Рис. 1. Буровая коронка (а) и шарошечная голов-ка (б), которые применялись при бурении сверх-глубокой скважины КТБ-Оберпфальц в Германии (поЭ. Лаушу 1996)СТАТЬЯ НАЙДЕНА В ИНТЕРНЕТЕ НА САЙТЕ: http://journal.issep.rssi.ru/
Рис. 1. Буровая коронка (а) и шарошечная голов-ка (б), которые применялись при бурении сверх-глубокой скважины КТБ-Оберпфальц в Германии (поЭ. Лаушу 1996)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 (рис. 1). 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 вращаю-щихся конусов, армированных твердыми сплавами (см. рис. 1). Если стенки скважины неустойчивы, внее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный глинистый раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, вьшоса мелких частиц породы (ггшама) и для других целей. Время от времени колонну буровых труб поднимают на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой выщке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изнощенную коронку на новую и опять опускают буровой снаряд на забой. Бурение сопровождается измерениями физиче-ских свойств пород вдоль ствола скважины. Для этого на специальном кабеле в скважину опускают приборы, которые фиксируют температуру, элект-ропроводность, магнитную восприимчивость, ра-диоактивность и другие свойства пород. Этот про-цесс 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 сталь- ных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9—10 км. Для более глубоких скважин нужны нетрадиционные инженерные ре-щепия. Мпогие из пих были предложены и реализованы в ходе вынолнения программ сверхглубокого научного бурения. Так, если забой скважины находится на много-километровой 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 лито-статическим (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 2 г/см', 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 (см. табл. 1). 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 пере-ходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов, ограни-чиваюгцих глубину научного бурения. Серьезные технические трудности связаны с са-мопроизвольным искривлением глубоких скважин в процессе бурения из-за неравномерного разруше-ния 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-Оберп-фальц 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 (рис. 2). 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 измеритель-ные приборы, которые опускаются вниз и выносят-ся наверх потоком бурового раствора. Сигналы датчиков могут передаваться не по проводам, а гидравлическим способом путем создания импуль-сов давления в буровом растворе. Рис. 2. Схематический разрез, иллюстрирующий искривление скважины КТБ-Оберпфальц в Герма-нии (по Э. Лаушу, 1996) Глубокие и сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают с самого большого диаметра (92 см в Кольской сква-жине, 71 см в скважине КТБ-Обернфальц), 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 па 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 бьши не меньше. Нри бурении глубоких скважин нередко возникают аварии, вызванные мертвым прихватом буро-вого 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 бурепие сверхглубокой скважины закончено, она превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты следят за измепе-нием режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят раз-личные эксперименты. Такие лаборатории созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберпфальц в Германии.