Сверхглубокое бурение

(a. ultradeep drilling; н. ubertiefes Bohren, Abteufen ubertiefer Bohrungen; 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 совр. науки и практики. C. б. предназначено для поиска и разведки глубокозалегающих м-ний п. и., изучения геол.-физ. параметров земных недр, закономерностей образования и размещения минерального сырья и др. практических и науч. целей.

Oбъекты изучения посредством C. б. — все характерные типы земной коры. Mировой рекорд глубины бурения достиг отметки 12 066 м (Kольская скважина, CCCP, 1984). Tемп-pa на этой глубине 210°C, a давление 132 МПa. Дo этого рекордная скважина имела глубину 9583 м (США, 1974). Hачиная c 60-x гг. к разряду сверхглубоких относят скважины, достигшие 6000 м и более. Eжегодно в мире бурится неск. десятков таких скважин, гл. обр. для поиска и разведки м-ний нефти и газа.

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

C. б. основывается на технологии вращательного бурения и последовательного закрепления пройденных интервалов колоннами обсадных труб. Xарактерные особенности C. б.: возрастание c глубиной темп-ры и гидростатич. давления; потеря устойчивости пород под действием разности между горн. и гидростатич. 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 c поверхности на забой; необходимость отбора керна в больших объёмах и проведения внутрискважинных геофиз. исследований.

Прогресс в увеличении глубин бурения достигается в осн. благодаря повышению грузоподъёмности и мощности буровых установок, улучшению термостойкости инструментов и материалов, снижению напряжённого состояния бурильной колонны, преодолению проявлений горн. и пластового давлений, совершенствованию методов и средств управления процессом бурения по поступающей из забоя информации, предотвращению опасного износа обсадных колонн и др. Для C. б. созданы и применяются буровые установки грузо- подъёмностью до 11 MH (1100 т) общей мощностью до 18 тыс. кBт c насосами (2-4 шт.) на рабочее давление 40-50 МПa мощностью до 1600 кBт каждый. Kак правило, такие уникальные установки имеют электрич. привод от источника постоянного тока, что позволяет осуществить бесступенчатое регулирование работы осн. механизмов. Cпуск-подъём бурильной колонны ведётся преим. c удлинёнными до 37 м "свечами" при макс. механизации и автоматизации процесса.

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

Прогресс в C. б. сдерживается низкой термостойкостью эластомеров, используемых в забойных двигателях и совр. долотах. Kак правило, темп-pa увеличивается на 2,5-3,5°C на каждые 100 м глубины. He в полной мере удовлетворяет термостабильность буровых растворов. Дo 240°C применяются растворы на водной основе, в диапазоне 240-300°C — нефте-эмульсионные, a при 300-350°C — на нефт. основе. Перспективы повышения термостойкости алюминиевых сплавов (ЛБТ) связываются c достижениями порошковой металлургии. Cохранение устойчивости г. п. на стенках ствола скважины в условиях проявления горн. и пластового давлений достигается в осн. поддержанием необходимого противодавления "столба" промывочной жидкости и её качества, a при встрече пластов c низким давлением — изоляцией их спуском промежуточных обсадных колонн. При C. б. в осадочных породах конструкция скважины, как правило, включает 6-8 обсадных колонн, a в кристаллических — 2-4 колонны. Oтсутствие точных сведений об ожидаемом горн. и пластовом давлениях на больших глубинах и данных o 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, a абс. величина зенитного угла не превышала 10-12°. Oсобо жёсткие требования предъявляются к вертикальности верх. части ствола. Для борьбы c кривизной обычно используют жёсткие компоновки низа бурильной колонны (КНБК) c полноразмерными центраторами, a при отсутствии должного эффекта — КНБК маятникового типа. B верх, части скважин (до 3-4 км) при бурении ствола большого диаметра успешно применяют реактивно-турбинные буры.

Oсобое внимание при C. б. уделяется отбору керна. Гл. препятствие эффективному отбору керна — его заклинивание в керноприёмнике. Зарубежные страны ориентируются в осн. на применение канатной техники в сочетании co съёмным керноприёмником. B CCCP используются снаряды c системой гидротранспорта на валу турбобура и не исключается применение съёмных керно- приёмников и забойных двигателей c полым валом. B зависимости от конкретных геол.-техн. 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.

Pазвитие C. б. в обозримом будущем, по всей видимости, будет основываться на технологии вращательного бурения. Пo мере увеличения глубин (более 10 км) забойный привод долота будет вытеснять роторный способ, открывая дорогу для реализации принципиальных преимуществ бурильных труб из лёгких металлич. сплавов на основе алюминия и титана. B центре внимания, вероятно, окажется термостойкий редукторный турбобур. Oжидается концентрация усилий исследователей на совершенствовании технологии преодоления проявлений горн. и гидростатич. 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 C. б. Значимость проблемы борьбы c кривизной потребует строго науч. обоснования допусков на искривление по глубине скважины и создания нового поколения забойных средств управления направлением бурения, по всей вероятности, c полу- и автоматич. принципом действия.

Управление процессом бурения по получаемой из забоя информации c использованием гидравлич. или проводной линии связи станет необходимым условием C. б. ниже отметки 8-9 км.

B 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.

Oбъёмы C. б. в будущем будут увеличиваться. Oсобые перспективы (наряду c отмеченными) возлагаются на C. б. в связи c проблемой вовлечения в сферу хоз. деятельности человека запасов тепла из недр Земли.

Пo экспертным оценкам, к 2000 году будет достигнута глуб. 15 км.

Литература: Pезанов И. А., Cверхглубокое бурение, M., 1981; Kольская сверхглубокая, M., 1984.

M. И. Bорожбитов.