Содержание
1. Ведение
. История проблемы
. Программа сверхглубокого бурения в Советском Союзе
Кольская скважина
Саатлинская скважина
. Бурение сверхглубоких скважин
. Новая техника и технологии бурения
. Научные результаты сверхглубокого бурения
Заключение
Литература
Ведение
Прогресс зависит от геологической науки!
Стремительно развивающаяся промышленность требует все новых и новых полезных ископаемых, и во все возрастающем количестве. Для поисков полезных ископаемых и научного прогноза нужны разнообразные современные геологические разработки.
Особую актуальность приобрели сейчас вопросы сверхглубокого бурения, так как запас полезных ископаемых, находящихся на поверхности Земли, почти исчерпан. Огромную важность в освоении сверхглубокого бурения имеют проблемы, которые пока не решены, так как от скорости их решения зависит общественный прогресс вообще всей земной цивилизации. Конечно, хотелось бы, чтобы решение этих проблем было найдено российскими учеными, что повысило бы авторитет нашей страны на международном уровне.
В настоящее время к числу наиболее актуальных вопросов сверхглубокого бурения относятся:
. Разница гидростатического и литостатического давления при бурении;
. Обеспечение надежной работы бурового оборудования при высоких температурах;
. Самая большая проблема возникает с измерительной аппаратурой, с электроникой;
. Самопроизвольное искривление глубоких скважин в процессе бурения;
. Мертвый прихват бурового снаряда.
И подобные им проблемы.
Интерес к этим вопросам обусловлен многочисленной вариативностью их решения, без существования пока четкой научной разработки.
Акцент в данной работе делается на значимость вышеуказанных вопросов при сверхглубоком бурении.
Цель данной работы - дать общее представление методов сверхглубокого бурения на примерах всемирно известных скважин и выделить актуальные проблемы, требующие скорейшего решения.
Работа может быть рекомендована для обучающихся, получающих соответствующее профессиональное образование.
Ожидаемые результаты:
- системное видение обозначенных проблем и возможность их изменения в целях улучшения качества геологических научных разработок;
умение видеть в каждом практическом деле творческое начало.
сверхглубокий бурение скважина порода
История проблемы
Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с поверхности земли, 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.
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, бурение в последние десятилетия 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.
Начало систематического научного бурения относится к 60-м годам. В 1968 году в США было спущено на воду специальное буровое судно «Glomar Challenger» (рис.1) и началась реализация международной программы глубоководного бурения в океанах.
В 1985 году на смену пришло новое судно «JODES Resolution» и программа океанского бурения была продолжена. За тридцать лет в мировом океане пробурили сотни скважин, которые пересекли рыхлые осадки океанского дна и углубились в подстилающие базальты. Самая глубокая скважина, пробуренная в Тихом океане к югу от берегов от Коста-Рики, достигла 2105 м ниже океанского дна. Результаты океанского бурения открыли новую страницу в геологии, поскольку раньше прямых данных о строении океанского дна практически не было.
В отличии от относительно мелких скважин которые бурят для разведки твердых полезных ископаемых, скважины научного бурения на континентах, как правило относятся к категории глубоких (3-7км) 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 км и 50 скважин глубиной более 7 км, 4 скважины более 9 км. Самая глубокая - Берта Роджерс (9583м) была пробурена в 1973-1974 годах всего за 502 дня. Столь высокая скорость прохождения обусловлена как возможностями американской техники, так и тем, что бурение осуществлялось без отбора керна, то есть без подъема образцов породы 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.
Программа сверхглубокого бурения в Советском Союзе
Первая программа систематического, континентального сверхглубокого бурения с научными целями разработана и осуществлена в Советском Союзе. Основополагающие идеи этой программы были сформулированы в 1960-1962 годах. Первая из сверхглубоких скважин в СССР - Аралсорская в Северном Казахстане - достигла 5600 м, Саатлинская на Кура-Араксинской низменности Азербайджана - 8200 м, Уренгойская в Западной Сибири - 7800 м. Были заложены еще несколько скважин: Криворожская, Уральская, Мурунтауская, Кубанская. В мае 1970 года на севере Мурманской области в 10 км от города Заполярного началось бурение Колськой сверхглубокой скважины. Ее проектная глубина была определена в 15 км.
Из зарубежных скважин три дошли до глубины от 9,1 до 9,6 км. Планировалось, что одна из них (в Германии) превзойдет Кольскую. Однако бурение на всех трех, так же как и на СГ, было прекращено из-за аварий.
В последующие годы в СССР было пробурено еще 10 научных скважин глубиной от 4 до 9 км. Для выполнения программы комплексного изучения недр земли и сверхглубокого бурения в 1986 году было создано специальное государственное научное предприятие (ГНПП) «Недра» (Ярославль). В настоящее время в России продолжается бурение только одной Уральской сверхглубокой скважины.
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 (1990-1994годы), которая достигла глубины 9101м.
Кольская скважина
Кольская Сверхглубокая скважина, СГ-3, - одна из главных достопримечательностей области. Глубина ее составляет 12 262 м - до сих пор остается непревзойденной.
Это одна из немногих скважин, которую бурили не ради разведки или добычи полезных ископаемых, а с чисто научными целями: изучить древнейшие породы нашей планеты и идущие в них процессы. Кольская Сверхглубокая (государственный индекс - СГ-3) была не первой и не единственной в программе изучения глубинного строения Земли. Сегодня на Кольской Сверхглубокой не ведут бурение, оно прекращено в 1992 г. В феврале 1995 г. СГ была переведена в режим глубинной геолаборатории.
Для бурения СГ в 1970 г. была создана специальная геологоразведочная экспедиция (Кольская ГРЭ). Скважину и буровую вышку построили в 10 км от Заполярного, по соседству с озером с невыговариваемым названием Вильгискоддеоайвинъярви, в переводе с саамского "озеро у Волчьей горы". Место бурения выбрано неслучайно: Балтийский щит, на поверхность которого выходят древнейшие изверженные породы возрастом около 3 млрд. лет (при возрасте Земли около 4,5 млрд. лет). Бурение началось в мае 1970 г. Проходка до глубины 7263 м заняла 4 года. Ее вели серийной установкой, которую обычно используют при добыче нефти и газа. Далее потребовался почти годовой перерыв для монтажа специальной буровой установки "Уралмаш-15000". Именно с ее помощью велось дальнейшее бурение.
год ознаменовался рекордом: глубина бурения превысила 12 км. Скважина стала глубочайшей выработкой в мире.
Кольская Сверхглубокая, как и другие скважины, - отнюдь не прямое вертикальное отверстие от поверхности земли до забоя. Скважина пересекает наклонные пласты различной плотности. (рис1)
Рис. 1.
При этом она "извивается", потому что бур постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород. При значительных отклонениях скважину пытаются "вернуть на место". Нередко случаются аварии с потерей бурового инструмента и части труб. После этого приходится делать новый ствол, отступив в сторону. Так, крупнейшая авария на Кольской Сверхглубокой произошла 27 сентября 1984 г.: в скважине остались 5 км труб. Это была "черная дата" в истории Сверхглубокой, когда пришлось начинать новый обходной ствол с глубины 7 км. Всего в скважине было пробурено 12 таких обходных стволов. Таким образом, скважина похожа на корневую систему гигантского растения. При этом ученые получили чрезвычайно ценную для науки объемную модель участка земной коры.
По научной значимости бурение сверхглубоких скважин неслучайно сравнивают с космической экспедицией к другой планете. Образцы пород, извлеченные из земных недр, представляют не меньший интерес, чем, например, образцы лунного грунта. Так, исследования лунного грунта показали почти полную его идентичность породам, извлеченным из Кольской скважины с глубины около 3 км. Результаты бурения поставили много других вопросов. На 10-километровой глубине были обнаружены 14 видов микрофасилий - окаменевших остатков древних живых организмов. Эта находка означала, что сроки существования жизни на нашей планете - не 1,5, а 3 млрд. лет. Во время бурения из глубин, где уже нет осадочных пород, появлялся метан. Так была поставлена под сомнение теория чисто биологического происхождения углеводородов. Скважина преподнесла также и практический подарок: на глубине 1,6-1,8 км были вскрыты промышленные медно-никелевые руды - обнаружен новый рудный горизонт.
На Кольской Сверхглубокой использовалось турбинное бурение, при котором вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подается буровой раствор, вращающий стоящую внизу турбину. Общая длина турбины 46 м, она завершается кольцевой буровой головкой (ее часто называют коронкой), диаметром 214 мм. В середине остается неразбуренный столбик породы - керн диаметром 60 мм. Через все секции турбины проходит труба - керноприемник, где собираются столбики добытой породы.
Измельченная порода вместе с буровым раствором выносится по скважине на поверхность. Масса колонны, погруженной в скважину с буровым раствором, около 200 тонн. Использовались специально разработанные трубы из легких сплавов; колонна из обычных стальных труб разорвалась бы под собственным весом. Одна проходка, определяемая износом буровой головки, составляла обычно 7-10 м. В 1991 году бурение прекратили на глубине 12261м. Кольскя скважина до сих пор остается самой глубокой в мире.
Саатлинская скважина
В 1977 году было начато бурение Саатлинской скважины в Куринской впадине на территории Азербайджана. Проектная глубина этой скважины была 11 км. Саатлинская сверхглубокая скважина в отличие от Кольской бурилась в области "молодой" континентальной земной коры Средиземноморского подвижного пояса. Активное геологическое развитие этого пояса протекало в так называемый альпийский период, начавшийся в мезозое и продолжающийся в настоящее время. Скважина заложена в Закавказье в Куринской низменности вблизи слияния рек Куры и Аракса, в нефтегазоносном районе. Она достигла глубины 8324 м. Эта скважина должна была выяснить возможности обнаружения нефтяных и газовых залежей на больших глубинах и установить положение кристаллического фундамента современной Куринской низменности, образованной между двумя крупными горными хребтами - Большим и Малым Кавказом.
К сожалению, не оправдались ожидания вскрыть в пределах Саатлинской структуры нефти и газоносные горизонты (хотя в отдельных породах разреза и установлено присутствие небольших количеств углеводородов). Скважина, по всей вероятности, угодила непосредственно в один из крупных длительно развивающихся вулканических центров, в пределах которых скопления углеводородов не создаются.
Несмотря на то что Саатлинская скважина не достигла проектной глубины 15 км, вскрытый ею разрез дал много нового для понимания глубинного строения Кавказа и истории его развития. Прежде всего удалось установить, что территория Куринской впадины в мезозое представляла собой море, на дне которого шли бурные вулканические процессы. Огромные массы вулканических продуктов образовали сначала подводные горы, которые затем поднялись над водой и превратились в цепь вулканических островов - островную дугу. Она протягивалась примерно с юга на север в том же направлении, в котором и до настоящего времени геофизики устанавливают крупную глубинную аномалию в строении земной коры.