Что собой представляют сверхглубокие скважины, для чего они необходимы?

Что это такое, зачем их бурят?

Активное бурение земной коры началось с приходом эры нефти в 50-60 годах XX века.

Хотя единичные попытки бурения с целью ее поиска и других полезных ископаемых предпринимались еще в середине XIX века.

Так, в 1848 году на нефтяном месторождении близ Баку пробурили скважину при помощи деревянных штанг глубиной в 21 м.

Постепенно технологии и потребности делали скважины глубже и глубже. Но кроме практического назначения они никаких других функций не выполняли. А необходимость в изучении земной коры возрастала пропорционально развитию прогресса.

В СССР уже в конце 1950-х годов бурили мелкие скважины, глубиной до 3-х км. Но в 1960-1962 году была составлена и обозначена программа «Изучения недр Земли и сверхглубокого бурения». Первая и единственная в мире на тот момент. В ее разработке участвовали научные деятели со всего союза и авторитетные геологические организации.

По программе было заложено бурение более десятка сверхглубоких скважин, в числе которых была и знаменитая Кольская. В конце 80-х годов «бурильный бум» охватил США и ФРГ, которые не желали уступать пальму прогрессивного первенства.

Однако в какой бы части света не бурились сверхглубокие скважины — цель в подавляющем большинстве у них была одна — помочь ученым в исследовании космоса. Изучение глубоких слоев земной коры — главное назначение сверхглубокого бурения. Однако, если случалось обнаружить месторождение ценных полезных ископаемых, скважину переводили в режим промышленной.

Проблемы бурения

В случае с бурением сверхглубоких скважин бурильщики столкнулись с рядом проблем, которые долгое время тормозили бурильный процесс и становились камнем преткновения для исследования добытых образцов керна. Причем нарастают они даже не пропорционально глубине, а как бы по экспоненте.

Геологи традиционно делят их на 2 группы:

1. Геологогеофизические факторы. Сюда входит:
   • изменение давления в толще пород,
   • их нестабильность (осыпаемость, мягкость, образование пустот),
   • наличие газоводоносных пластов,
   • высокие температуры на глубине.

   Все это усложняет работу геофизических приборов, буровых двигателей и бурильных растворов.

2. Технические факторы. В данную группу относятся разнонаправленное воздействие бурового раствора на стенки скважины при спуск-подъёмных операциях. А также восстановление циркуляции в системе, увеличение времени взаимодействия раствора со стенками скважины и времени на промывку.

Совпадение обоих групп факторов сильно увеличивает длительность разработки сверхглубоких скважин. Держать под контролем при таком стечении обстоятельств резкие колебания давления в колонне, толщину и пласт глинистых слоев максимально затруднительно.

Совокупность данных проблем повышает опасность дифференциальных прихватов буровой головки, как это многократно случалось при бурении Кольской. Что в итоге привело к обрыву 5 км труб и разработке нового ствола с глубины 7000 м.

Когда скважина достигает планируемой глубины, либо же ученые останавливают бурение по другим причинам, работы на объекте не прекращаются. Ученые продолжают изучение грунта, наблюдают за колебаниями температуры и давления в стволе скважины, опускают в него различные датчики, проводят эксперименты.

Какой глубины достигает?

По решению Ярославского государственного научно-производственного предприятия «Недра» скважины поделили на:

1. Мелкие. Менее 1 км. Редко имеют научное значение. Чаще их бурят с целью поиска или добычи твердых/жидких/газообразных полезных ископаемых.
2. Глубокие. Это уже скважины научного назначения в континентальной земной коре. Глубина от 3 до 7 км.
3. Сверхглубокие. От 7 км. Иногда имеют не только научное, но и поисково-добывающее назначение.

   Их строят для поиска глубоко-залегающих месторождений нефти и газа. Так например, произошло на юге США, где из 400 скважин 4 преодолели отметку в 9 км и внедрились в карман глубоко-залегающей нефти.

Максимальная проектируемая длина сверхглубокой скважины составляла 15 000 м — это был проект Кольской. Но в реальности эту длину удалось покрыть лишь на 82% и пробурить на 12262 м вглубь земной коры.

Другой проект разработали в Азербайджане. Согласно ему 11-километровая Саатлинская скважина должна была пролить свет на особенности земной коры в Куринской впадине. Но работы остановили досрочно на отметке 8324 м.

Геологическое строение

Если составить схематичный рисунок в виде вертикального разреза земной коры, то скважина имеет вид клина с сужающимся концом в глубине. В реальности все немного не так.

Поскольку скважина никогда не бывает идеально ровной, то есть под углом строго 90 градусов к поверхности, то она искривляется. А зачастую имеет несколько ответвлений разной глубины и смотрится как перевернутое дерево. Чем больше ответвлений, тем больше трудностей возникло у бурильщиков в процессе работы.

При строительстве Кольской сверхглубокой максимальная погрешность отклонения от вертикали планировалась не более 2-3 градуса на 1 км. В итоге бурильщикам почти удалось удержаться в рамках этих цифр. Между тем, как отклонение сверхглубокой скважины КТБ-Оберпфальц ФРГ в Баварии составило целых 25 градусов!

Скважину обсаживают до максимально возможного уровня, а стенки заливают цементом для стабилизации на верхних уровнях. Как правило, это первые 30-50 м.

Скорость бурения при отсутствии поломок и аварий в штатном режиме составляет порядка 1-3 м/час. Но оно ведется с перерывами, которые необходимы для поднятия буровой колонны, а это 30-50 см в секунду. Также перерывы нужны для охлаждения бура.

Особенности отрасли

Новая отрасль геологии потребовала от советских бурильщиков нового подхода и разработок, опережающих свое время. Многие технические достижения сверхглубокого бурения открылись через метод проб и ошибок, от которого не могли уберечь ни одни научные умы.

Итак, как осуществляется бурение:

1. Забой осуществляется турбинным или роторным методом. Идеальной признана их пооочередная комбинация, которая применялась при бурении Кольской.
2. Высокая температура на глубине осложняет работы, а потому бурильщики используют специальные жидкие термостойкие смеси на разной основе.

   Так, водная основа выдерживает до 240°С, нефтеэмульсионная справится с диапазоном от 240 до 300°С, а полностью нефтяная остается стабильной даже при 350°С.

3. Выбор подходящей обсадной конструкции для скважины никогда не бывает оптимальным из-за сложностей получения данных о точном давлении и самое худшее — невозможности точно спрогнозировать его скачки.
4. Чем меньше угол искривления ствола к поверхности, тем меньше изнашивается буровой инструмент. Для стабилизации применяют центраторы или КНБК маятникового типа.

ТОП в России и мире

За время существования программы сверхглубокого бурения был пробурен не один десяток скважин. Некоторые из них до сих пор выполняют свою функцию. Другие же заброшены.

В СССР

В РФ

На земном шаре

Заключение

В отрасль сверхглубокого бурения вкладываются немалые деньги по всему миру. Ведь это единственная сфера, где пока что вопросов во много раз больше чем ответов, несмотря на уже сделанные открытия.

В Европе и США ведутся разработки новых технологий бурения, планируется внедрение в отрасль достижений из космической и военной промышленности. Вероятно через пару десятков лет, люди все-таки узнают, что скрыто у них под ногами. А пока что земля хранит свои тайны.