Глубинное бурение

Бурение глубокой скважины

Бурение глубокой скважины и тем более сверхглубокой — сложное и дорогое предприятие. В мировой практике глубокие скважины бурят очень мощными и дорогими установками грузоподъемностью 600-800 тонн.

Таких установок изготовлено до сих пор всего несколько штук, меньше, чем пальцев на одной руке.

Наш проект предусматривает проводку скважины большой глубины с помощью обычной буровой установки.

При этом сохраняется классическая схема разрушения и выноса породы на поверхность земли, но применяются новые технологические приемы, некоторые новые инструменты и, главное, новый подход к проблеме глубокого бурения.

Важнейший элемент в комплексе оборудования — буровые насосы, заставляющие буровой (глинистый) раствор под большим давлением циркулировать вниз по бурильным трубам, а затем вверх по кольцевому зазору между колонной труб и стенками скважины.

Энергия насосов преобразуется в полезную работу турбобура, вращающего на забое долото, и обеспечивает подъем разбуренной породы на поверхность земли.

Выходящий из Кольской сверхглубокой скважины раствор очищают от кусочков породы и вновь закачивают в бурильные трубы. Циркуляция идет по замкнутому циклу.

Если вы окажетесь на буровой во время подъема бурильной колонны, то увидите внутри вышки вертикальные ряды «свечей» — отдельные трубы, на которые расчленяется колонна. Обычно колонну составляют «свечи» высотой 36 метров. Их диаметр  около 15 сантиметров.

Износилось долото — поднимают всю колонну, навинчивают новое и в обратном порядке спускают «свечи» в скважину. Таких рейсов при бурении глубоких скважин долото делает несколько сотен, а при проходке сверхглубоких — более тысячи!

При этом надо сохранить вертикальность ствола в пределах определенных допусков, своевременно закреплять вскрытые породы обсадными трубами, отбирать с забоя образцы породы — керны, проводить комплекс внутрискважинных геофизических исследований и многие другие работы.

Буровая для проходки глубокой скважины — по сути дела, большой современный завод. Весь комплекс оборудования предназначается для того, чтобы пробурить в земной коре неширокий цилиндрический ход длиной в несколько километров. Это всего лишь укол в недра Земли. Но как трудно его сделать…

Обычно глубокую скважину начинают бурить  долотом большого диаметра. Бурение ведут до тех пор, пока в скважине не появляются какие-либо осложнения (приток воды, нефти и газа, уходы бурового раствора, обвалы стенок), делающие невозможным дальнейшее углубление скважины.

Тогда в ствол спускают специальные трубы, а пространство между трубами и стенками скважины заливают цементным раствором.

Теперь скважина одета в броню, и бурение можно продолжать (долотами несколько меньшего диаметра) до тех пор, пока какие-либо новые осложнения не преградят путь долоту.

 Тогда в скважину спускают и цементируют еще одну колонну труб, меньшим диаметром, чем первая. Таких труб в скважину спускают столько, сколько встретится зон осложнений.

Каждая глубокая скважина похожа на подземный телескоп, направленный в сторону, противоположную от звезд. По количеству ступеней (труб) в этом телескопе судят о степени сложности и дороговизне бурения.

Заранее определить нужное количество звеньев телескопа и соотношения их размеров очень трудно. Практически невозможно предсказать, на какой глубине произойдет осложнение, которое потребует спуска в скважину обсадной колонны — очередного звена телескопа.

Недра очень изменчивы: буквально соседние скважины могут отличаться друг от друга по условиям проходки. То неожиданно встретится напорный водоносный горизонт, от которого следует оградиться обсадными трубами, то попадется прослойка трещиноватых пород, и буровой раствор начнет утекать по ним вместо того, чтобы уносить наверх разрушенную породу, то вдруг стенки скважины начнут обрушиваться, то образуются каверны…

Невозможно предусмотреть все трудности на будущем подземном пути. Направляясь в путешествие, космонавты, наверное, больше знают о своих трассах, чем атакующие земные недра буровики…

Ведь не случайно сейчас в лабораториях многих стран ученые заняты исследованием кернового материала, доставленного с Луны советскими и американскими летательными аппаратами, но ни в одной лаборатории мира пока нет образцов земных пород, извлеченных из глубины хотя бы 10 километров!

Кольская сверхглубокая: технология бурения

Для СГ-3 требовалось разработать такую технологию, которая обеспечивала бы свободу маневра в случае каких-либо осложнений на глубине.

Была предложена новая технологическая схема — бурение опережающим стволом. Что это такое?

Кольскую сверхглубокую начали проходить долотом диаметром 920 миллиметров. Углубились на 40 метров и обсадили пройденный отрезок трубами 720 миллиметров.

Затем в отличие от общепринятой технологии спустили в скважину еще одну металлическую колонну диаметром 245 миллиметров.

Ее не укрепляли и не цементировали. Получилось нечто вроде защитного чехла — колонна в колонне. Причем внутреннюю, несцементированную колонну при необходимости можно извлечь. И только после этого, следуя новой технологии, началось продвижение в недра СГ-3 открытым стволом.

Диаметр бура взяли небольшой (214 миллиметров). Это дает, во-первых, наилучшие технико-экономические показатели, а во-вторых, если где-то на глубине встретится осложнение (каверна, водоносный слой и т. п.), то ствол можно будет расширить и перекрыть звеном телескопа, выбранным с учетом реальных условий, а не по умозрительным предположениям.

Таким образом, стратегией бурения СГ-3 предусматривалась проходка открытым опережающим стволом на максимальную глубину при минимальном диаметре долота с тем, чтобы не исчерпать все звенья телескопа преждевременно.

Был ли в этом риск? Ведь чем больше глубина, тем сильнее давление вышележащих земных слоев и тем больше напряжение на стенках открытого ствола. Опасность того, что в открытом стволе породы могут обрушиться и завалить ствол, увеличивается с глубиной еще и от физико-химического воздействия промывочной жидкости, и от трения бурильных труб о стенки скважины, и оттого, что с глубиной растет температура окружающей среды.

Конечно, определенный риск был, но не безрассудный, а с трезвым расчетом, обоснованным всем опытом нашего института и буровиков Кольской геологоразведочной экспедиции. Оставив ствол «голым», мы сохранили за собой свободу маневра на больших глубинах. И такая нужда пришла.

Когда шло бурение Кольской сверхглубокой на глубине 5300 метров, на отметке 1800 метров начались опасные кавернообразования — разрушение породы. Противостоящий маневр состоял в том, что скважину с 40 и до 2000 метров расширили долотами диаметром 394 миллиметра, а затем весь этот участок обсадили 325-миллиметровыми трубами. Место, на котором произошло осложнение, оказалось за металлической стенкой.

Теперь сверхглубокая стала похожей на телескоп: до 40 метров шло его широкое основание, дальше до 2000 метров выдвинулась труба диаметром поменьше. Удлинилась и съемная колонна — обсадные трубы диаметром 245 миллиметров продлили до 2000 метров.

Буровой телескоп может иметь довольно большой начальный диаметр и вполне определенный конечный. Поэтому стратегия бурения первым делом предусматривала как можно глубже бурить долотами наименьшего диаметра — 214 миллиметров.

Вот почему в ход пустили это же долото и достигли глубины 7263 метра. Впервые в мировой практике проходка «голым» стволом составила более 5200 метров. У буровиков на Кольской сверхглубокой в запасе осталось еще одно звено телескопа, что для столь глубокой скважины — большое достижение.

Несцементированные трубы съемной колонны 245 миллиметров играют роль первой оборонительной линии. Внутри них движется вверх-вниз буровой инструмент, течет буровой раствор.

Конечно, трубы изнашиваются, протираются, но зато не подвергаются износу стоящие за ними цементированные трубы. Их-то извлечь нельзя, и если бы они оказались протертыми, то мечте о 15-километровой глубине — конец.

А съемную колонну можно заменить. Сейчас, после окончания первого этапа бурения СГ-3, ее извлекли — трубы оказались с предельным износом. Перед тем, как начать следующий этап бурения, в скважину опустят новую съемную колонну.

Источник: xroniki-nauki.ru

Вход в ад

Во времена своего расцвета буровая на Кольском полуострове представляла собой циклопическое сооружение высотой в 20-этажный дом. Здесь работало до трех тысяч человек в смену. Коллектив возглавляли ведущие геологи страны. Буровую выстроили в тундре в десяти километрах от поселка Заполярный, и в полярной ночи она сияла огнями, как космический корабль.

Когда все это великолепие вдруг закрылось и огни погасли, сразу пошли слухи. По всем меркам бурение шло необычайно успешно. Никому в мире еще не удавалось достичь такой глубины — советские геологи опустили бур больше чем на 12 километров.

Внезапное завершение удачного проекта выглядело такой же нелепостью, как то, что американцы закрыли программу полетов на Луну. В крахе лунного проекта обвиняли инопланетян. В проблемах Кольской сверхглубокой — чертей и бесов.

Популярная легенда гласит, что с больших глубин бур не раз доставали оплавленным. Никаких физических причин этому не было — температура под землей не превышала 200 градусов по Цельсию, а бур был рассчитан на тысячу градусов. Затем аудиодатчики якобы стали улавливать некие стоны, крики и вздохи. Диспетчеры, следившие за показаниями приборов, жаловались на ощущения панического страха и тревоги.

По легенде выходило, что геологи добурились до ада. Стоны грешников, экстремально высокие температуры, атмосфера ужаса на буровой, — все это объясняло, почему все работы на Кольской сверхглубокой был внезапно свернуты.

Многие относились к этим слухам скептически. Однако в 1995 году, уже после остановки работ, на буровой прогремел мощный взрыв. Что там могло взорваться, не понимал никто, даже руководитель всего проекта, видный геолог Давид Губерман.

Сегодня к заброшенной буровой водят экскурсии и рассказывают туристам увлекательную историю о том, как ученые пробурили дырку в подземное царство мертвых. Как по установке бродят стенающие призраки, а к вечеру на поверхность вылезают бесы и норовят умыкнуть в пропасть зазевавшегося экстремала.

Подземная Луна

На самом деле вся история с «колодцем в ад» была выдумана финскими журналистами к 1 апреля. Их шуточную статью перепечатали американские газеты, и утка полетела в массы. Многолетнее бурение Кольской сверхглубокой шло без всякой мистики. Но то, что происходило там в реальности, было интереснее любых легенд.

Начать с того, что сверхглубокое бурение по поределению было обречено на многочисленные аварии. Под гнетом гигантского давления (до 1000 атмосфер) и высоких температур не выдерживали буры, забивалась скважина, ломались трубы, которыми укрепляли жерло. Бессчетное число раз узкая скважина искривлялась так, что приходилось пробуривать все новые ответвления.

Самая страшная авария произошла вскоре после главного триумфа геологов. В 1982 году они смогли преодолеть отметку в 12 километров. Эти результаты торжественно огласили в Москве на Международном геологическом конгрессе. Геологов со всего света привезли на Кольский полуостров, показали им буровую и образцы пород, добытые на фантастической глубине, до которой еще никогда не добиралось человечество.

После празднования бурение продолжили. Однако перерыв в работах оказался роковым. В 1984 году произошла самая страшная авария на буровой. Оторвались и забили скважину целых пять километров труб. Продолжать бурение было нельзя. В одночасье были потеряны результаты пяти лет работы.

Пришлось возобновлять бурение с 7-километровой отметки. Только в 1990 году геологам вновь удалось перевалить за 12 километров. 12 262 метра — такова окончательная глубина Кольской скважины.

Но параллельно страшным авариям чередой шли и невероятные открытия. Глубокое бурение — аналог машины времени. На Кольском полуострове к поверхности подходят древнейшие породы, возраст которых превышает 3 миллиарда лет. Забираясь все глубже, ученые получили ясное представление о том, что происходило на нашей планете во времена ее молодости.

Прежде всего, оказалось, что традиционная схема геологического разреза, составленная учеными, не соответствует реальности. «До 4 километров все шло по теории, а дальше началось светопреставление», — рассказывал потом Губерман

По расчетам, пробурив слой гранита, полагалось добраться до еще более твердых, базальтовых пород. Но никакого базальта не оказалось. После гранита шли неплотные слоистые породы, которые постоянно крошились и затрудняли движение вглубь.

Зато среди пород возрастом 2,8 миллиарда лет были найдены окаменевшие микроорганизмы. Это позволило уточнить время зарождения жизни на Земле. На еще больших глубинах нашли огромные залежи метана. Это прояснило вопрос о возникновении углеводородов — нефти и газа.

А на глубине свыше 9 километров ученые обнаружили золотосодержащий оливиновый слой, так ярко описанный Алексеем Толстым в «Гиперболоиде инженера Гарина».

Но самое фантастическое открытие произошло в конце 1970-х, когда советская лунная станция привезла образцы лунного грунта. Геологи с изумлением увидели, что его состав полностью совпадает с составом пород, добытых ими на глубине 3 километра. Как это было возможно?

Дело в том, что одна из гипотез происхождения Луны предполагает, что несколько миллиардов лет назад Земля столкнулась с каким-то небесным телом. В результате столкновения от нашей планеты откололся кусок и превратился в спутник. Возможно, этот кусок оторвался именно в районе нынешнего Кольского полуострова.

Финал

Так почему же все-таки закрыли Кольскую сверхглубокую?

Во-первых, основные задачи научной экспедиции были выполнены. Было создано, в экстремальных условиях протестировано и заметно усовершенствовано уникальное оборудование для бурения на больших глубинах. Собранные образцы пород был подробно исследованы и описаны. Кольская скважина помогла гораздо лучше понять строение земной коры и историю нашей планеты.

Во-вторых, само время не способствовало подобным амбициозным проектам. В 1992 году научной экспедиции прикрыли финансирование. Сотрудники уволились и разъехались по домам. Но и сегодня грандиозное здание буровой и загадочная скважина впечатляют своими масштабами.

Иногда кажется, что Кольская сверхглубокая еще не исчерпала весь запас своих чудес. В этом был уверен и руководитель знаменитого проекта. «Имеем самую глубокую дыру в мире — так надо пользоваться!» — восклицал Давид Губерман.

Источник: sneg.tv

10 Шевченковская скважина

Эта скважина глубиной 7520 м находится на территории современной Западной Украины. Однако работы над ней велись еще в СССР в 1975 — 1982 годах.

Целью создания этой одной из самых глубоких скважин СССР была добыча полезных ископаемых (нефти и газа), но и изучение недр земли также было важной задачей.

9 Ен-Яхинская скважина

Недалеко от города Новый Уренгой в Ямало-Ненецком округе. Целью бурения Земли было — определить состав земной коры в месте бурения и определить рентабельность разработки больших глубин для добычи полезных ископаемых.

Как это обычно бывает со сверхглубокими скважинами, недра преподнесли исследователям много «сюрпризов». Например, на глубине около 4 км температура достигла отметки +125 (выше расчетной), а еще через 3 с небольшим км температура составила уже +210 градусов. Все же ученые закончили свои исследования, и в 2006 году скважина была ликвидирована.

8 Саатлинская в Азербайджане

В СССР на территории Азербайджанской республики была пробурена одна из самых глубоких скважин в мире – Саатлинская. Планировалось довести ее глубину до 11 км и провести разнообразные исследования, связанные как со структурой земной коры, так и с разработкой нефти на разных глубинах.

Однако пробурить такую глубокую скважину не удалось, как это случается очень и очень часто. В процессе работы машины часто выходят из строя из-за крайне высоких температур и давления; скважина искривляется, поскольку твердость разных пород неоднородна; нередко незначительная поломка влечет за собой такие проблемы, что их решение требует больше средств, нежели создание новой.

Так и в данном случае, несмотря на то, что материалы, полученные в результате бурения, были очень ценными, работы пришлось остановить на отметке 8324 м.

7 Цистердорф — глубочайшая в Австрии

Еще одна глубокая скважина была пробурена в Австрии, возле местечка Цистердорф. Поблизости находились месторождения газа и нефти, и геологи рассчитывали, что сверхглубокая скважина позволит получить сверхприбыли в области добычи полезных ископаемых.

Действительно, на очень значительной глубине был обнаружен природный газ – к отчаянию специалистов, его невозможно было извлечь. Дальнейшее бурение завершилось аварией, стенки скважины обрушились.
Восстанавливать не имело смысла, решили рядом пробурить другую, однако в ней ничего интересного для промышленников обнаружить не удалось.

6 Юниверсити в США

Одна из самых глубоких скважин на Земле – это Юниверсити в США. Ее глубина составляет 8686 м. Материалы, полученные в результате бурения, представляют значительный интерес, так как дают новый материал о строении планеты, на которой мы живем.

Удивительно, но в результате выяснилось, что правы были не ученые, а фантасты: в недрах есть слои полезных ископаемых, а на огромной глубине существует жизнь – правда, речь идет о бактериях!

5 КТБ Хауптборунг

В 90-х годах в Германии начали бурение сверхглубокой скважины Хауптборунг. Планировалось довести ее глубину до 12 км, но, как это обычно бывает со сверхглубокими шахтами, планам не дано было увенчаться успехом. Уже на отметке 7 с небольшим метров начались проблемы, связанные с автоматами: бурение вертикально вниз стало невозможным, шахта начала все сильнее отклоняться в сторону. Каждый метр давался с трудом, а температура чрезвычайно росла.

Наконец, когда жар достиг 270 градусов, а бесконечные аварии и сбои всех измучили, было решено приостановить работы. Это произошло на глубине 9,1 км, что делает скважину Хауптборунг одной из самых глубоких.

Научные материалы, полученные в результате бурения, стали основой для тысяч исследований, а сама шахта в настоящее время используется в туристических целях.

4 Бейден-Юнит

В США компания Lone Star предприняла попытку бурения сверхглубокой скважины в 1970 году. Место возле города Анадарко в штате Оклахома было выбрано не случайно: здесь дикая природа и высокий научный потенциал создают удобную возможность как для бурения скважины, так и для изучения ее.

Работы велись более года, и за это время пробурили до глубины 9159 м, что позволяет включить ее в число самых глубоких шахт мира.

3 Берта Роджерс

И, наконец, представляем три самые глубокие скважины в мире. На третьем месте Берта Роджерс – первая в мире сверхглубокая скважина, которая, однако, недолго оставалась самой глубокой. Спустя лишь немного времени появилась самая глубокая скважина в СССР – Кольская.

Берта Роджерс пробурила компания GHK, которая занимается разработками полезных ископаемых, в основном природного газа. Целью работы был поиск газа на большой глубине. Работы начались в 1970 году, когда о земных недрах было известно очень немного.

На место в округе Уошито компания возлагала большие надежды, ведь в Оклахоме много полезных ископаемых, а в то время ученые думали, что в толще земли имеются целые слои нефти и газа. Однако 500 дней работы и огромные средства, вложенные в проект, оказались бесполезными: бур расплавился в слое жидкой серы, а газ или нефть обнаружить не удалось.

Кроме того, при бурении не производились научные исследования, так как скважина имела лишь коммерческое значение.

2 КТБ-Оберпфальц

На втором месте в нашем рейтинге немецкая скважина Оберпфальц, достигшая глубины почти 10 км.

Эта шахта являет рекордсменом как самая глубокая вертикальная скважина, поскольку без отклонений в сторону она идет до глубины 7500 м! Это небывалый показатель, ибо шахты на большой глубине неминуемо искривляются, но уникальное оборудование, использованное учеными из Германии, позволило очень долго двигать бур вертикально вниз.

Не так уж велик и перепад диаметра. Сверхглубокие скважины начинаются на поверхности земли с отверстия довольно большого диаметра (у Оберпфальца – 71 см), а затем постепенно сужаются. На дне немецкая скважина имеет диаметр лишь около 16 см.

Причина, по которой пришлось остановить работы, та же, что и во всех остальных случаях – выход из строя оборудования вследствие высоких температур.

Источник: vsesravnenie.ru

Немного истории

При бурении на глубине приблизительно 7 км ствол бура не мог устоять вертикально. В связи с этими неудобствами бурение приходилось начинать заново. В период земельных работ несколько раз образовывались обрывы и терялись буровые стволы.В 1990 году в июне месяце прокопка скважины достигла 12262 метра. В этот период произошла авария, и трубы оборвались, достигнув глубины в 8,5 км.

На дальнейшую прокопку требовалось специальное оборудование, и в 1994 году бурение было приостановлено. Из-за технологического недоразвития Кольская скважина имела разветвленное строение. Во время бурения, согласно подсчетам, слой из гранитных пород должен был закончиться на глубине 7 км, но при исследовании грунтовых пластов выяснилось, что базальтовая порода на полуострове не найдена даже по достижении глубины в 12 км. На сегодняшний день источник предназначен для лабораторных исследований.

Цель бурения Кольского гидросооружения

Достижением цели довольно затратного проекта являлись такие научные показатели:

1. Строение почвы на определенных глубинах для обнаружения никеля и кристаллических пород на Балтийском полуострове.

2. Исследование природных явлений, в результате которых образуются пластовые границы континентального ядра. Обнаружение зон с высокой температурой внутри почвенного слоя.

3. Изучение состава почвенной породы, в которой содержится гранит и базальт.

4. Технология разработки передовых спецоборудований для прохождения глубин недр земли с применением бурильных стволов.

5. Процесс инженерных возведений новой аппаратуры исследования, испытания и контроля над бурильными работами.

Кольское сверхглубокое гидросооружение по ходу исследовательских работ соответствовало геологическим требованиям, которые включали в себя познание почвенного состава, исследование старинных земляных пород.

Конструкция сооружения

Сверхглубокие сооружения должны обязательно состоять из телескопической конструкции. В случае данной скважины ширина начального входа в почву составляла 92 см, а глубина предела — 21,5 см.

Прокопка почвы готовилась к задействованию открытого бурового ствола до финишной отметки. Кристаллическое содержание пород позволяло обеспечить долгосрочную установку на обсаженных участках, примыкающих к стенкам. Съемный наконечник второго назначения был намечен магнитными сечениями, что помогало провести отбор кернового слоя по всей длине бурильного оборудования. Метки радиоактивного действия способствовали фиксации температуры, находясь внутри почвенного слоя.

Техника буровой установки

Заново прокопка скважины проводилась с помощью тяжелой техники под названием «Уралмаш-4Э». Применялась она только в случае прокопки скважин для нефтедобычи на максимальных глубинах.

До глубины в 2000 метров бурение осуществлялось бурильным сверлом с мощным наконечником. Сверло имело длину в 46 метров с долотом на конце, которое вращалось под воздействием раствора из глины, что заливался в трубопровод под давлением в 40 атмосфер.

Кольская сверхглубокая скважина имела высокотехнологичную и автоматизированную технику:

• буровое долото с развитым наконечником с секциями для прохода почвенного состава длиной 68 метров;

• во внутренней части вышки находились дополнительные установки: запуск, отмена;

• инструменты, предназначенные для безопасности рабочего процесса и дополнительного бурильного насоса;

• мощное и технологическое оснащение для агрегатов бурения;

• систему циркуляции и цементирования;

• автоматизированные датчики, что предназначены для контроля за рабочим процессом бурильного ствола;

• электрооснащение, механические средства;

• лабораторию, КИП и А.

Что касается бурового долота, то оно необходимо для направления ствола в грунт, подъема пород и ряда дополнительных рабочих действий; поддержания стойкости всего колонного ряда как на весу, так и при работе; установки бурильных секций и талевых труб.

Дополнительные составляющие конструкции

Низкий уровень, указывающий на 2000 отметку, при котором трубопровод из стали был заменен на алюминиевый, шириной от11-17 мм. Внутри турбинного вала находилось съемное сверло, которое помогало поднимать слой почвенного состава на поверхность для исследования. В качестве разрушающего оборудования применялись наконечники из твердосплавного материала. Производительность такого оборудования могла достигать глубины подземного слоя в 7-10 метров за 4 часа работы.

При подъеме почвы в лабораторию проводилась операция по подъему всего рабочего сверла с разборной конструкцией (длина каждой части – 33 м). За месяц работы по бурению скважины удавалось достигать глубины в 60 метров.

На последних метрах бурильных работ в связи с износом технологического оборудования было потрачено 50000 метров трубопровода. Прокопка до максимальной отметки 7263 метра проводилась около 4 лет.

От уровня 7264 метра бурение велось при помощи специального оборудования, рассчитанного на глубокие уровни под названием «Уралмаш-15000». Благодаря данной технике Кольская сверхглубокая скважина была прокопана до уровня 12262 метра.

Источник: delovvode.ru