Кольская сверхглубокая скважина

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с поверхности, а о составе и строении земных глубин можно судить лишь по косвенным данным. Поэтому геологи стремятся проникнуть как можно дальше в глубь Земли с помощью бурения.

Обычно проблему сверхглубокого бурения представляют себе как задачу достижения максимальных глубин - вскрытия скважинами глубоко залегающих горизонтов. При отом исследуются не только добытый керн и ствол скважины, но и околоскважинное пространство путем проведения специальных сейсмических и иных геофизических измерений.

Сверхглубокое бурение скважины- составная часть комплексного геолого-физического исследования районов, наиболее интересных для теории и практики геолого-разведочных работ. Наконец такие скважины предназначены для решения ряда специфических задач, например их для прогноза времени возникновения разрушительных землятресений.

Таким образом, сверхглубокое бурение представляет собой многоцелевую проблему, затрагивающую интересы большинства наук на земле. Ее успешное решение окажет серьезное влияние на их развитие. Не будет преувеличением сказать, что развитие сверхглубокого бурения способно вызвать научно техническую революцию в геологии, и может привести к серьезной ломке многих устоявшихся взглядов.

бурение скважина мохол кольский

1. Первые сверхглубокие скважины

В отличие от относительно мелких (обычно менее 1 км) скважин, которые бурят при поисках и разведке твердых полезных ископаемых, скважины научного бурения на континентах, как правило, относятся к категориям глубоких (3-7 км) и сверхглубоких (более 7 км). В этом отношении они сопоставимы лишь со скважинами, пробуренными для поисков, разведки и эксплуатации глубоко залегающих месторождений нефти и газа, известных, например, на юге США. За последние 30 лет в штатах Техас и Оклахома пробурено более 350 скважин глубиной 6,5-7,0 км, 50 скважин глубиной более 7 км, 4 скважины достигли глубины более 9 км. Самая глубокая скважина Берта Роджерс (9583 м) была пробурена в 1973-1974 годах всего за 502 дня.

Столь высокая скорость проходки обусловлена как возможностями американской техники, так и тем, что 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. Поэтому глубокие и сверхглубокие поисковые и разведочные скважины имеют ограниченное значение как источники научной информации

Трудолюбивые китайцы в XIII веке рыли скважины глубиной 1 200 метров. Европейцы побили китайский рекорд в 1930 году, научившись пронзать земную твердь при помощи буровых на 3 километра. В конце 1950-х годов скважины удлинились до 7 километров. Начиналась эпоха сверхглубокого бурения.

Как и большинство глобальных проектов, идея пробурить верхнюю оболочку Земли возникла в 1960-х годах XX века, в разгар космических полетов и веры в безграничные возможности науки и техники. Американцы задумали ни много ни мало пройти скважиной всю земную кору и получить образцы пород верхней мантии. Представления о мантии тогда (как, впрочем, и сейчас) строились лишь на косвенных данных -- скорости распространения сейсмических волн в недрах, изменение которой интерпретировалось как граница слоев горных пород разного возраста и состава. Ученые считали, что земная кора похожа на бутерброд: сверху молодые породы, снизу -- древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать доподлинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии.

До 50-х годов буровые скважины чаще всего проходят для поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, для извлечения из недр воды, нефти и газа, для инженерных изысканий и других прикладных целей. Кроме этого, в последние десятилетия бурение все шире используется как метод 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[2].

В связи с необходимостью разработки и реализации единой технологии бурения и комплексных исследований, создания системы накопления, обработки и интерпретации уникальной геолого-геофизической информации в 1985 г было образовано специализированное геологическое объединения по сверхглубокому бурению и комплексным исследованиям недр Земли - «Недра», которому была поручена проходка большинства скважин.

Первая программа систематического сверхглубокого континентального бурения с научными целями разработана и осуществлена в Советском Союзе. Основополагающие идеи этой программы были сформулированы в 1960-1962 годах, а в мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 км от города Заполярного началось бурение Кольской сверхглубокой скважины.

Ее проектная глубина была определена в 15 км. В 1991 году бурение прекратили на глубине 12 261 м. Кольская скважина до сих пор остается самой глубокой в мире. В 1977 году было начато бурение Саатлинской скважины в Куринской впадине на территории Азербайджана. Проектная глубина этой скважины была 11 км, но по некоторым причинам бурение остановили на глубине 8324 м., не выполнив всех научных задач [6].

2. Основные задачи сверхглубокого бурения

Н.И. Хитаров считал необходимым изучить во всех скважинах геотермический режим выходящих газов и паров, всесторонне исследовать поднятый керн, его физико-механическую характеристику. Ученый предлогал испоьзовать сверхглубокие скважины для последующих многолетних режимов наблюдений с помощью автоматической аппаратуры

Развивая идеи Н.И. Хитарова, геолог-тектопист Ю.М. Шепман в 1961 предложил рассмотреть с помощью сверхглубокого бурения ряд вопросов общегеологического порядка: состав и состояние вещества ниже границы Мохоровича; характер и состав поднимающихся из мантии газовых эманаций; структура и кинематика зон скалывания; отделяющих материковые складчатые области от океана; характер поверхности, разделяющей кору на «гранитный» и «базальтовый» слои; состав и состояние базальтовой части коры; строение и процессы в области зарождения гранитов, процессы метаморфизма на глубине; геологическая интерпретация структур коры, установленных в результате геофизических работ[6].

К основным задачам сверхглубокого бурения относятся:

* максимальное вскрытие разрезов геоструктур основных типов в стратиграфическом диапазоне мощностью более 60 км;

* получение прямых данных о состоянии и составе пород на больших глубинах и их изменениях в значительном диапазоне глубин;

* создание фактографической основы для моделирования процессов рудо- и нефте-газообразования и вариаций состояния геологической среды на значительных глубинах;

* выяснение природы геофизических границ и аномалиеобразующих объектов, получение данных о фактических свойствах пород в реальных термодинамических условиях;

* оценка перспектив нефтегазоносности и рудоносности глубоких горизонтов земной коры, выявление нетрадиционных источников рудного вещества и энергии;

* создание принципиально новых технологий и технических средств глубинного изучения и использования недр [3].

Программой предусматривалось бурение двенадцати скважин. Строительство девяти из них (Кольская, Уральская, Криворожская, Мурунтауская, Титано-Печорская, Тюменская, Прикаспийская, Днепровско-Донецкая, Утвинская) осуществляли организации Мингео СССР и трех (Саатлинская, Ново-Елховская, Кубанская) - Миннефтепрома СССР. Дополнительно велось бурение двух глубоких скважин: Тырныаузской (проектная глубина 4 км) и Воротиловской (проектная глубина 6 км). Всего с 1970 г было пройдено более 49 тыс.м. Скважины расположены в основных геоструктурах : на древних щитах (Кольская, Криворожская), в разновозрастных складчатых сооружениях (Уральская, Мурунтауская) и в чехлах древних (Дпепровско-Донецкая, Тимано-Печорская) и молодых (Утвинская, Тюменская) платформ. Это обеспечило получение ценной информации об особенностях геологического строения, эволюции основных геоблоков земной коры и изменчивости петрологических и физических параметров в их пределах на различных горизонтах в широком стратиграфическом диапазоне. Восемь скважин бурились с целью изучения крупных осадочных бассейнов и оценки перспектив их нефте-газоносности, а четыре - заложены в важных рудоносных провинциях с уникальными месторождениями.

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 (1990-1994 годы), которая достигла глубины 9101 м. [5].

3. Американская программа «Мохол»

Американцы задумали ни много ни мало пройти скважиной всю земную кору и получить образцы пород верхней мантии. Представления о мантии тогда (как, впрочем, и сейчас) строились лишь на косвенных данных -- скорости распространения сейсмических волн в недрах, изменение которой интерпретировалось как граница слоев горных пород разного возраста и состава. Ученые считали, что земная кора похожа на бутерброд: сверху молодые породы, снизу -- древние. Однако лишь сверхглубокое бурение могло дать доподлинную картину строения и состава внешней оболочки Земли и верхней мантии.

В 1958 году в США появилась программа сверхглубокого бурения «Мохол». Это один из самых смелых и загадочных проектов послевоенной Америки. Как и многие другие программы, «Мохол» был призван обогнать СССР в научном соперничестве, установив мировой рекорд в сверхглубоком бурении. Название проекта происходит от слов «Мохоровичич» -- это фамилия хорватского ученого, который выделил поверхность раздела между земной корой и мантией -- границу Мохо, и «hole», что по-английски значит «скважина». Создатели программы решили бурить в океане, где, по данным геофизиков, земная кора значительно тоньше, чем на материках. Надо было спустить трубы на несколько километров в воду, пройти 5 километров океанского дна и достичь верхней мантии.

В апреле 1961 года у острова Гваделупа в Карибском море, где водная толща достигает 3,5 км, геологи пробурили пять скважин, самая глубокая из них вошла в дно на 183 метра. По предварительным расчетам, в этом месте под осадочными породами ожидали встретить верхний слой земной коры -- гранитный. Но поднятый из-под осадков керн содержал чистые базальты -- эдакий антипод гранитов. Результат бурения обескуражил и в то же время окрылил ученых, они стали готовить новую фазу бурения. Но когда стоимость проекта перевалила за 100 млн. долларов, конгресс США прекратил финансирование. «Мохол» не ответил ни на один из поставленных вопросов, но он показал главное -- сверхглубокое бурение в океане возможно [2].

4. Кольская скважина

Для бурения СГ была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Место бурения тоже конечно же выбрано не случайно - Балтийский щит в районе Кольского полуострова. Здесь на поверхность выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет (а Земле всего-то 4,5 млрд. лет). Бурить именно в древнейших изверженных породах было интересно, потому что толщи осадочных пород до глубины 8 км уже неплохо изучены при добыче нефти. А в изверженные породы при добыче полезных ископаемых забираются обычно лишь на 1-2 км. Выбору места для СГ способствовало и то, что здесь находится печенегский прогиб - огромная чашеподобная структура, как бы вдавленная в древние породы. Ее происхождение связано с глубинным разломом. И именно здесь находятся крупные медно-никелевые месторождения. А в задачи, поставленные перед Кольской геологической экспедицией, входило выявить ряд особенностей геологических процессов и явлений, в том числе - рудообразования, определить природу границ, разделяющих слои в континентальной коре, собрать данные о вещественном составе и физическом состоянии горных пород.

Основной целью бурения было изучение глубинного строения докембрийских структур Балтийского щита, типичных для фундамента древних платформ и оценка их рудоносности.

Проектная глубина - 15000 м. [3].

Основные задачи проходки скважины:

1) Изучение глубинного строения никеленосного Печенгского комплекса и архейского кристаллического основания Балтийского щита в районе Кольского полуострова, выяснение особенностей проявления геологических процессов, включая процессы рудообразования.

2) Выяснение геологической природы сейсмических границ раздела в континентальной земной коре и получение новых данных о тепловом режиме недр, глубинных водных растворах и газах.

3) Получение максимально полной информации о вещественном составе горных пород и физическом их состоянии, вскрытие и изучение пограничной зоны между гранитным и базальтовым слоями земной коры.

4) Усовершенствование имеющейся и создание новой техники и технологии сверхглубокого бурения, а также методов комплексных геофизических исследований пород и руд на больших глубинах.

Кольской скважиной впервые вскрыты и изучены в непрерывном вертикальном разрезе два важнейших докембрийских «надбазальтовых» слоя земной коры, отвечающих древнейшей (от 1,6 до 3,0 млрд.лет) истории геологического развития Земли.

В верхней части разреза (0-6840 м.) был детально изvчен по всей мощности раннепротерозойский Печенгский осадочно-вулканогенный комплекс, слагающий палеорифтовую структуру.

В интервале 6 840 -11 700 м исследован «гранито-гнейсовый» слой с возрастом пород не менее 2,6-2,8 млрд.лет. Подробнейшая характеристика разреза позволила выявить цикличность слагающих его глубоко метаморфизованных образований, изначально вулканогенных и осадочных, с увеличением роли последних к верхам разреза.

На глубинах свыше 11 700 м вскрыты породы, предположительно слагающие верхнюю часть зоны перехода к катархейскому основанию древнего фундамента - «диоритовому слою» - важному составному элементу континентальной земной коры.

Значительная глубина скважины позволила получить обширную информацию, освещающую эволюцию докембрийских толщ земной коры, особенности их метаморфизма и рудоносность. Установление гидрогенно-геохимического разуплотнения пород в условиях закрытых систем больших глубин привело к выявлению в скважине коровых волноводов, коллекторов в вулканогенных и метаморфических толщах, механически ослабленных горизонтов, металлоносных растворов.

На всем протяжении разреза установлены притоки вод и газов, содержащих гелий, водород, азот, метан, тяжелые углеводороды. Судя по изотопии углерода, в архейских толщах газы имеют мантийную природу, в протерозойских - биогенную.

К числу принципиально новых относятся данные по изменениям в температурном градиенте. До глубины 3 000 м градиент составляет 0,91°С на 100 м, как это и установлено менее глубокими скважинами. Глубже градиент возрос до 2-2,5 градуса на 100 м; на глубине 12 км температура составила 220 градусов вместо ожидаемой 120-130 градусов.

Результаты бурения скважин позволили определить геологическую природу геофизических границ. Изученный разрез дифференцирован в зависимости от вещественно-структурного состава вскрываемых пород с отчетливо выраженной тенденцией изменения физических характеристик в зонах разуплотнения. Отражающий горизонт на глубине 4 800 м, связываемый ранее с подошвой Печенгского комплекса, оказался отвечающим внутриформационному разрывному нарушению. На глубине 4500-8000 м вскрыты и исследованы разуплотненные метаморфические породы с низкими скоростями распространения упругих колебаний, что способствовало выделению геофизическими методами подобных коровых волноводов на площадях других древних щитов и платформ.

Кольская скважина - это своеобразная лаборатория, полигон по испытаниям техники, технологии сверхглубокого бурения, глубинным скважинам и наземным геофизическим и геохимическим исследованиям. Результаты работ, сопоставленные с полученными ранее материалами, позволяют внести существенные изменения в ранее составленные схемы, модели, глобальные элементы геологических построений земной коры континентального типа.

Особенно принципиальным может оказаться выяснение геологической природы сейсмической границы щита, выявленной в районе скважины на глубине 12,5 13,0 км. Если геологические предпосылки подтвердятся, то Кольская скважина впервые единым вертикальным разрезом сможет охарактеризовать сразу три структуры самого высокого стратиграфического ранга - три важнейших докембрийских «надбазальтовых» слоя континентальной земной коры.

В основу технологии бурения Кольской СГС были положены следующие основные принципы:

* бурение опережающим стволом до встречи непреодолимых препятствий с последующим, в случае необходимости, расширением скважины и креплением обсадными колоннами;

* турбинный способ бурения;

* применение легкосплавных бурильных труб.

В процессе бурения скважины применялись новые технические средства и технологии:

- буровая установка для сверхглубокого бурения «Уралмаш-15000/400» с полной механизацией всех трудоемких технологических, монтажных и ремонтных работ;

- трубы ЛБТВК-147, изготовленные из новых алюминиевых сплавов - термостойких (до 220 градусов) и высокопрочных (предел текучести 490 МПа );

- редукторные трубобуры , в тот числе термостойкие;

- керноотборный снаряд МАГ2-195/60, работающий в режиме гидротранспорта керна;

- информационно-измерительная система по управлению процессом бурения сверхглубоких скважин;

- телесистема контроля частоты вращения забойного двигателя и осевой нагрузки на долото;

- система управления траекторией скважины, позволившая при проводке ствола стабилизировать зенитный угол в пределах до 10 град/100 м;

- технология и технические средства по предупреждению и ликвидации аварий в сверхглvбоких скважинах;

- комплекс мероприятий и технологических приёмов, обеспечивших спуск обсадной колонны диаметром 245 мм на глубину 8 760 м.

Часть перечисленного оборудования применялась в виде действующих макетов, опытных образцов и малых серий. Отдельные виды оборудования (редукторные трубобуры, высокопрочные ЛБТ и др.) переданы для использования в геологоразведочном производстве.

Программа континентального научного бурения позволяет разрешить ряд вопросов рудогенеза как в теоретическом, так и в прикладном плане. Соответствующие задачи решаются при проводке сверхглубоких скважин, а также путем проходки специальных скважин глубиной от 2 км до 5 км в важнейших рудных районах СССР. Бурение этих скважин ведется с целью вскрытия различных по своей природе рудообразующих систем и оценки перспектив рудоносности глубоких горизонтов [4].

5. Технологии бурения сверхглубоких скважин

Существуют разные способы бурения. 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.

Как показывает опыт бурения в США и других странах, увеличивая мощность двигателей и давление насосов, нагнетающих буровой раствор, повышая грузоподъемность лебедок и прочность стальных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9-10 км. Для более глубоких скважин нужны нетрадиционные инженерные решения. Многие из них были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения.

Так, если 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 представляют собой миниатюрные турбины или винтовые механизмы, которые приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в скважину.

Для того чтобы уменьшить вес колонны буровых труб длиной в несколько километров, их изготавливают из специальных легких, но достаточно прочных и термостойких сплавов. Например, при бурении Кольской скважины использовали алюминиевые сплавы, которые в 2,4 раза легче стали. Для этих же целей предлагается применять трубы из титановых сплавов.

Когда скважина достигает большой глубины, возникает значительная разница между гидростатическим давлением столба бурового раствора и литостатическим (горным) давлением, обусловленным весом горных пород. В результате стенки скважины могут быть разрушены, что приводит к серьезным осложнениям при бурении. Для того чтобы уравновесить горное давление, увеличивают плотность бурового раствора примерно до , добавляя в него специальные наполнители.

Одна из наиболее сложных технических задач 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 м. была зафиксирована температура 355°С, а в другой скважине, пробуренной до 1440 м. 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 км отклонился от вертикали на 840 м. Существуют технические приемы удержания скважины в вертикальном положении. Так, благодаря удачной конструкции специального приспособления скважина КТБ-Оберпфальц в Германии оставалась до глубины 7500 м. 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 м. она отклонилась от вертикали на 300 м.

Сверхглубокое бурение требует создания специальной измерительной аппаратуры, контролирующей условия вдоль ствола и на забое. Обычная технология каротажа с датчиками, которые опускают в скважину на термостойком кабеле, мало пригодна для этих целей. Разработана телеметрическая и другая электронная аппаратура, которая крепится на буровом снаряде, а также автономные измерительные приборы, которые опускаются вниз и выносятся наверх потоком бурового раствора. Сигналы датчиков могут передаваться не по проводам, а гидравлическим способом путем создания импульсов давления в буровом растворе.

Глубокие и сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают с самого большого диаметра (92 см в Кольской скважине, 71 см в скважине КТБ-Оберпфальц), а затем переходят на меньшие. Нижняя часть Кольской скважины пробурена диаметром 21,5 см, а диаметр скважины КТБ-Оберпфальц на забое был 16,5 см.

Механическая скорость бурения (углубления) сверхглубоких научных скважин составляет 1-3 м/ч. За один рейс между спуско-подъемными операциями углубляются на 6-10 м. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3-0,5 м/с. Не менее 10% времени тратится на измерения в скважине. В целом бурение одной сверхглубокой скважины занимает годы (см. табл. 1) и стоит очень дорого. Например, бурение сверхглубокой скважины в Германии обошлось в 583 млн. немецких марок. Затраты на сверхглубокое бурение в нашей стране были не меньше.

При бурении глубоких скважин нередко возникают аварии, вызванные мертвым прихватом бурового снаряда и другими причинами. На устранение аварий требуется много времени, зачастую их вообще невозможно устранить, приходится начинать бурение нового ствола. Поэтому многокилометровый столбик керна диаметром от 5 до 20 см, который является одним из основных, но не единственным результатом научного бурения, становится поистине драгоценным. Керн тщательно документируют и хранят в специальных помещениях. Его изучением занимаются большие коллективы специалистов, которые проводят разнообразные исследования. Например, материал, полученный при бурении немецкой сверхглубокой скважины, изучали около 400 ученых, результаты этих исследований изложены в 2000 научных публикаций!

После того как бурение сверхглубокой скважины закончено, она превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты следят за изменением режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят различные эксперименты. Такие лаборатории созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберпфальц в Германии [5].

Бурение сверхглубоких скважин (более 7000 м.) имеет ряд особенностей по сравнению с бурением скважин на освоенные глубины. В частности, исходные геологические данные для проектирования сверхглубоких скважин, как правило, прогнозные и не имеют достаточной степени достоверности; проектные решения по способам бурения, конструкции скважины, выбору технических средств бурения (бурильных труб, долот), а также материалов для буровых и тампонажных растворов содержат несколько возможных вариантов, которые корректируются или даже меняются по мере углубления скважин; большой объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ - необходимое условие обеспечения оптимальных технико-технологических решений в условиях многовариантности геологического строения и др.

В настоящее время требованиям сверхглубокого бурения удовлетворяют только два основных способа - турбинный и роторный.

Конструкция скважины, включая число обсадных колонн, их диаметр и глубину спуска, определяется с учетом многих факторов. Решающее значение в кристаллических породах играют их физико-химические свойства. Для осадочных пород важно избегать несовместимости условий бурения в разных интервалах разреза, а также обеспечивать герметичность затрубного пространства и возможность установки соответствующего по давлению противовыбросового оборудования. При выборе конструкции оцениваются стойкость труб от механического износа и их прочностные свойства, а также допустимая масса секций труб. Во многом сочетание диаметров обсадных колонн в скважине зависит от диаметра конечной колонны, которая должна соответствовать условиям проводимых в ней исследований.

Был разработан и внедрен принципиально новый метод бурения открытым стволом оптимального диаметра, позволивший в 5-6 раз сократить металлоемкость конструкции скважины (по сравнению со скважинами на нефть и газ), исключить износ зацементированных обсадных колонн, предотвратить непреодолимые осложнения и тем самым обеспечить возможность бурения на большие глубины.

Для бурения Кольской сверхглубокой скважины была создана отечественная буровая установка БУ-15000 грузоподъемностью 400 т. при давлении нагнетания 400 кг/ с максимальной автоматизацией процессов бурения (спуск и подъем бурового инструмента, подача долота) и бесступенчатым регулированием основных технических процессов за счет применения привода на постоянном токе. Установка рассчитана для проходки скважин до глубины 15 км. Автоматизация позволила в несколько раз увеличить скорость бурения.

Сверхглубокое бурение обусловило совершенствование конструкции и повышение термостойкости объемных двигателей и маслонаполненных редукторов, которые могли работать при температурах до 160-180°С. Они стали основными низкооборотными машинами для работы с шарошечными долотами с герметизированными опорами, алмазными долотами и долотами типа "Стратопакс".

Специально для бурения сверхглубоких скважин были сконструированы породоразрушающие инструменты и забойные двигатели с соответствующей глубинным условиям характеристикой, в том числе с маслонаполненной герметизированной опорой, обеспечившие показатели отработки, на 15-20% превышающие средние проектные параметры, а на больших глубинах - на 70-100%. Были созданы термостойкие редукторные турбобуры, устойчиво работающие со скоростью вращения 80-200 об/мин (забойный двигатель работает от энергии потока жидкости без вращения колонны или с ее вращением на минимальной - 2-4 об/мин - скорости). Сконструированы и внедрены в практику эффективные средства контроля работы турбобура на забое, без которых невозможно бурение забойным двигателем на глубинах более 8-9 км с контролем процесса по наземным датчикам. Внедрены в производство новые типы керноотборных снарядов с гидротранспортом керна в камеру складирования, которые обеспечили приемлемые показатели отбора пород практически по всей глубине скважины. Новый колонковый снаряд позволяет сохранять от истирания значительную часть выбуренного керна и поднимать его на поверхность: процент выноса керна с больших глубин повышается в 2-3 раза против обычного. Разработана принципиально новая технология ликвидации тяжелых призабойных осложнений методом безориентированного забуривания нового ствола без установки цементного моста, которая была трижды успешно применена при бурении Кольской сверхглубокой скважины на глубинах более 7 км.

Учеными и конструкторами был создан ряд уникальных приборов и аппаратуры, что обеспечило проведение наиболее полного в мировой практике комплекса исследований. Среди них аппаратура акустического каротажа, позволившая изучать закономерности акустических полей и определять интервальные и пластовые скорости распространения упругих колебаний поперечных и продольных волн, и семейство аппаратуры спектрометрического гамма-каротажа, которая обеспечила точные спектрометрические исследования при температуре до 250°С и давлении до 210 МПа.

На Кольской сверхглубокой скважине была внедрена информационно-измерительная система, включавшая три основные программно-аппаратные подсистемы для подготовки к рейсу, контроля бурения, определения итогов рейса.

На Тюменской сверхглубокой скважине использовалась станция автоматической оптимизации бурения, разработанная ВПО "Союзгеотехника". Система обеспечивала оптимизацию по рейсовой скорости или проходки на долото, корректировку выбранного режима бурения при изменении условий бурения в процессе рейса, распознавание на ранней стадии возникновения предаварийных и аварийных ситуаций и их вероятную оценку [3].

6. Научные результаты сверхглубокого бурения

Ни одна из сверхглубоких скважин не подтвердила полностью геологического разреза, который предполагался до начала бурения; во многих случаях расхождения оказались кардинальными. Сам этот факт подтверждает приблизительный характер современных знаний о глубинном строении континентальной земной коры и доказывает необходимость глубокого научного бурения. Так, Криворожская скважина была пробурена в центре железорудного бассейна с целью доказать, что железистые кварциты, выходящие на поверхность в виде полосы протяженностью около 120 км, погружаются до глубины 6-8 км, а затем, изгибаясь, снова выходят на поверхность. Результаты бурения показали, что глубинная структура этого бассейна представляет собой не изогнутую складку, а серию параллельных наклонных пластов, уходящих на глубину более 10 км. Надежды на открытие новых рудных залежей на доступных для добычи глубинах не оправдались.

Главная задача, которая стояла перед первыми сверхглубокими скважинами - Кольской и Саатлинской, - заключалась в достижении кровли так называемого базальтового слоя земной коры, который давно уже выделялся по геофизическим данным, указывающим на возрастание скорости прохождения упругих волн и увеличение плотности горных пород с глубиной. Интерпретируя эти данные, выделяли верхний гранитный слой со скоростями продольных волн 5,5-6,5 км/с и средней плотностью 2,7 г/, а также нижний базальтовый слой со скоростями 6,7-7,5 км/с и средней плотностью 2,9 г/. Такие параметры были получены в лабораторных условиях для магматических пород гранитного (SiO2 > 65 мас. %) и базальтового (SiO2 < < 53 мас. %) составов. Давно стало ясно, что на самом деле оба этих слоя сложены разнообразными по составу породами и приведенные выше характеристики являются интегральными, но прямых сведений о составе базальтового слоя не было. Сверхглубокие скважины были специально заложены в тех местах, где, по геофизическим данным, предполагались выступы базальтового слоя и его кровля достигала глубины 6-7 км от современной дневной поверхности.

Результаты бурения оказались прямо противоположными тому, что следовало из интерпретации геофизических данных. В Саатлинской скважине вместо выступа древних высокоскоростных пород основного состава, бедных кремнеземом (SiO2), в интервале 3540-8324 м были вскрыты меловые и юрские (110-150 млн. лет) вулканические породы, причем содержание кремнезема в них возрастает с глубиной так, что на уровне базальтового слоя залегают породы, близкие по составу к гранитам. Кольская скважина пересекла кровлю базальтового слоя на глубине 6842 м. Оказалось, что на этой глубине проходит граница между протерозойскими (1,9-1,6 млрд лет) базальтами и подстилающими их архейскими (> 2,8 млрд лет) гранитогнейсами.

Изучение керна и материалов каротажа сверхглубоких скважин показало, что сейсмическая поверхность, которая принималась за границу между гранитным и базальтовым слоями, на самом деле фиксирует зону разуплотнения, связанную с увеличением пористости и микротрещиноватости пород в основании гранитного слоя. Формирование такой зоны вызвано тем, что при температуре 60 - 100°С химически и физически связанная вода и другие летучие соединения переходят в свободное состояние с образованием гидроразрывов и частичным растворением горных пород. Этот эффект затем был обнаружен и в других глубоких и сверхглубоких скважинах. Тем самым было доказано, что волновая картина, которая фиксируется сейсмическими методами, отражает не столько изменение состава пород с глубиной, сколько изменение его напряженного состояния и фильтрационных свойств. Стало ясно, что двуслойная модель строения континентальной земной коры по крайней мере не является универсальной.

Эти результаты важны не только для интерпретации геофизических данных. Они позволили по-новому оценить общие условия формирования глубинной гидросферы Земли и понять природу некоторых явлений, которые ранее оставались необъяснимыми: в частности, появление глубинных зон избыточного давления, не соответствующего весу вышележащих пород, противодействие глинистых толщ уплотнению при их погружении на большие глубины, когда они превращаются из традиционных малопроницаемых водоупоров в пористые коллекторы нефти и газа.

Как следует из материалов бурения Саатлинской скважины, подземные воды могут проникать в изначально сухие кристаллические породы из перекрывающих осадочных толщ (механизм нисходящей фильтрации). Таким путем могут формироваться и глубокие залежи нефти. Тюменская сверхглубокая скважина, пробуренная в 20 км к западу от Уренгоя до глубины 7502 м, подтвердила этот вывод. На глубинах от 6424 м до забоя она вскрыла толщу базальтов, которые в отличие от аналогичных по возрасту и составу пород, обнаженных на поверхности в Восточной Сибири, оказались очень пористыми и микротрещиноватыми, поскольку выделявшаяся при уплотнении вышележащих осадочных толщ вода вступала во взаимодействие с подстилающими сухими базальтами так, что в конце концов они превратились в проницаемые глубинные коллекторы, благоприятные для накопления газоконденсатных и газовых залежей.

Изучение распределения химических элементов в керне глубоких и сверхглубоких скважин привело к выводу, что процессы геохимической миграции с образованием локальных повышенных концентраций тех или иных металлов характерны не только для приповерхностной зоны, но протекают и на глубине многих километров. Так, аномально высокие содержания золота и серебра были установлены в Кольской скважине на глубине около 10 км. Следовательно, руды могут залегать на весьма большой глубине, что согласуется с результатами разведки некоторых известных месторождений, где оруденение прослежено скважинами и горными выработками на несколько километров от дневной поверхности. Так, в пустыне Кызылкумы вблизи золоторудного месторождения Мурунтау, которое является одним из крупнейших в мире, пробурены глубокая скважина, а также четыре скважины-спутника суммарной глубиной 5000 м. С их помощью удалось изучить состав и строение рудовмещающих осадочных пород, а на глубине около 4000 м вскрыть купол гранитов. Промышленное золотое оруденение было прослежено до глубины 1100 м. По данным бурения, на глубоких горизонтах месторождения можно ожидать запасы золота, которые оцениваются в 3 тыс. т.

Если целесообразность практического извлечения руд с глубины 5-10 км проблематична, то теоретическое значение геохимических данных, полученных при сверхглубоком бурении, в сочетании с открытиями, которые относятся к сохранению высокой проницаемости и пористости горных пород до 10-12 км, исключительно велико. Эти данные подтверждают возможность широкомасштабной циркуляции нагретых вод, которые взаимодействуют с породами земной коры. Если это так, то источники рудного вещества на месторождениях следует связывать не с гипотетическими подкоровыми глубинами, а с реальными процессами перераспределения химических элементов в верхней и средней частях континентальной коры [2].

Большой интерес представляют результаты бурения Воротиловской скважины, которая была заложена в 60 км к северо-востоку от Нижнего Новгорода для изучения Пучеж-Катункской астроблемы - кратера, который образовался при падении крупного метеорита. Это событие произошло примерно 200 млн. лет назад и сопровождалось мощным взрывом. Горные породы были раздроблены и разбиты многочисленными трещинами до глубины около 3 км. В эпицентре взрыва под воздействием взрывной волны кристаллическая решетка многих минералов оказалась разупорядоченной, и они превратились в аморфные стекла. В момент взрыва температура достигала 2000-3000°С, и после прохождения ударной волны, когда давление резко снизилось, твердые породы плавились и, возможно, частично испарялись. Позднее взрывной кратер был перекрыт более молодой осадочной толщей. Скважина глубиной 5374 м вскрыла полный вертикальный разрез кратера, что позволило детально изучить все эффекты древнего взрыва, последствия которого поражают воображение. В результате удара метеорита крупный блок земной коры сначала был сильно сжат, а затем выдвинулся вверх почти на 2 км относительно первоначального положения. На поверхности образовался кратер диаметром 80 км, заполненный раздробленным и частично расплавленным материалом. Среди новообразованных минералов были обнаружены и алмазы, которые возникли в момент взрыва из органического углерода, первоначально заключенного в осадочных породах мишени.

Главная задача бурения Уральской сверхглубокой скважины заключается в получении прямой информации о фундаменте Уральского подвижного пояса. В настоящее время специалисты обсуждают две альтернативные модели. Согласно одной из них, на месте Урала ранее существовал обширный океан. Другая модель предполагает, что Уральский пояс был заложен на континентальном основании. Обе модели имеют далеко идущие геологические следствия. Прямые сведения о составе пород, залегающих сейчас на глубине 10-15 км, внесут ясность в эту проблему.

Теплофизические измерения в глубоких и сверхглубоких скважинах позволили существенно уточнить распределение температур и величину глубинного теплового потока. Оказалось, что температуры и плотность теплового потока во многих случаях заметно превышают те оценки, которые получены экстраполяцией данных по приповерхностной зоне. Так, в Кольской скважине температура на глубине 12 км оказалась равной 212°С вместо предполагавшихся 120°С. Скорее всего, это связано с тем, что нижняя часть разреза этой скважины сложена гранитными породами, которые содержат значительно больше теплотворных радиоактивных элементов (U, Th, K), чем породы базальтового слоя в проектном разрезе. По расчетам температура в районе этой скважины на глубине 30 км равна 460°С, а на глубине 42 км в основании земной коры достигает 580°С.

Аномально высокие температуры характерны для Тырныаузской скважины, пробуренной на Северном Кавказе. Температура на глубине 4 км повышается здесь до 223°С. Эта скважина пересекает граниты, которые были внедрены в земную кору всего 2 млн лет назад в виде магматического расплава с начальной температурой 900-700°С. К настоящему времени граниты не успели окончательно остыть.

Согласно проекту, разработанному в ГНПП "Недра", Тырныаузская скважина должна была служить главным элементом опытной геотермальной станции, использующей тепло сухих нагретых гранитов. Для этого предполагалось закачивать в эту скважину холодную воду, а через пробуренную рядом вторую скважину извлекать горячую воду на поверхность. Планировалось зацементировать ствол до глубины 3457 м. ниже пробурить 350-400-метровое наклонное ответвление, а рядом - еще одну скважину для подъема воды. Вода, нагнетаемая под давлением, должна была расширять трещины в граните, увеличивая его проницаемость, нагреваться до 240°С и подниматься наверх. Согласно расчетам, такая конструкция могла обеспечить горячей водой соседний город Тырныауз. К сожалению, из-за возникших экономических трудностей этот интересный проект остается пока нереализованным. Существуют и другие, еще более смелые проекты глубокого бурения с целью практического использования тепла Земли [5].

Заключение

Современная техника позволяет бурить скважины на континентах глубиной до 10-15 км. Прямое проникновение на большие глубины требует новых технологий бурения и остается пока делом будущего. Первые впечатляющие научные результаты позволяют надеяться, что необходимые технические средства будут созданы достаточно быстро.

Полученные с помощью глубокого и сверхглубокого бурения новые данные о реальном глубинном строении земной коры серьезно изменили взгляды ученых всего мира.

Следует подчеркнуть, что сами программы научного бурения являются мощным стимулом технического прогресса и международной кооперации ученых. Например, благодаря такой программе в СССР было создано уникальное буровое оборудование, изготовленное на отечественных заводах, которое позволило пробурить самую глубокую в мире скважину (12,3 км). Опыт бурения сверхглубокой скважины в Германии был очень полезным с точки зрения организации и проведения научных исследований. В ближайшие годы, вероятно, будет реализована широкая международная программа глубокого научного бурения на континентах, сопоставимая по размаху с бурением в океанах. Сейчас стало очевидным, что это совершенно необходимо для дальнейшего развития геологической науки.

Список используемой литературы

1) Гусман В.Т. Забойный двигатель // www.acdemic.ru/

2) Кременецкий А.А., Попов В.С, Наука о земле // www.pereplet.ru/

3) Козловский Е.И. Глубинные исследования земли // www.promved.ru/

4) Лаверов Н.П., Орлов В.П.- Москва: МФ технонефтегаз, 1998.-260 с.

5) Пичугин Т.Б. Во глубине горячих руд // www.vokrugsveta.ru/

6) Резанов И.А. Сверхглубокое бурение / Резанов И.А.- Москва: Наука о земле, 1981. -180 с.

7) Щербаков И.В. Что такое современное роторное бурение? // www.vseoburenii.ru/

Размещено на Allbest.ru