Сверхглубокое бурение скважин

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 строят:

• для разведки месторождений полезных ископаемых,
• для извлечения из недр воды, нефти и газа,
• для инженерных изысканий и других прикладных целей;
• для решения фундаментальных научных проблем современной геологии. 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 гг. В 1968 г. 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.

Бурение на суше

Первая программа систематического сверхглубокого континентального бурения с научными целями разработана и осуществлена в СССР. Основы этой программы были сформулированы еще в 1960 - 1962 гг. В мае 1970 г. на севере Мурманской области в 10 км от г. Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины. Ее проектную глубину определили в 15 км. В 1991 г. бурение прекратили на глубине 12 261 метров. Но, 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 гг), 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 км;
• 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.

Параметры сверхглубоких скважин:

• имеют телескопическую конструкцию: бурение начинают с самого большого диа­метра, а затем переходят на меньшие Ø. В Кольской скважине Ø с 92 см в верхней части уменьшается до 21,5 см на глубине 12 262 м. В немецкой скважине КТБ-Оберпфальц - с 71 сантиметра до 16,5 см.
• механическая скорость бурения - 1 - 3 м/час.
• за 1 рейс между спускоподъемными операциями можно углубиться на 6 - 10 м.
• средняя скорость подъема колонны буровых труб - 0,3 - 0,5 м/сек;
• срок бурения - несколько лет,
• стоимость бурения сверхглубокой скважины в Германии - 583 мл немецких марок. ;
• пути модернизации конструкции:

- увеличение выхода из-под башмака предыдущих колонн,

- использование долот уменьшенных и малых Ø;

- применение способа секционного спуска обсадных колонн и крепление стволов промежуточными ко­лоннами-хвостовиками;

- использование об­садных труб со сварными соединительными элементами и безмуфтовых обсадных труб со специальными резьбами при компоновке промежуточных и в некоторых случаях эксплуатационных колонн;

- уменьшение конечного Ø скважин и эксплуатационных колонн.

Сверхглубокое бурение основывается на технологии вращательного бурения и последовательного закрепления пройденных интервалов колоннами обсадных труб.

Характерные особенности технологии:

• возрастание с глубиной температуры и гидростатического давления;
• потеря устойчивости пород под действием разности между горным и гидро­статическим давлениями;
• увеличение массы бурильной и обсадных колонн;
• замедление темпов углубления за счет увеличения вре­мени спуска/подъема бурильной колонны и ухудшения буримости пород;
• возрастание потерь энергии при передаче силовых воз действий с поверхности на забой;
• необходимость отбора керна в больших объемах и проведения внутрискважинных геофизических исследований.

Параметры буровых установок для сверхглубокого бурения:

• грузоподъемность до 11 МН (1100 т);
• мощность - до 18 тыс. кВт;
• насосы (2 - 4 шт.) на рабочее давление 40-50 МПа мощностью до 1 600 кВт каждый;
• электричес­кий привод от источника постоянного тока, что оеспечивает бесступенчатое регулирование работы основных механизмов;
• спуск/подъем бурильной колонны ведется преимущественно с удлиненными до 37 м «свечами» при максимальной механизации и автоматизации процесса.

В РФ буровые установки такого типа производятся на заводах:

• Уральский завод тяже­лого машиностроения (УЗТМ);
• Волгоградский завод буровой техники (ВЗБТ).

Факторы деления буровых установок на установки для глубокого и сверхглубокого бурения:

• технической характеристикой установки; нагрузкой на крюке, давлением и подачей буровых насосов, типом и мощностью главного привода;
• массой наземного оборудования (как следствие технической характеристики буровой установки);
• способом монтажа, демонтажа и транспортировки;
• временем, затрачиваемым строительство буровой;
• временем бурения скважины;
• организацией буровых работ.

Способы сверхглубокого бурения:

• роторный - распространен более в западных странах;
• турбинный - в России. Турбинный способ позволяет успешно применять бурильные грубы из легких (тер­мостойкие, алюминиевые) сплавов (ЛБТ). По критерию допустимых напряжений в трубах турбинный способ в сочетании с ЛБТ дает возможность в 1,5-2 раза увеличить глубину бурения по сравнению с роторным способом в сочетании со стальными трубами (СБТ) при той же грузоподъемности. При проводке Кольской скважины применялась со­ставная колонна из ЛБТ (низ) и СБТ (верх), примерно 2000 м, с использованием алю­миниевых сплавов, которые были в 2,4 раза легче стали. Общая тенденция добычи нефти и газа со все более глубоко залегающих горизонтов может быть проиллюстрирована следующими цифрами. Еще 20 лет назад основная добыча нефти (66%) осуществлялась из самых молодых кайнозойских пород, из пород мезозоя - 19% нефти, палеозоя -15%. Сейчас основная нефть добывается в мезозое, и палеозое.

Предотвращение искривления сверх­глубоких скважин

Это обеспечивает успеш­ную проводку. Для поддержания сил со­противления движению бурильной колонны и износа обсадных колонн в допустимых пределах стремятся, чтобы:

• интенсивность искривления не превышала 2 - 3° / 1 км при соблюдении постоянства азимута искрив­ления,
• абсолютная величина зенитного угла не превышала 10 -12°;
• жесткие требования предъявляются к вертикальнос­ти верхней части ствола. Для борьбы с кри­визной обычно используют жесткие ком­поновки низа бурильной колонны (КНБК) с полноразмерными центраторами, а при отсутствии должного эффекта - КНБК маятникового типа. В верхней части скважин (до 3-4 км) при бурении ствола большого диаметра успешно применяют реактивно-турбинные буры.

По мере увеличения глубин (более 10 км) забойный привод долота будет вытеснять роторный способ, позволяющий реализовать принци­пиальные преимущества бурильных труб из легких металлических сплавов на основе алюминия и титана. В центре внимания, вероятно, окажется термостойкий редукторный турбобур.

«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°С, а в другой скважине, пробуренной до 1440 метров в одной из молодых вулканических структур на западе США, измеренная температура достигала 465 °С, 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°С. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150°С. Водные буровые растворы сохраняют технологические свойства до 230 - 250°С. 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».

Сверхглубокое бурение потребовало создания специальной измерительной аппаратуры, контролирующей условия вдоль ствола и на забое. Малопригодной оказалась обычная технология каротажа с датчиками, которые опускают в скважину на термостойком кабеле. В результате длительных поисков удалось разработать телеметрическую и другую электронную аппаратуру, крепящуюся на буровом снаряде, а также автономные измерительные приборы, которые опускаются вниз и выносятся наверх потоком бурового раствора. Теперь сигналы датчиков могут передаваться не по проводам, а гидравлическим способом путем создания импульсов давления в буровом растворе.

Аварии

Наиболее часто они вызваны мертвым прихватом бурового снаряда. На устранение аварий требуется много времени. Порою же они не позволяют продолжить работу, и приходится начинать бурение нового ствола. Можно понять, насколько дорог и в прямом и переносном смысле многокилометровый столбик керна диаметром от 5 до 20 сантиметров, который является одним из основных, но не единственным результатом научного бурения. Керн тщательно документируют и хранят в специальных помещениях. Затем его подробно изучают большие коллективы специалистов. Так, материал, полученный при бурении немецкой сверхглубокой скважины, изучали около 400 ученых. Позднее они опубликовали на их основе 2000 научных работ!

Когда собственно бурение завершено, работа на сверхглубокой скважине не прекращается. Скважина превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты продолжают следить за изменением режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят различные эксперименты. Такие лаборатории были созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберпфальц в Германии.