Сверхглубокое бурение — процесс сооружения скважин в земной коре на глубины, близкие к предельным для современной науки и практики. Сверхглубокое бурение предназначено для поиска и разведки глубокозалегающих месторождений полезных ископаемых, изучения геолого-физических параметров земных недр, закономерностей образования и размещения минерального сырья и других практических и научных целей.
Объекты изучения посредством сверхглубокого бурения — все характерные типы земной коры. Мировой рекорд глубины бурения достиг отметки 12 066 м (Кольская скважина, CCCP, 1984).
Температура на этой глубине 210°С, а давление 132 МПа. До этого рекордная скважина имела глубину 9583 м (США, 1974).
Начиная с 60-х гг. к разряду сверхглубоких относят скважины, достигшие 6000 м и более. Ежегодно в мире бурится несколько десятков таких скважин, главным образом для поиска и разведки месторождений нефти и газа.
1. История проблемы
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.
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.
Начало систематического научного бурения относится к 60-м годам. В 1968 году в США было спущено на воду специальное буровое судно “Glomar Challenger” и началась реализация международной программы глубоководного бурения в океанах. В 1985 году на смену пришло новое, более мощное буровое судно “JOIDES 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 Коста-Рики, достигла 2105 м ниже океанского дна. Результаты океанского бурения открыли новую страницу в геологии, поскольку раньше прямых данных о строении дна океанов практически не было. О научном бурении в океанах следует подробнее рассказать в отдельной статье. Здесь же мы коснемся современного состояния научного бурения на континентах.
Геолого-технологические методы иследования скважин
... разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений производят измерение температуры по стволу скважины – термометрию скважин. Эти измерения по стволу скважины проводятся для решения ряда практических задач, возникающих при бурении скважин ... Затем начинается обычная циркуляция бурового раствора (как при бурении скважины) и проводится газовый каротаж, позволяющий определить интервалы раствора, ...
В 1968 г. со специально оборудованного бурового судна ( рис . 1 )
Была предпринята вторая атака на мантию . Однако в 1975 г. , когда были вскрыты верхние базальтовые слои океанского дна , бурение прекратили из — за технических сложностей .
Рис . 1. Общий вид бурового судна :
1 — судно ; 2 — грузовой кран ; 3 — вертолетная площадка ; 4 — буровая вышка
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. 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. В последующие годы в СССР пробурили еще 10 научных скважин глубиной от 4 до 9 км; характеристика части из них приведена в табл. 1. Для выполнения программы комплексного изучения недр Земли и сверхглубокого бурения в 1986 году было создано специальное государственное научно- производственное 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 немец- кой сверхглубокой скважины КТБ-Оберпфальц в Баварии (1990-1994 годы), которая достигла глубины 9101 м.
Прогрессивные технологии в бурении нефтяных и газовых скважин
... строительно-монтажных. Цель работы – изучение прогрессивных технологий в бурении нефтяных и газовых скважин основное назначение и область применения технологии Интенсивная разработка месторождений нефти и газа ... добывающих компаний является работа с фондом простаивающих скважин. В середине 90-х годов была освоена технология капитального ремонта скважин с применением установок "гибкая труба". Уже ...
2. Самые глубокие скважины мира
Zistersdorf UT2A (Австрия, 8553 м)
В 1977 году в районе венского нефтегазоносного бассейна, где скрывалось несколько небольших месторождений нефти, была пробурена скважина Zistersdorf UT1A. Когда на глубине 7544 м обнаружились неизвлекаемые запасы газа, первая скважина неожиданно обрушилась, и компании OMV пришлось пробурить вторую. Однако на этот раз проходчики не нашли углеводородных ресурсов глубокого залегания.
Hauptbohrung (ФРГ, 9101 м)
Знаменитая Кольская скважина произвела неизгладимое впечатление на европейскую общественность. Многие страны начали готовить свои проекты сверхглубоких скважин, но отдельно стоит отметить скважину Хауптборунг, разрабатываемую с 1990 по 1994 год в Германии. Достигшая отметки всего 9 км, она стала одной из самых известных сверхглубоких скважин благодаря открытости данных буровых и научных работ.
Baden Unit (США, 9159 м)
Скважина, пробуренная компанией Lone Star вблизи города Анадарко. Ее разработка началась в 1970 году и продолжалась на протяжении 545 дней. Всего на эту скважину ушло 1,700 тонн цемента и 150 алмазных долот. А ее полная стоимость обошлась компании в 6 млн долларов.
Bertha Rogers (США, 9583 м)
Еще одна сверхглубокая скважина, созданная в районе нефтегазоносного бассейна Анадарко в штате Оклахома в 1974 году. Весь процесс бурения занял у рабочих компании Lone Star 502 дня. Работу пришлось прекратить, когда проходчики наткнулись на глубине 9,5 километров на расплавленное месторождение серы.
Кольская сверхглубокая (СССР, 12 262 м)
Занесена в Книгу рекордов Гиннеса как «самое глубокое вторжение человека в земную кору». Когда в мае 1970 года у озера с труднопроизносимым названием Вильгискоддеоайвинъярви начиналось бурение, предполагалось, что скважина достигнет глубины в 15 километров. Но из-за высоких (до 230°С) температур работу пришлось свернуть. На данный момент Кольская скважина законсервирована.
BD-04A (Катар, 12 289 м)
7 лет назад на нефтяном месторождении Al-Shaheen в Катаре была пробурена геологоразведочная скважина BD-04A. Примечательно, что буровая платформа компании Maersk смогла достигнуть отметки в 12 километров в рекордные 36 дней!
OP-11 (Россия, 12 345 м)
Январь 2011 года ознаменовался сообщением от компании Exxon Neftegas, что бурение самой длинной скважины с большим отходом от вертикали близко к завершению. ОР-11, расположенная на месторождении «Одопту», также поставила рекорд по протяженности горизонтального ствола — 11,475 метров. Проходчики смогли завершить работу всего за 60 дней.
Общая длина ствола скважины OP-11 на месторождении Одопту составила 12345 метров (7,67 мили), тем самым установлен новый мировой рекорд по бурению скважин с большим отходом забоя от вертикали (БОВ).
ОР-11 также заняла первое место в мире по расстоянию между забоем и точкой забуривания по горизонтали — 11475 метров (7,13 мили).
«Бурение нефтяных и газовых скважин» :«Бурение наклонно-направленных ...
... не достигнута проектная глубина или продуктивный пласт. Как правило, этот тип скважин используют для бурения на пласты, расположенные ... промежуточных обсадных колонн. Этот тип иногда используют для бурения направленной скважины с целью глушения другой, фонтанирующей, скважины. Он ... В начале 80-х годов прошлого века стоимость горизонтальной скважины превышала стоимость вертикальной скважины в 6 — 8 ...
Компания ЭНЛ осуществила работы по бурению рекордной скважины всего за 60 дней, используя технологии скоростного бурения и комплексного контроля качества бурения, разработанные компанией «ЭксонМобил», достигнув наивысших показателей в бурении каждого фута скважины ОР-11.
«Проект «Сахалин-1? продолжает вносить свою лепту в лидерство России в мировой нефтегазовой отрасли, — заявил Джеймс Тейлор, президент ЭНЛ. — На сегодняшний день 6 из 10 самых протяженных скважин БОВ, включая скважину OP-11, пробурены в рамках проекта «Сахалин-1? с использованием технологий бурения корпорации «Эксон Мобил». Специально сконструированная буровая установка «Ястреб» применялась на протяжении всего времени работы проекта, устанавливая многочисленные отраслевые рекорды по длине ствола, скорости бурения и показателям направленного бурения. Новый рекорд мы также поставили, сохраняя при этом отличные показатели в области безопасности, охраны труда и окружающей среды».
Месторождение Одопту, одно из трех месторождений проекта «Сахалин-1?, расположено на шельфе, на расстоянии 5-7 миль (8-11 км) от северо-восточного побережья острова Сахалин. Технология БОВ позволяет успешно проводить бурение скважин с берега под дном моря для достижения шельфовых залежей нефти и газа, не нарушая при этом принципов безопасности и охраны окружающей среды, в одном из сложнейших для освоения субарктических регионов мира.
3. Кольская сверхглубокая скважина
История
Кольская сверхглубокая скважина была заложена в честь 100-летия со дня рождения Ленина, в 1970 году.
Толщи осадочных пород к тому времени были хорошо изучены при добыче нефти. Интереснее было бурить там, где вулканические породы возрастом около 3 млрд лет (для сравнения: возраст Земли оценивается в 4,5 млрд лет) выходят на поверхность. Для добычи полезных ископаемых такие породы редко бурят глубже 1—2 км. Предполагалось, что уже на глубине 5 км гранитный слой сменитсябазальтовым.
После того, как геологическая экспедиция указала место для скважины, 24 мая 1970 года началось собственно бурение. До глубины в 7 000 метров бурение проходило относительно спокойно, бур проходил через однородные прочные граниты. После этой глубины буровая головка вошла в менее прочные слоистые породы. При прохождении через них ствол скважины стал осыпаться с образованием каверн.
В результате буровую колонну заклинивало породой и головка обрывалась при попытке подъёма. Потерянная часть буровой колонны цементировалась, бурение продолжалось с отклонением бурового инструмента. Такие аварии случались неоднократно, поэтому бурение продолжалось в течение нескольких лет.
6 июня 1979 года скважина побила рекорд в 9583 метра, ранее принадлежавший нефтяной скважине Берта Роджерс (Оклахома).
В лучшие годы на Кольской сверхглубокой скважине работало 16 исследовательских лабораторий, их курировал лично министр геологии СССР.
В 1983 году пробурили 12 066 метров и временно остановились — готовились к Международному геологическому конгрессу, который должен был проходить в 1984 году в Москве. 27 сентября 1984 года бурение было продолжено. При первом же спуске произошла авария — оборвалась буровая колонна. Бурение возобновили с глубины 7000 м — и к 1990 году новое ответвление достигло глубины 12 262 метров. Колонна снова оборвалась, и бурение было завершено.
Технология бурения скважин
... определяющих производительность труда в процессе бурения скважин. Для вращательного колонкового бурения все горные породы разделены на двенадцать категорий по возрастающей трудности бурения. Критерием отнесения к той ... Определить точно только визуально категорию породы по величине механической скорости бурения в производственных условиях не всегда представляется возможным. Тем не менее, это обычно и ...
Текущее состояние
В последние годы, в связи с финансовыми трудностями и отсутствием поддержки государства, решался вопрос об окончательном закрытии проекта «Кольская сверхглубокая скважина».
В 2008 году объект был заброшен, оборудование демонтировано, началось разрушение здания.
Состояние на 2010 год, по комментариям директора Геологического института Кольского научного центра РАН: скважина законсервирована и постепенно разрушается. Стоимость восстановления — около ста миллионов рублей. По его же мнению, на данный момент можно восстановить научную аппаратуру и открыть институт для обучения специалистов по шельфовому бурению.
Цели и задачи поставленные при бурение СГ-3
Изучение глубинного строения никеленосного Печенгского комплекса и архейского кристаллического основания Балтийского щита в районе Кольского полуострова, выяснение особенностей проявления геологических процессов, включая процессы рудообразования.
Выяснение геологической природы сейсмических границ раздела в континентальной земной коре и получение новых данных о тепловом режиме недр, глубинных водных растворах и газах.
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.
Усовершенствование имеющейся и создание новой техники и технологии сверхглубокого бурения, а также методов комплексных геофизических исследований пород и руд на больших глубинах.
Буровая установка
Сначала бурение велось серийной буровой установкой «Уралмаш-4Э», которую применяют для бурения скважин при поиске и разведке месторождений нефти и газа. С глубины 7263 метра бурение продолжили установкой «Уралмаш-15000».
В числе особенностей, вобравших передовой опыт бурения глубоких скважин:
Буровая колонна ниже 2000 метров была собрана трубами из лёгких алюминиевых сплавов (стальная просто разорвалась бы от своего веса).
Вес колонны около 200 тонн.
Турбобур — турбина длиной 46 метров, действующая от давления бурового раствора, вращает буровую коронку (долото).
Керноприёмник — съёмная труба внутри турбобура, служащая для забора образцов породы (керна).
Использовались обычные буровые коронки из твёрдого сплава. Одна коронка служит приблизительно 4 часа, за это время удаётся пробурить 7—10 метров. На спуск и подъём колонны уходит до 18 часов. При этом колонна разбирается на секции из нескольких труб.
Исследования
Хотя ожидалось, что будет обнаружена ярко выраженная граница между гранитами и базальтами, в керне по всей глубине обнаруживались только граниты. Однако за счёт высокого давления спрессованные граниты сильно меняли физические и акустические свойства.
Как правило, поднятый керн рассыпался от активного газовыделения в шлам, так как не выдерживал резкой смены давлений. Вынуть прочный кусок керна удавалось только при очень медленном подъеме бурового снаряда, когда «излишний» газ, находясь ещё в поджатом до большого давления состоянии, успевал из породы выходить.
Густота трещин на большой глубине, вопреки ожиданиям, увеличивалась. На глубине присутствовала также вода, заполнявшая трещины.
Исследование фонтанных скважин
... Р=20-40 МПа). 3.3 Исследование фонтанных скважин Исследование фонтанных скважин проводятся по двум методам. На установившихся и неустановившихся режимах. Исследование на установившихся режимах ... которым понимают максимальный дебит скважины, допустимый условиям рациональной эксплуатации залежи и обеспечиваемый продуктивной характеристикой скважин. Исследования на неустановившихся режимах заключается ...
Исследователи выделили в скважине 12 уровней, различаемых по физическим свойствам. Более глубокие уровни как правило обладали более высокой изотропией(однородностью).
На средних уровнях высокая анизотропия позволила предположить тектоническую активность слоёв.
Хотя в процессе исследования получено много ценнейших сведений о земных недрах, результаты были во многом неожиданны, и на их основании не возникло чёткого понимания природы земной мантии и сущности поверхности Мохоровичича.
На пятикилометровой глубине окружающая температура превысила 70 °C, на семи — 120 °C, а на глубине 12 километров датчики зафиксировали 220 °C.
В ходе исследований разреза выяснилось, что место заложения скважины было выбрано не слишком удачно. Это выразилось в том, что, в силу геологического строения территории, встреченные на больших глубинах породы при более правильном заложении скважины были бы вскрыты на меньших. В частности, как видно из геологического разреза, построенного на основании данных бурения Кольской скважины, поблизости на поверхность выходят породы, поднятые с глубины 2000 м и более.
Результаты исследований полученные в ходе бурения и изучения скважины СГ-3 (общие положения)
Геолого-геофизическая информация о глубинном строении Балтийского щита, существенно уточняющая теоретические представления, господствовавшие до бурения скважины. На основании непосредственного изучения минерально-геохимического состава пород керна и проведения комплекса геолого-геофизических исследований в стволе скважины, были получены данные о вещественном составе и физическом состоянии глубинных пород, существенно отличающиеся от данных модели разреза, составленного по геофизическим данным до бурения скважины. На основании этих данных стала возможной обоснованная интерпретация геофизических материалов, играющая большую роль при разработке тектонических проблем геологии.
Установлены закономерные изменения с глубиной состава и свойств пород. Впервые в едином разрезе выявлена вертикальная зональность метаморфизма пород, отличающаяся от теоретической модели, что использовано для развития теории петрогенеза.
Установлены различные режимы поведения свободной и связанной воды при прогрессивном зональном метаморфизме; изохимический характер для петрогенных элементов и существенное перераспределение элементов-примесей при усилении метаморфизма и особенно при ультраметаморфизме.
Экспериментально выяснен геотермический режим древнейземной коры. Установлен более высокий, чем ранее предполагалось, геотермический градиент. Выяснена роль мантийного и радиогенного источников в общем глубинном потоке тепла. Сделан существенный вклад в разработку термической модели формирования земной коры, учитывающий реальную долю эндогенного тепла.
Аналогичные проекты
В XIII веке китайцам удавалось прорыть скважины глубиной 1200 метров. В 1930 году в Европе смогли превзойти этот рекорд, пробурив земную поверхность на глубину 3 км. В конце 50-х глубина пробуренных скважин увеличилась до 7 км.
В 1957 году США приступили к осуществлению аналогичного проекта. В 1958 году была создана программа Проект «Мохол», для бурения коры под Тихим океаном. Проект был так назван в честь хорватского ученого Андрея Мохоровичича, который исследовал земную кору и мантию. Часть названия, «hole», переводится с английского языка на русский как «дыра». Однако работа в рамках проекта была прекращена в 1966 году из-за отсутствия финансирования.
Буровые станки и бурение скважин
... выбуренной породы без применения промывочных реагентов. Буровые скважины на воду, в зависимости от назначения и условий, сооружаются разными способами. Наибольшее распространение получило вращательное бурение скважин. В курсовой работе ... вращателя, об/мин 10 - 230 Манипулятор подачи бурильных труб - грузоподъемность механизма не более, кг 200 Буровой стол - максимальный диаметр зажимаемых труб, ...
Вывод
Современная техника позволяет бурить скважины на континентах глубиной до 10-15 км. Прямое проникновение на бульшие 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, в том числе о явлениях активного взаимодействия вода-порода, которые приводят к формированию неоднородностей типа волноводов и ложных границ, заставили внести серьезные коррективы в интерпретацию геофизических измерений.
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 использованной литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/sverhglubokie-skvajinyi/
1. Резанов И.А. Сверхглубокое бурение. М.: Наука, 1981.
2. Кольская сверхглубокая. М.: Недра, 1984.
3. Казанский В.И. Континентальное научное бурение // Геология руд. месторождений. 1990. № 2.
4. Хахаев Б.Н., Певзнер Л.А., Кременецкий А.А. Континентальное научное бурение в России, состояние и основные направления развития // Разведка и охрана недр. 1994. № 1.
5. Кременецкий А.А. ТЭЦ под землей // Природа и человек. 1995.№ 11.
6. А.А.Коршак, А.М.Шаммазов. Основы нефтегазового дела, 2005.
