 миллионов рублей в год.

...При каротаже ствол скважины превращается в своеобразную физическую лабораторию. Очень узкую: ее диаметр редко превышает 20-30 сантиметров, чаще он меньше. Очень длинную: средняя глубина разведочных скважин на нефть и газ достигла трех, в ряде районов пяти километров, многие превысили этот рубеж, а сверхглубокая на Кольском достигла сейчас десяти километров и стала самой глубокой в мире. Ход в недра всегда заполнен промывочным раствором, водой, подземными рассолами, нефтью. Его стенки разрушены кавернами, часто разбиты трещинами, изогнуты. Чтобы они не разрушались Дальше, не портились от спуска-подъема бурового снаряда и его вращения, ствол закрывают металлическими трубами, а пространство между ними и стенками заливают цементным раствором. Так возникает двойное ограждение.

Каким должен быть прибор, посланный вниз? Маленьким, чтобы свободно продвигаться по цилиндрическому пути, крепким, чтобы выдерживать все удары, безразличным к высоким температурам и давлениям, выносливым и очень чувствительным - ему приходится улавливать слабые сигналы на фоне сильных помех, улавливать, невзирая на стальную и цементную преграды. И чем глубже послан подземный зонд, тем более мощное воздействие ожидает его. Стандартные приборы сейчас рассчитывают примерно на 1000 атмосфер и температуру свыше 150°. В скважинах, углубившихся на пять-шесть километров, эти показатели бывают выше. А в Кольской сверхглубокой в девяти километрах от поверхности замерено около 200°С и 1200-1300 атмосфер. Величина температуры напоминает нам данные, зарегистрированные космическими зондами у поверхности планет Солнечной системы! В такой обстановке перестают надежно работать многие элементы приборов, датчики выходят из строя, посылают наверх искаженные показания.

Директор института, доктор технических наук О. Л. Кузнецов сказал, что для каротажных устройств необходимо использовать те же материалы и элементы, что и для космических автоматических аппаратов. Только тогда подземные спутники Земли, следуя по своим орбитам, смогут производить на любых глубинах точные замеры.

Но главное, над чем ломают сейчас головы создатели подобных спутников,- измерительная начинка геофизических приборов. Горные породы не словоохотливы, скрытны, они не дают однозначных ответов на вопросы, поставленные геофизиками. Да, пласт обладает каким-то определенным электрическим сопротивлением - но такое сопротивление присуще, может быть, десяти породам. Какая же из них вскрыта данной скважиной? На глубину следует другой прибор, снимающий с пласта-инкогнито новые характеристики. Они позволяют исключить некоторых членов из группы подозреваемых. Затем следует погружение третьего прибора, еще одно измерение и очередной отсев. Так, методом постепенных приближений, свойственных детективному сюжету, геофизики набирают сумму данных, необходимых для точного опознания.

Вот почему разнообразен арсенал современных методов каротажа: газовый, магнитный, электрический, радиоактивный, сейсмический... Только электрических способов можно насчитать около десяти. С их помощью измеряют электрическое сопротивление горных пород, диэлектрическую проницаемость, естественное электрическое поле и т. п.

Сегодня одними из главных методов скважинной геофизики становятся ядерно-физические. Они собирают столь интимные данные о горном веществе, фиксируют такие ничтожные его изменения и делают это так точно, что позволяют специалистам заводить весьма подробные анкеты на продуктивные пласты, собирать о них большинство необходимых сведений.

И ядерно-физических методов также немало. Многие из них разработаны в отделе института, возглавляемом профессором Ю. С. Шимилевичем.

Первым широко внедрился в практику геологоразведочных работ метод нейтронного каротажа. Он основан на свойстве элементарной частицы - нейтрона - полностью передавать свою энергию ядру водорода при встрече с ним. Если же на пути потока нейтронов окажутся ядра других элементов, то при соударении тех и других этого не происходит. Легкие элементарные частицы как бы отскакивают от массивных ядер, только с водородом (его масса равна единице) они щедро делятся энергией.

В скважину опускается источник быстрых нейтронов и детектор медленных нейтронов. Они находятся в одном приборе на расстоянии до 60 сантиметров друг от друга. Встречен пласт, содержащий нефть и воду, которые, как правило, всегда сопутствуют, - детектор фиксирует значительное изменение скорости нейтронов, поскольку там велико содержание водорода. В противном случае исследователь может с уверенностью сказать, что обследованный пласт не насыщен подземными флюидами.

Предположим, на первом этапе геофизического детектива получен положительный ответ: водорода много! Но не все пласты, содержащие его в большом количестве, являются коллекторами нефти. Необходимо выяснить, чем сложен пласт? В ход идет гамма-гамма-каротаж, что означает появление в скважине, вблизи подозреваемого горизонта, нового прибора - с источником гамма-излучения и с детектором этого излучения. В плотной породе оно поглощается очень быстро, в разреженной - медленнее. Наличие пор и трещин в пласте не остается для него незамеченным. Можно даже определить, что встретили на глубине гамма-кванты: известняк, песчаник или другие породы. Первые и есть главные подземные резервуары для нефти.

Следующий этап геофизических исследований показывает: подозреваемый горизонт обладает пониженной плотностью. Вывод - обнаружен коллектор! Но не всякий Коллектор интересен нефтеразведчикам, а только с покрышками, иными словами, имеющий снизу и сверху Уплотненные слои, не позволяющие нефти покинуть природную ловушку. В ход идет гамма-каротаж, определяющий естественную радиоактивность горных пород. Прибор в скважине фиксирует гамма-излучение, которое радиоактивные элементы испускают сами по себе, без побуждения извне.

Естественная радиоактивность зависит от удельной поверхности зерен, слагающих породу. Пласт, состоящий из мелких частиц, будет обладать большей поверхностью и, значит, повышенной радиоактивностью. Это характерно, как правило, для глин, их частицы чрезвычайно малы. Напротив, песчаники и известняки крупнозернистые и, следовательно, их радиоактивные возможности намного меньше.

Скважинный прибор сигнализирует наверх: высокая радиоактивность, затем ее снижение и глубже - снова высокая. Для геофизика это означает: встречен глинистый пласт, затем известняк или песчаник, глубже - опять глины. Перед ним классический пример коллектора: две покрышки, непроницаемые для нефти и газа, между ними пористая порода, способная содержать в себе жидкое и газообразное топливо.

Подытожим: геофизический сюжет привел нас к выводу, что скважина на определенной глубине встретила коллектор - подземную ловушку, наполненную веществом, содержащим водород. Скорее всего, это нефть и вода вместе, но, возможно, что-то одно из них. Следует вопрос, что именно находится там и сколько нефти, сколько воды, если они оказались вместе? На эти вопросы отвечает новый метод каротажа - импульсный нейтронный, действующий подобно радиолокации. Сначала источник нейтронов на определенном уровне заполняет скважину элементарными частицами. Через ничтожное время, буквально через миллисекунду, он выключается. Нейтроны, попав в воду, очень быстро прекращают свое существование. В ней всегда растворены минеральные соли, а в солях - и хлор. Его ядро обладает большим сечением захвата нейтронов - вот причина их короткого века в воде. В нефти же соли отсутствуют, продолжительность существования частиц в ней дольше.

Итак, источник выключен, и детектор прибора улавливает только те нейтроны, которые оказались в нефтяном коллекторе. В водоносном горизонте он их попросту не заметит, они к моменту регистрации уже исчезнут.

Прием импульсного возбуждения позволил геофизикам решить еще одну нелегкую задачу - производить замеры, невзирая на то, что прибор от горных пород отделяет колонна металлических труб и цементное крепление скважины. Включенный источник сначала "накачивает" нейтроны внутри этого окружения. Но вот он выключен, элементарные частицы начинают "протекать" сквозь металлическую колонну и цемент в горные породы. Через некоторое время их в скважине почти нет, они за пределами ограждения, в окружающей горной массе. Направление движения меняется - поток направляется в скважину, и теперь несет информацию только об окружающей среде. Действительно подземный локатор: сигнал послан в виде потока элементарных частиц, которые возвращаются или не возвращаются, что позволяет судить о насыщенности пласта нефтью или водой. При радиолокации импульсы непрерывно устремляются в пространство и только натолкнувшись на металлическую преграду, скажем, самолет, возвращаются обратно. В подземном локаторе предусмотрен перерыв в работе, во время которого вокруг приемного устройства рассеивается нейтронный туман и ответный сигнал доходит без помех.

Прибор для импульсного нейтронного каротажа представляет собой ускоритель элементарных частиц - настоящее достижение современной физики и техники. Он размещается в трубе длиной несколько метров, диаметром несколько сантиметров, ускоряющее напряжение в нем - не меньше ста тысяч вольт!

В ряде случаев применение ядерно-физических методов, о которых здесь рассказано, успешно заканчивает поиск: нефтеносный пласт опознан! Последние сомнения могут развеять другие виды каротажа из того же семейства, скажем, ядерно-магнитный. Он предусматривает мгновенное и сильное намагничивание горных пород, Ядра водорода, словно маленькие магнитики, поворачиваются и занимают определенное положение. Когда действие прибора прекращается и искусственное магнитное поле исчезает, они начинают вращаться, стремясь занять прежнюю позицию. Теперь они сами создают магнитное поле, которое затухает по-разному, в зависимости от того, где находятся ядра водорода: в каплях нефти или воды или в порах. Еще один способ - более тонкий - определения проницаемости. Но бывает и так, что подземной природе удается сохранить свои секреты, несмотря на обилие и изощренность ядерно-физических методов. Подземные ситуации разнообразны, не встретишь и двух одинаковых. К тому же поиск и разведка нефти - мероприятия дорогие, нужна полная ясность в отношении разреза, вскрытого той или иной скважиной. Поэтому геофизикам приходится продолжать перекрестный допрос недр, но уже другими способами.

Наиболее охотно откликаются горные породы на акустический каротаж. Акустический широкополосный допрос применяется в любых скважинах, действует через металлический и цементный барьеры. Радиус сбора информации - одни метр от ствола скважины.

Источниками звука в каротажных акустических приборах служат невзрывные источники. Пьезоэлектрический: к специальному керамическому элементу подводится переменное электрическое поле, он реагирует на это, возбуждая переменное звуковое поле. Магнитострикционный: принцип действия тот же, только звуки издает преобразователь из сплава никеля, кобальта, железа.

Звуковые волны от того или другого источника распространяются в горный массив и, отразившись от пород, возвращаются к регистратору. Они несут информацию главным образом о монолитности породы. По их показаниям определяется пористость, трещиноватость, тип коллектора.

Сотрудников лаборатории сейсмоакустики можно назвать рыцарями звука. Они проницательно заметили его избранность в изучении недр: горные породы именно с ним наиболее откровенны; ему наиболее податливы. Там, где другие виды каротажа оказываются бессильными, где они возвращаются к детектору с незначительной информацией, там звуковые колебания, а также ультра- и инфразвуковые успешно собирают нужные сведения.

В Кольской сверхглубокой скважине широкополосный акустический каротаж "прощупал" весь ствол сверху донизу и вместе с керном непрерывно доносил о состоянии его стенок, помогал буровикам осторожно продвигаться вглубь. Думается, они не раз молчаливо благодарили своих дозорных. Продвижение вглубь Земли усложнялось с каждым метром, лавинообразно росла стоимость уникального хода, катастрофически увеличивалась ответственность, неверный шаг грозил провалом всего многолетнего и выдающегося эксперимента. И в том, что забой сегодня благополучно миновал более десяти километров, есть солидная заслуга акустических измерений.

На ультразвуковой основе разработан подземный телевизор, который удачно воплощает принцип: "Лучше раз увидеть..." Передающее устройство опускается в скважину, вращается, осматривая стенки, и передает наверх их изображение. На телевизионном экране возникает подземная картина.

Не только надзор за недрами возложен на звук. Лаборатория сейсмоакустики впервые доказала, что звук - сильное средство воздействия на горные породы. Мощная сирена, объединенная с турбобуром, увеличивает скорость проходки скважины до 20%. Сирена напоминает большую консервную банку (стоит копейки), промывочный раствор протекает сквозь нее и заставляет сильно гудеть. Звук помогает механическому разрушению и в то же время сообщает наверх местоположение забоя, служит как бы пеленгатором разрушающего инструмента.

Не все пласты могут долго выдерживать откачку нефти. Многие из них с течением времени теряют проницаемость, не дают прохода жидкому топливу в прежнем количестве. Или нефть может оказаться чересчур вязкой и насосы с трудом поднимают ее наверх. Бывает, что устье скважины забивают гидраты - твердые как лед комки, продукты соединения воды с различными веществами. Эти препятствия способен устранить звук. Он может повысить проницаемость пласта, уменьшить вязкость нефти, разрушить кристаллы гидратов. Изменение свойств призабойной зоны сказывается на состоянии всего пласта - держателя нефти, как бы рушится плотина, изолирующая его от скважины, рассасывается тромб, закупоривший нефтяную артерию.

Звук в скважинах - одна из самых обширных областей применения акустики в народном хозяйстве.

...Современные запасы полезных ископаемых рассчитаны относительно верхних слоев земной коры. Это буквально пленка Земли, тончайшая кожица, если вспомнить, что и сама земная кора всего лишь скорлупа планеты толщиной 40-70 километров. Оловянные и вольфрамовые залежи сегодня прослежены примерно до полкилометра, полиметаллические - до полутора километров, с глубины 3,5 километра добывается золото, 5-6-километровые горизонты доступны нефтяникам. Образно говоря, разведчики недр "сняли" только верхний пласт Земли, словно капустный лист. Предстоит двигаться глубже, осваивать удаленные области недр, близ поверхности месторождений почти не осталось.

Окажется ли следующий капустный лист таким же богатым как и верхний? Ряд ученых предупреждают, что с глубиной ситуация может измениться - высокие температуры и давления не позволяют там существовать рудам, нефти, газу в том виде, в каком они встречаются у поверхности Земли. Возможны ли на больших глубинах месторождения, иными словами, концентрации полезных компонентов, или на значительном удалении от поверхности этого не происходит? Так ли, иначе обстоят дела в глубоких недрах - все это еще предстоит выяснить.

Значит, на очереди бурение глубоких и сверхглубоких скважин, удлинение подземных орбит к центру Земли и запуск по ним новых спутников, способных сообщать о подземной обстановке достоверные сведения. Геофизики думают о броне для них, о начинке, способной к тончайшим измерениям. На Кольской сверхглубокой, где применялось более 30 видов каротажа, приборы безотказно работали до глубины пять-шесть километров. По мере углубления многие стали отказывать - не все оказались в состоянии выдержать марафонскую дистанцию. Сошли с нее традиционные электрические методы, аппаратура не выдерживала, ближе к семи-восьми километрам наступил тяжелый отрезок для ядерно-физических, а сейчас продолжают держаться только механические способы измерений, геотермический, акустический. Из 30 марафонцев осталось несколько... Этого явно недостаточно для сбора информации.

Геофизики хотели бы иметь в своем распоряжении и уже создают спутники, столь же разносторонние, как и космические: чтобы один прибор снимал целый спектр характеристик вместо одной-двух, как это делается сегодня. Обследование глубин, приближающихся к десяти километрам,- дело долгое, кропотливое. На Кольской сверхглубокой каротажная партия занимает скважину на десять и более дней. Это слишком дорогой простой для буровиков - так пусть за это время снимут десяток характеристик!

Выход на 9-10-километровые глубины требует не только новых спускаемых приборов, но и создания нового кабеля для их подвески: существующий не выдерживает собственного веса и главное - мало пригоден для передачи точной информации. Возможно, лучше справится этим лазерный луч. Для этого кабель придется начинить волоконной оптикой. Одним словом, чем глубже пролягут орбиты скважин, тем сложнее задачи придется решать геофизикам, осваивающим геокосмос.

...Нефтяная скважина пробурена и обследована. На очереди проверка пластов, вскрытых скважиной: надо отобрать из них образцы горных пород, взять пробы подземной жидкости и газа. Затем надо вскрыть продуктивный пласт, иначе говоря, пробить в нем каналы, чтобы нефть или газ начали поступать в низ скважины, затем с помощью насосов - на поверхность.

Быстро справиться с разнообразной и сложной работой на глубине удается только взрыву. Глубоко в недрах, в стесненном пространстве он эффективно демонстрирует свои уникальные возможности: концентрировать в малом объеме большой запас энергии, действовать быстро и с громадной силой.

Чтобы взрыв сделал свое дело в скважине, на глубину отправляют специальные снаряды, несущие заряды. Это спутники другого рода: цилиндры с закругленными концами длиной два-три метра. Их диаметр меньше диаметра скважин, обычно он чуть больше десяти сантиметров.

В скважине спутник движется вниз сквозь буровой раствор под действием собственного веса. Он подвешен к каротажному бронированному кабелю, и в нужной точке его можно остановить и в случае надобности открыть огонь.

Для отбора образцов горных пород со стенок скважин используются стреляющие грунтоносы. Один из них, наиболее распространенный, несет 30 бойков. Установив его на боевой позиции на нужной глубине, по кабелю подают электрический импульс. Накаляется запальный мостик электровоспламенителя, вспыхивает промежуточный, а затем пороховой заряд. Боек с большой скоростью вылетает из ствола грунтоноса и внедряется в стенку. Его полая часть забивается породой. Следует незначительный спуск, и боек, прикрепленный к корпусу тросиком, выдергивается. Так в нужных интервалах производится 30 выстрелов, а затем грунтонос поднимают наверх - за ним, словно на буксире, следуют бойки с пробами горной породы.

Пластовую жидкость доставляют наверх с помощью опробывателей пластов, которые благодаря взрывам проделывают в скважине целый ряд операций. Первый импульс тока воспламеняет нижний пороховой заряд. Он выбивает пробку и открывает путь в пустой баллон. Начинают работать поршни, которые крепко прижимают опробыватель к стенке. В действие вступает второй заряд, образующий кумулятивную струю. Она пробивает в пласте канал, и жидкость поступает в баллон. Срабатывает третий заряд - опробыватель отходит от стенки скважины и с полным баллоном следует на поверхность. Поднятую жидкость анализируют и определяют, какой пласт вскрыт: с нефтью, газом или водой.

И наконец, наступает момент, когда все готово для добычи нефти. В скважину опускают новый тип подземных спутников - перфораторы, которые несут более мощное вооружение. Их обязанность - соединить нефтеносный или газоносный пласт со скважиной. Для этого необходимо пробить связующие каналы, что сделать довольно непросто. Скважину, как мы говорили, всегда укрепляют обсадными колоннами - металлическими трубами, которые опускаются на нижнюю глубину, а пространство между стенками скважины и обсадными трубами заполняют цементным раствором. Получается, что у перфоратора три преграды: обсадные трубы, слой цемента и сама горная порода.

От легких ручных перфораторов до карьерных гигантов применяет человек при добыче минеральных богатств

Между тем, пожалуй, не найти более не приспособленного к стрельбе устройства, чем перфораторы. Стрельба ведется всегда поперек скважины. Пуля лишена разбега, весь путь ее от старта до препятствия не более десяти сантиметров. Чем меньше разбег, тем меньше пробивная сила пули.

Конструкторам перфораторов приходится идти на хитрости. Одна из них - изогнутый ствол. Пуля сначала движется вдоль перфоратора, а затем перед выходом в пласт поворачивает на 70° вслед за стволом. Набрав скорость, она, повернув, с большой силой врезается в породу.

Пулевые перфораторы стреляют по-разному: залпом, поодиночке или поочередно несколькими группами.

Гораздо успешнее справляются с тройной преградой кумулятивные заряды. Продукты их взрыва сжимают металлическую облицовку, крошат ее и превращают в металлические (кумулятивные) струи. Они обладают большой плотностью, движутся со скоростью восемь-десять тысяч метров в секунду и обрушиваются на преграду с силой 300000 кгс/см².

От легких ручных перфораторов до карьерных гигантов применяет человек при добыче минеральных богатств

Имеется много типов кумулятивных перфораторов. Те, что используются многократно, сделаны надежно, с толстыми стальными стенками корпуса. Одноразовые изготовляют из сплошной трубы, которая выдерживает только один залп. Есть бескорпусные перфораторы. У них каждый кумулятивный заряд упакован в оболочку из хрупкого материала, например из стекла или алюминия. Они похожи на гирлянды и способны дать мощный залп, простреливающий сразу 300 каналов - 300 путей для нефти и газа.

Как ни велика мощь перфораторов, продуктивные пласты отдают, как правило, меньше половины нефти. Поэтому приходится воздействовать на них более мощными средствами. На глубину опускаются специальные аппараты, которые разрывают пласт пороховыми газами. Иногда вниз идет ракета с четырьмя реактивными двигателями. Они срабатывают одновременно: один вверх и один вниз, чтобы уравновесить аппарат, удержать его на месте, а два других тем временем бьют по стенкам. Реактивные струи разрыхляют пласт, и он становится щедрее.

От легких ручных перфораторов до карьерных гигантов применяет человек при добыче минеральных богатств

Наиболее мощные аварии в скважинах ликвидирует также взрыв. Буровой инструмент может "прихватить" обвал породы, он же способен намертво заклинить долото. И когда не помогают встряхивание колонны, ее развинчивание, прибегают к помощи взрыва. В скважину опускают фугасные или кумулятивные торпеды. Они освобождают инструмент из плена земных недр, помогая извлечь его на поверхность.

Цех под землей в виде глубокой нефтеразведочной скважины не всегда исправно выдает положенную ему продукцию. В недрах властвуют большие температуры и давления, часто они аномально высоки. Поэтому на пути нефтяного ручья, стремящегося наверх, бывает, встает неожиданные препятствия, и бригаде приходится немало потрудиться, прежде чем нефть достигнет поверхности. Беспрепятственно вывести ее наверх - эту задачу решают многообразные спутники, запускаемые в сторону, противоположную звездам.