Буріння надглибоких свердловин

15 Липня 2012

Існують різні способи буріння. Якщо глибина свердловин невелика (сотні метрів), то двигун, що знаходиться на поверхні, обертає колону сталевих бурових труб; на нижньому кінці труби кріпиться бурова коронка, армована твердими сплавами або алмазами (рис. 1). Обертаючись коронка вирізає циліндричний стовпчик породи, який поступово заповнює спеціальну внутрішню (колонкові) трубу. При бурінні без відбору керна часто використовують бурові головки, які являють собою систему кількох обертаються конусів, армованих твердими сплавами (див. рис. 1). Якщо стінки свердловини нестійкі, в неї опускають сталеву обсадних труб. В процесі буріння насос постійно закачує в свердловину спеціальний глиняний розчин, необхідний для додання стійкості стінок, охолодження інструменту, винесення дрібних частинок породи (шламу) і для інших цілей. Час від часу колону бурових труб піднімають на поверхню за допомогою лебідки, встановленої на буровій вишці, вивантажують керн, якщо необхідно, замінюють зношену коронку на нову і знову опускають бурової снаряд на забій.
Буріння супроводжується вимірами фізичних властивостей порід уздовж стовбура свердловини. Для цього на спеціальному кабелі в свердловину опускають прилади, які фіксують температуру, електропровідність, магнітну сприйнятливість, радіоактивність та інші властивості порід. Цей процес називають каротажу свердловин.
Як показує досвід буріння в США та інших країнах, збільшуючи потужність двигунів і тиск насосів, нагнітають буровий розчин, підвищуючи вантажопідйомність лебідок і міцність сталевих бурових труб, таким способом можна бурити свердловини глибиною до 9-10 км. Для більш глибоких свердловин потрібні нетрадиційні інженерні рішення. Багато хто з них були запропоновані й реалізовані в ході виконання програм надглибокого наукового буріння.
Так, якщо забій свердловини знаходиться на багатокілометрової глибині, доцільно використовувати забійні двигуни, встановлені не на поверхні, а в нижній частині бурової колони, яка при цьому сама не обертається. Забійні двигуни являють собою мініатюрні турбіни або гвинтові механізми, які приводяться в обертання буровим розчином, нагнітається під тиском в свердловину.
Для того щоб зменшити вагу колони бурових труб довжиною в кілька кілометрів, їх виготовляють зі спеціальних легких, але досить міцних і термостійких сплавів. Наприклад, при бурінні Кольської свердловини використовували алюмінієві сплави, які в 2,4 рази легше стали. Для цих же цілей пропонується застосовувати труби з титанових сплавів.
Коли свердловина сягає великої глибини, виникає значна різниця між гідростатичним тиском стовпа бурового розчину і літостатичним (гірським) тиском, обумовленим вагою гірських порід. У результаті стінки свердловини можуть бути зруйновані, що призводить до серйозних ускладнень при бурінні. Для того щоб врівноважити гірський тиск, збільшують щільність бурового розчину приблизно до 2 г/см3, додаючи в нього спеціальні наповнювачі.
Одна з найбільш складних технічних завдань полягає в тому, щоб забезпечити надійну роботу бурового устаткування при високих температурах, які існують в надглибоких свердловинах (див. табл. 1). Це стосується металевих деталей, їх з'єднань, мастил, бурового розчину і вимірювальної апаратури. Хоча на вибої, тобто в самій нижній точці свердловини Солтон-Сі в США на глибині 3220 м була зафіксована температура 355 ° С, а в іншій свердловині, пробуреної до 1440 м в одній з молодих вулканічних структур на заході США, виміряна температура досягала 465 ? С, сучасні технічні засоби не дозволяють бурити свердловини надглибокі при таких високих температурах протягом тривалого часу, оскільки термостійкість існуючого бурового обладнання не перевищує 200-300 ° С. Найбільші проблеми виникають з вимірювальною апаратурою, особливо з електронікою, яка відмовляє вже при 150 ° С. Водні бурові розчини зберігають технологічні властивості до 230-250 ° С. При більш високій температурі доводиться переходити на нафтову основу розчинів і застосовувати більш складні суміші. Висока температура земних надр залишається одним з головних факторів, що обмежують глибину наукового буріння.
Серйозні технічні труднощі пов'язані з самовільним викривленням глибоких свердловин в процесі буріння через нерівномірного руйнування порід на вибої, геологічних неоднорідностей розрізу та інших причин. Наприклад, забій Кольської свердловини на глибині близько 12 км відхилився від вертикалі на 840 м. Існують технічні прийоми утримання свердловини у вертикальному положенні. Так, завдяки вдалій конструкції спеціального пристосування свердловина КТБ-Оберпфальц в Німеччині залишалася до глибини 7500 м самої вертикальної свердловиною у світі. Проте глибше це пристосування вийшло з ладу через високу температуру і тиску, і свердловина пішла своїм шляхом, у результаті на глибині 9101 м вона відхилилася від вертикалі на 300 м (рис. 2).
Надглибоке буріння вимагає створення спеціальної вимірювальної апаратури, яка контролює умови вздовж стовбура і на вибої. Звичайна технологія каротажу з датчиками, які опускають у свердловину на термостійкому кабелі, мало придатна для цих цілей. Розроблено телеметрична та інша електронна апаратура, яка кріпиться на буровому снаряді, а також автономні вимірювальні прилади, які опускаються вниз і виносяться наверх потоком бурового розчину. Сигнали датчиків можуть передаватися не по проводах, а гідравлічним способом шляхом створення імпульсів тиску в буровому розчині.
Глибокі і надглибокі свердловини мають телескопічну конструкцію. Буріння починають з самого великого діаметра (92 см в Кольської свердловині, 71 см в свердловині КТБ-Оберпфальц), а потім переходять на менші. Нижня частина Кольської свердловини пробурена діаметром 21,5 см, а діаметр свердловини КТБ-Оберпфальц на забої був 16,5 см.
Механічна швидкість буріння (поглиблення) надглибоких наукових свердловин складає 1-3 м / ч. За один рейс між спуско-піднімальними операціями заглиблюються на 6-10 м. Середня швидкість підйому колони бурових труб дорівнює 0,3-0,5 м / с. Не менше 10% часу витрачається на вимірювання у свердловині. В цілому буріння однієї надглибокої свердловини займає роки (див. табл. 1) і стоїть дуже дорого. Наприклад, буріння надглибокої свердловини в Німеччині обійшлося в 583 млн німецьких марок. Витрати на надглибоке буріння в нашій країні були не менше.
При бурінні глибоких свердловин нерідко виникають аварії, викликані мертвим захватом бурового снаряда та іншими причинами. На усунення аварій потрібно багато часу, часто їх взагалі неможливо усунути, доводиться починати буріння нового стовбура. Тому багатокілометровий стовпчик керна діаметром від 5 до 20 см, який є одним з основних, але не єдиним результатом наукового буріння, стає воістину дорогоцінним. Керн ретельно документують і зберігають у спеціальних приміщеннях. Його вивченням займаються великі колективи фахівців, які проводять різноманітні дослідження. Наприклад, матеріал, отриманий при бурінні німецької надглибокої свердловини, вивчали близько 400 вчених, результати цих досліджень викладені в 2000 наукових публікацій!
Після того як буріння надглибокої свердловини закінчено, вона перетворюється в постійно діючу лабораторію.