Программа сверхглубокого бурения в Советском Союзе

3. Программа сверхглубокого  бурения в Советском Союзе

 

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

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

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

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

 

3.1 Кольская скважина

 

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

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

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

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

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

Рис. 1.

 

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

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

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

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

 

 

Наука и технологии [добыча и переработка]

• Разведка и разработка

 

 

• Добыча и переработка

 

 

• Транспортировка и хранение

 

 

• Машиностроение
• Приборостроение

 

 

• Экономика

 

 

• Экология

 

 

• Общие вопросы

 

 

• Приспособления

 

 

• Энергетика

Наука и  технологии

01 июня 2009 г. Чудеса техники

Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с  поверхности. О ее составе и строении можно судить лишь по косвенным данным. От того и стремятся геологи проникнуть как можно дальше в глубь Земли  с помощью бурения. Современная  техника позволяет бурить скважины на континентах глубиной до 10— 15 километров

Буровые скважины чаще всего делают для разведки месторождений полезных ископаемых, для извлечения из недр воды, нефти и газа, а также  для инженерных изысканий и других прикладных целей. Кроме того, с 1970-х  годов бурение все шире используется как метод решения фундаментальных  научных проблем современной  геологии. Кстати, сами результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические  представления, которые до этого  казались очевидными и незыблемыми

Начало систематического научного бурения относится к 1960-м годам. В 1968 году в США было спущено на воду специальное буровое судно, и началась реализация международной  программы глубоководного бурения  в океанах. За более чем тридцатилетнюю историю в Мировом океане пробурили  сотни скважин, которые пересекли  рыхлые осадки океанского дна и углубились в подстилающие базальты. Самая глубокая из скважин была пробурена в Тихом  океане к югу от берегов Коста-Рики Ее глубина достигла 2105 метров ниже океанского дна Океанское бурение  открыло новую страницу в геологии, поскольку раньше точных данных о  строении дна океанов практически  не было.

Теперь о бурении на суше. Скважины научного бурения на континентах, как  правило, относятся к категориям глубоких (3—7 километров) или сверхглубоких (более 7 километров). В этом отношении  с ними можно сопоставить лишь скважины, которые бурятся для  поисков, разведки и эксплуатации глубоко  залегающих месторождений нефти  и газа в США. Самая глубокая скважина из них — Берта Роджерс (9583 метров) была пробурена в 1973—1974 годах всего  за 502 дня. Столь высокая скорость проходки обусловлена двумя факторами. Первый — возможности американской техники. Второй — бурение осуществлялось без отбора керна, то есть без подъема  образцов горных пород на поверхность  Отбор керна требует большого дополнительного времени, но совершенно необходим при научном бурении. По этой причине глубокие и сверхглубокие поисковые и разведочные скважины имеют достаточно ограниченное значение как источники научной информации

Первая программа систематического сверхглубокого континентального бурения  с научными целями разработана и  осуществлена в СССР. Основы этой программы  были сформулированы еще в 1960—1962 годах. В мае же 1970 года на севере Мурманской области в десяти километрах от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Ее проектную  глубину определили в пятнадцать километров. Но достичь ее не удалось  в 1991 году бурение прекратили на глубине 12 261 метров. Тем не менее, Кольская скважина до сих пор остается самой глубокой в мире.

Успехи Советского Союза не могли  не подстегнуть другие страны. Ускорили разработку программ научного континентального бурения в Германии, Франции, США, Канаде, Японии, Великобритании. Одного из лучших результатов добились немцы, пробурившие сверхглубокую скважину КТБ-Оберпфальц в Баварии (1990—1994 годы), которая достигла глубины 9101 метра.

«Существуют разные способы бурения, — пишут в „Соросовском образовательном  журнале“ В С Попов, А.А. Кременецкий  — Если глубина скважин невелика (сотни метров), то двигатель, находящийся  на поверхности, вращает колонну  стальных бурильных труб, на нижнем конце трубы крепится буровая  коронка, армированная твердыми сплавами или алмазами Вращаясь, коронка вырезает цилиндрический столбик породы, который  постепенно заполняет специальную  внутреннюю (колонковую) трубу. При  бурении без отбора керна часто  используют буровые головки, которые  представляют собой систему нескольких вращающихся конусов, армированных твердыми сплавами. Если стенки скважины неустойчивы, в нее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения  насос постоянно закачивает в  скважину специальный глинистый  раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, выноса мелких частиц породы (шлама) и  для других целей. Время от времени  колонну буровых труб поднимают  на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой вышке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изношенную коронку на новую и  опять опускают буровой снаряд на забой

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

Опыт бурения в США и других странах показал следующее. За счет мощности двигателей и давление насосов, нагнетающих буровой раствор, а  также увеличения грузоподъемности лебедок и прочности стальных буровых труб, таким способом можно  бурить скважины глубиной до 9—10 километров. Для бурения более глубоких скважин  необходимы другие нетрадиционные инженерные решения. И такие решения были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения

Выяснилось, что в тех случаях, когда забой скважины находится  на многокилометровой глубине, целесообразно  использовать забойные двигатели, установленные  не на поверхности, а в нижней части  буровой колонны, которая при  этом сама не вращается. Забойные двигатели  — это миниатюрные турбины  или винтовые механизмы, которые  приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в  скважину.

Для уменьшения веса колонны буровых  труб, достигающих длины несколько  километров, их изготавливают из специальных  легких, но достаточно прочных и  термостойких сплавов. Алюминиевые  сплавы, использованные при бурении  Кольской скважины, были в 2,4 раза легче  стали.

При достижении большой глубины  возникает значительная разница  между гидростатическим давлением  столба бурового раствора и литостатическим (горным) давлением, обусловленным весом  горных пород. Это может привести к разрушению стенок скважины, а  это, в свою очередь, вызывает серьезные  осложнения при бурении. Для достижения равновесия горного давления увеличивают  плотность бурового раствора, добавляя в него специальные наполнители.

«Одна из наиболее сложных технических  задач, — пишут Попов и Кременецкий, — заключается в том, чтобы  обеспечить надежную работу бурового оборудования при высоких температурах, существующих в сверхглубоких скважинах. Это касается металлических деталей, их соединений, смазок, бурового раствора и измерительной аппаратуры. Хотя на забое, то есть в самой нижней точке скважины Солтон-Си в США  на глубине 3220 метров была зафиксирована  температура 355 градусов Цельсия, а  в другой скважине, пробуренной до 1440 метров в одной из молодых вулканических  структур на западе США, измеренная температура  достигала 465 градусов, современные  технические средства не позволяют  бурить сверхглубокие скважины при  столь высоких температурах в  течение длительного времени, поскольку  термостойкость существующего бурового оборудования не превышает 200—300 градусов. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150 градусов. Водные буровые растворы сохраняют технологические свойства до 230—250 градусов. При более высокой температуре приходится переходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов, ограничивающих глубину научного бурения.

Серьезные технические трудности  связаны с самопроизвольным искривлением глубоких скважин в процессе бурения  из-за неравномерного разрушения пород  на забое, геологических неоднородностей  разреза и других причин. Например, забой Кольской скважины на глубине  около 12 километров отклонился от вертикали  на 840 метров. Существуют технические  приемы удержания скважины в вертикальном положении. Так, благодаря удачной  конструкции специального приспособления скважина КТБ-Оберпфальц в Германии оставалась до глубины 7500 метров самой  вертикальной скважиной в мире. Однако глубже это приспособление вышло  из строя из-за высокой температуры  и давления, и скважина пошла своим  путем; в результате на глубине 9101 метров она отклонилась от вертикали  на 300 метров».