Сверхглубокое бурение

СВЕРХГЛУБОКОЕ БУРЕНИЕ (а. ultradeep drilling; н. ubertiefes Воhren, Abteufen ubertiefer Воhrungen; ф. sondage super profond, forage а grande profondeur; и. perforacion superprofunda, taladrado superprofunda) — 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.

Сверхглубокое бурение получило развитие в связи с реализацией национальных программ изучения земной коры континентального (CCCP) и океанического (США) типов. Сверхглубокое бурение рассматривается как наиболее достоверный метод (по сравнению с известными косвенными) изучения земных недр, способный кардинально повлиять на уточнение представлений, лежащих в основе геологической науки.

Сверхглубокое бурение основывается на технологии вращательного бурения и последовательного закрепления пройденных интервалов колоннами обсадных труб. Характерные особенности сверхглубокого бурения: возрастание с глубиной температуры и гидростатического давления; потеря устойчивости пород под действием разности между горным и гидростатическим давлениями; увеличение массы бурильной и обсадных колонн; замедление темпов углубления за счёт увеличения времени спуска-подъёма бурильной колонны и ухудшения буримости пород; возрастание потерь энергии при передаче силовых воздействий с поверхности на забой; необходимость отбора керна в больших объёмах и проведения внутрискважинных геофизических исследований.

Прогресс в увеличении глубин бурения достигается в основном благодаря повышению грузоподъёмности и мощности буровых установок, улучшению термостойкости инструментов и материалов, снижению напряжённого состояния бурильной колонны, преодолению проявлений горного и пластового давления, совершенствованию методов и средств управления процессом бурения по поступающей из забоя информации, предотвращению опасного износа обсадных колонн и др. Для сверхглубокого бурения созданы и применяются буровые установки грузоподъёмностью до 11 MH (1100 т) общей мощностью до 18 тысяч кВт с насосами (2-4 штук) на рабочее давление 40-50 МПа мощностью до 1600 кВт каждый. Как правило, такие уникальные установки имеют электрический привод от источника постоянного тока, что позволяет осуществить бесступенчатое регулирование работы основных механизмов. Спуск-подъём бурильной колонны ведётся преимущественно с удлинёнными до 37 м "свечами" при максимальной механизации и автоматизации процесса.

При сверхглубоком бурении применяют роторный или турбинный способ бурения; возможны оба с поинтервальным чередованием. Первый из них нашёл широкое распространение на Западе, второй — в CCCP. Турбинный способ позволяет успешно применять бурильные трубы из лёгких сплавов (ЛБТ). По критерию допустимых напряжений в трубах турбинный способ в сочетании с ЛБТ даёт возможность в 1,5-2 раза увеличить глубину бурения по сравнению с роторным способом в сочетании со стальными трубами (СБТ) при той же грузоподъёмности. Указанное преимущество подтверждено практикой бурения Кольской скважины (см. Кольская сверхглубокая скважина), при проводке которой применена составная колонна из ЛБТ (низ) и СБТ (верх, примерно 2000 м).

Прогресс в сверхглубоком бурении сдерживается низкой термостойкостью эластомеров, используемых в забойных двигателях и современных долотах. Как правило, температура увеличивается на 2,5-3,5°С на каждые 100 м глубины. Не в полной мере удовлетворяет термостабильность буровых растворов. До 240°С применяются растворы на водной основе, в диапазоне 240-300°С — нефтеэмульсионные, а при 300-350°С — на нефтяной основе. Перспективы повышения термостойкости алюминиевых сплавов (ЛБТ) связываются с достижениями порошковой металлургии. Сохранение устойчивости горных пород на стенках ствола скважины в условиях проявления горного и пластового давлений достигается в основном поддержанием необходимого противодавления "столба" промывочной жидкости и её качества, а при встрече пластов с низким давлением — изоляцией их спуском промежуточных обсадных колонн. При сверхглубоком бурении в осадочных породах конструкция скважины, как правило, включает 6-8 обсадных колонн, а в кристаллических — 2-4 колонны. Отсутствие точных сведений об ожидаемом горном и пластовом давлениях на больших глубинах и данных о сопротивляемости пород гидроразрыву затрудняет выбор оптимальной конструкции скважины и технологии её проводки.

Предотвращение искривления сверхглубоких скважин — важное условие успешной их проводки. Для поддержания сил сопротивления движению бурильной колонны и износа обсадных колонн в допустимых пределах стремятся, чтобы интенсивность искривления не превышала 2-3° на 1 км при соблюдении постоянства азимута искривления, а абсолютная величина зенитного угла не превышала 10-12°. Особо жёсткие требования предъявляются к вертикальности верхней части ствола. Для борьбы с кривизной обычно используют жёсткие компоновки низа бурильной колонны (КНБК) с полноразмерными центраторами, а при отсутствии должного эффекта — КНБК маятникового типа. В верхней части скважин (до 3-4 км) при бурении ствола большого диаметра успешно применяют реактивно-турбинные буры.

Особое внимание при сверхглубоком бурении уделяется отбору керна. Главное препятствие эффективному отбору керна — его заклинивание в керноприёмнике. Зарубежные страны ориентируются в основном на применение канатной техники в сочетании со съёмным керноприёмником. В CCCP используются снаряды с системой гидротранспорта на валу турбобура и не исключается применение съёмных керноприёмников и забойных двигателей с полым валом. В зависимости от конкретных геолого-технических условий используются бурильные головки как шарошечного, так и истирающего типа. Получают развитие три вида забойной техники для повышения информативности отбираемого керна: ориентатор керна; керноприёмник для консервации керна в забойных условиях; средства отбора образцов из стенки ствола.

Развитие сверхглубокого бурения в обозримом будущем, по всей видимости, будет основываться на технологии вращательного бурения. По мере увеличения глубин (более 10 км) забойный привод долота будет вытеснять роторный способ, открывая дорогу для реализации принципиальных преимуществ бурильных труб из лёгких металлических сплавов на основе алюминия и титана. В центре внимания, вероятно, окажется термостойкий редукторный турбобур. Ожидается концентрация усилий исследователей на совершенствовании технологии преодоления проявлений горных и гидростатических давлений. Прогресс будет определяться новыми идеями, направленными, прежде всего на оперативное увеличение сопротивляемости гидроразрыву зон слабых пород без уменьшения диаметра скважины. Это расширит возможности для проводки открытого ствола через "несовместимые" зоны, не прибегая к спуску в скважину обсадных колонн, и тем самым существенно упростит процесс сверхглубокого бурения. Значимость проблемы борьбы с кривизной потребует строго научного обоснования допусков на искривление по глубине скважины и создания нового поколения забойных средств управления направлением бурения, по всей вероятности, с полу- и автоматическим принципом действия.

Управление процессом бурения по получаемой из забоя информации с использованием гидравлической или проводной линии связи станет необходимым условием сверхглубокого бурения ниже отметки 8-9 км.

В наземном буровом оборудовании принципиальных изменений не ожидается. Повысится внимание к совершенствованию систем автоматизации процесса спуско-подъёмных операций. Большее распространение должен завоевать автономный агрегат для спуска тяжёлых обсадных колонн.

Объёмы сверхглубокого бурения в будущем будут увеличиваться. Особые перспективы (наряду с отмеченными) возлагаются на сверхглубокое бурение в связи с проблемой вовлечения в сферу хозяйственной деятельности человека запасов тепла из недр Земли.

По экспертным оценкам, к 2000 году будет достигнута глубина 15 км.