Рациональная технология бурения скважин в ледовых массивах с использованием электромеханического снаряда на кабеле

Изучение современного материкового оледенения и всех видов ледников имеет большое значение для целого ряда естественных наук: географии, гляциологии, палеоклиматологии, геологии, геофизики, геохимии, микробиологии и др.

Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда [68], мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. Планомерное комплексное изучение Антарктиды проводится уже более 30 лет. В нем принимают участие многие страны — Россия, США, Япония, Франция, Новая Зеландия, Аргентина, Бразилия, Чили, ГДР, Польша, Индия и др.

Важнейшим и наиболее эффективным способом изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледовых отложений в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна, что дает возможность проводить кристалломорфологические исследования льда с больших глубин, геофизические наблюдения в скважинах, изучать химический состав льда, содержание изотопов кислорода и углерода, различных включений (земная и космическая пыль, вулканический пепел, бактерии, споры растений и.

ДР-).

В последние годы, в связи с обнаружением на глубине около 3760 м в районе ст. Восток подледникового озера [6, 26], формируется еще одно направление исследований, которое может стать одним из самых значимых проектов в XXI в. — изучение этого озера. В настоящее время Национальным центром научных исследований (НЦНИ) Франции подготовлен к подписанию текст Соглашения об учреждении Европейского научно-исследовательского объединения (ЕНИО) «Восток» .

Целью данного объединения является продолжение совместного изучения уникальных климатических и биологических данных, полученных по ледяному керну со станции Восток. Проектом предусматривается создание сети.

4 французских и 6 российских научно-исследовательских групп, входящих в состав НИИ и университетов, которые принадлежат различным министерствам и ведомствам Франции и России.

Научная программа ЕНИО обсуждалась на совещании российских и французских экспертов, которое было проведено по инициативе Посольства Франции в России в июле 2004 г. на базе Президиума Российской академии наук с участием представителей всех научно-исследовательских групппотенциальных членов объединения. Французская сторона намечает предложить данное Соглашение для подписания в третьем квартале 2004 г.

Высший уровень международного признания получил проект глубокого бурения на ст. Восток и комплексных палеогеографических исследований ледяного керна, выполняемый Санкт-Петербургским государственным горным институтом (СПГТИ) и Государственным научным центром РФ «Арктическим и антарктическим НИИ» (ГНЦ РФ ААНИИ) совместно с учеными Франции и США.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по антарктической тематике, выполненные представителями научной школы, созданной в СПГТИ под руководством профессора Кудряшова Б. Б., позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области глубокого бурения ледовых массивов. Отличительной особенностью этих работ является их ярко выраженная практическая направленность. Начиная с 13-ой Советской антарктической экспедиции (САЭ, 1967), сотрудники кафедры технологии и техники бурения скважин, а также других кафедр СПГТИ участвовали практически во всех Советских и затем Российских антарктических экспедициях (РАЭ) как в зимовочных, так и в сезонных составах.

В ледниковом покрове Антарктиды (ст. Восток, обсерватория Мирный, гляциологический профиль Мирный-Восток 1), а также на леднике архипелага Северная Земля пробурено в общей сложности более 18 тыс. м с полным отбором ледяного керна. В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледовых толщах принимал широкий круг российских ученых и полярных исследователей: С. С. Абызов, Н. И. Барков, В. Н. Бахтюков, К. В. Блинов, Н. Е. Бобин, В. Н. Васильев, Р. Н. Вострецов, JI.K. Горшков, А. А. Гусев, Д. Н. Дмитриев, А. Н. Дмитриев, Э. А. Загривный, В. М. Зубков, А. Е. Каравашкин, Е. Е. Короткевич, Б. Б. Кудряшов, А. В. Красилев, В. Я. Липенков, Н. Н. Меньшиков, С.. Митин, Б. С. Моисеев, В. В. Морев, В. М. Пашкевич, Ю. А. Рыдван, Л. М. Саватюгин, Н. И. Слюсарев, Г. Н. Соловьев, Г. К. Степанов, П. Г. Талалай, В. Ф. Фисенко, В. К. Чистяков, В. М. Шашкин, A.M. Шкурко и др.

Несмотря на большие достигнутые успехи колонковое бурение сверхглубоких скважин на грузонесущем кабеле с выходом в подледниковые отложения не достигло уровня современных требований прежде всего из-за отсутствия обоснованных методик проектирования технологических средств и методов управления технологическими процессами, обеспечивающих получение керна высокого качества при рациональном энергообеспечении в специфических природно-климатических условиях.

Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) — СПГГИ (ТУ) на основе госбюджетных тем и хоздоговоров в рамках ряда научно-технических программ: ОКП «Исследование и использование Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства на 1986;90 гг. и на перспективу до 2000 года», утвержденной постановлением Госплана СССР № 378 от 14.08.86 г.- ЦНТП Росгидромета, Проект 1.7.7.1.2, тема 13 015 «Реконструкция изменений климата за последние 400 тыс. лет по данным анализа ледяного керна станции Восток и колонок грунта из озер антарктических оазисов» (1995 — 1998) — ГНТП «Комплексные исследования океанов и морей Арктики и Антарктики», проект 06.03 «Ледник», тема 510 003 «Исследовать характеристики и глубинное строение ледникового покрова Антарктиды, подледниковых озер и эпишельфовых водоемовполучить данные о современных и прошлых изменениях климата» (1995 -1998);

ФЦП «Интеграция», Контракт М0211- 5.1. (1999 — 2001);

ФЦП «Мировой океан», подпрограмма «Изучение и исследование Антарктики»: 1999;2002 гг.

Проект № 6 «Продолжение бурения и температурные исследования в глубокой скважине 5Г-1 на станции Восток» ;

Проект № 7 «Проведение исследований ледяного керна и бурение базального льда без вхождения в подледниковое озеро Восток «- 2003;2007 гг.

Проект 4 «Провести комплексные исследования подледникового озера Восток, оценить прошлые изменения климата по данным ледяных кернов, колонок морских и озерных отложений»;

ФЦНТП «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», подпрограмма: «Научно-инновационное сотрудничество между Министерством образования и Министерством природных ресурсов РФ», раздел: «Разработка новых методов и технологий неисточительного природопользования, повышение комплексного и малоотходного использования природных ресурсов», тема «Разработать комплексные геолого-геофизические модели типовых структур континентальной земной коры по материалам бурения глубоких и сверхглубоких скважин», Госконтракт № 1/8-НВ, Контракт № 7-Н от 27.04.01 между СПГГИ (ТУ) и ФГУП НПЦ «НЕДРА» (2001).

ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения», подпрограмма «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики», контракт «Обоснование и разработка экологически чистой технологии для проникновения в подледное озеро Восток (Антарктида)» (1999;2001).

Цель работы — научное обоснование, разработка и внедрение в производство высокопроизводительной технологии бурения глубоких скважин в ледниках с выходом в подледниковые породы колонковым электромеханическим буровым снарядом на грузонесущем кабеле.

Идея работы — установление и использование факторов и физических эффектов процесса разрушения льда с учетом его структурно-реологических свойств и закономерностей изменения основных показателей процесса бурения колонковым электромеханическим снарядом, реализующих многофакторные математические модели для повышения эффективности сооружения скважин в ледниках.

Задачи исследований.

1. Анализ закономерностей развития способов и технических средств глубокого бурения скважин в ледовых толщах для выявления наиболее значимых факторов, влияющих на эффективность процесса сооружения скважин и качество получаемого кернового материала.

2. Изучение механизма резания льда в функциональной связи геометрических параметров породоразрушающих элементов с физико-механическими и структурно-реологическими свойствами льда.

3. Исследование закономерностей и обоснование физических и математических моделей технологических операций колонкового бурения во льдах.

4. Разработка методики оценки продолжительности проходки скважин заданной глубины в зависимости от изменения технологических факторов колонкового бурения льда.

5. Обоснование конструктивных параметров и методики проектирования технических средств колонкового бурения во льдах электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле.

6. Проведение стендовых и полевых испытаний разработанного оборудования и бурение глубокой скважины на станции Восток в Антарктиде.

Методика исследований.

1. Теоретический анализ и обобщение отечественных и зарубежных литературных данных.

2. Создание экспериментальных стендов, разработка методик исследования на основании теории подобия, размерностей и планирования эксперимента, выполнение экспериментальных исследований.

3. Математическое моделирование процессов и режимов колонкового бурения во льдах снарядами на грузонесущем кабеле.

4. Опытно-производственная проверка разработанных рекомендаций, технологии и технических средств с целью оценки их эффективности при внедрении в практику бурения ледниковых отложений.

Достоверность научных положений и выводов, технических решений и рекомендаций базируются на достаточным объеме теоретических и экспериментальных исследований, производственных испытаний с использованием контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры высокого класса и электронно-вычислительной техники при сходимости полученных экспериментальных исследований с вероятностью 0,90 — 0,96.

Достоверность подтверждается высокой сходимостью расчетных величин с опытными данными, положительными результатами внедрения технологии и технических средств колонкового бурения скважин в ледниковых покровах архипелага Северная Земля и сверхглубоких скважин на ст. Восток в Антарктиде.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и экспериментально-производственном подтверждении функциональной связи геометрических параметров породоразрушающих элементов с физико-механическими и структурно-реологическими свойствами льда в процессе резанияустановлении зависимостей между основными параметрами бурения глубоких скважин в ледовых толщах, позволяющих обосновывать проектирование энергосберегающих технических средств и оптимальные режимы их эксплуатации.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решенийв совершенствовании и создании ресурсосберегающих технических средств колонкового бурения глубоких скважин во льдах, что позволило успешно с высокими показателями и качеством осуществить бурение на ст. Восток до глубины 3623 м, а также вскрыть толщу льда с выходом в подледниковые породы и моренные отложения с полным отбором керна на ледниках архипелага Северная Земля.

Реализация результатов работы.

Научно-методические рекомендации, технологии и разработанные технические средства использовались при ведении буровых работ:

• на леднике Вавилова (арх. Северная Земля, о. Октябрьской Революции) пробурена скважина с выходом в подледниковые породы с полным отбором керна;

• на леднике Академии Наук (арх. Северная Земля, о. Комсомолец) пробурена скважина глубиной 721 м с отбором керна в моренных отложениях на глубину 4 м;

• на ст. Восток в Антарктиде скважина 5Г-1 пройдена до глубины 3623 м, что на 400 м превышает глубины всех пробуренных скважин во льдах в мировой практике. Из скважины получен керн с твердыми включениями моренного материала и керны льда, образовавшегося при намерзании воды озера на подошву ледника.

Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении курсов лекций для студентов специальностей 80 700 «Технология и техника разведки МПИ» и 90 800 «Бурение нефтяных и газовых скважин» по дисциплинам: «Бурение скважин в осложненных условиях», «Гидроаэромеханика и теплообмен при бурении», «Заканчивание скважин», «Научно — технический прогресс в бурении», «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Научная значимость результатов исследований заключается в развитии теории разрушения льда, обосновании и разработке математической модели управления технологическими процессами бурения скважины во льдах и подледниковых породах механическими колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле.

Исходный материал и личный вклад.

В основу диссертационной работы положены результаты теоретических, экспериментальных и производственных исследований, начатых в 1982 г. и выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в лаборатории кафедры технологии и техники бурения скважин и в производственных условиях на ледниках архипелага Северная Земля и на ст.

Восток в Антарктиде. За этот период автор был руководителем (исполнителем) госбюджетных тем, грантов и хоздоговоров, объединенных единой задачей создания эффективных технологий и технических средств колонкового бурения сверхглубоких скважин во льдах с выходом в подстилающие горные породы.

Личное участие автора состоит в формулировании и постановке теоретических и экспериментальных исследований, создании методик, лабораторных установок и стендов, обосновании физических и математических моделей и разработке программ их численного решения, в разработке комплекса технических средств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, а также в проведении опытно-производственной проверки результатов исследований и оценке эффективности разработанных рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете геологоразведочного факультета СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете отдела географии полярных стран ГУ ААНИИ (Ленинград, 1988), на конференции «Пути повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин» (ВНИИ методики и техники Мингео СССР, Ленинград, 1987), на Международном совещании «Изучение озера Восток — научные задачи и технологии» (С.Петербург, 1998), на Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, 1989 — 2001), на Юбилейной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Ф. А. Шамшева (С.-Петербург, 1993), на V Международном горно-геологическом Форуме (С.-Петербург, 1997), на международных симпозиумах по технологии бурения льда (Япония, 1993, 2000), на Второй международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (С.Петербург, 2000).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 7 авторских свидетельств.

Автор выражает глубокую признательность заслуженному деятелю науки и техники РФ, профессору Б. Б. Кудряшову, с которым на протяжении многих лет прорабатывались основные цели и направления исследований, научному консультанту, д.т.н. Н. И. Слюсареву, который помог в обсуждении проблем и подготовки основных выводов и рекомендаций, проф. Н. Е. Бобину, проф. Н. И. Николаеву, проф. В. К. Чистякову, проф. И. Г. Шелковникову, вед. инженеру А. В. Красилеву, научному сотруднику В. М. Зубкову, кандидатам географических наук Н. И. Баркову, В. Я. Липенкову, Л. М. Саватюгину и другим сотрудникам кафедры ТТБС СГПТИ (ТУ), отдела географии ГУ ААНИИ и Российской антарктической экспедиции.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Обоснованная в результате выполненных исследований конструкция породоразрушающих элементов позволяет задавать и регулировать скорость бурения скоростью подачи снаряда на грузонесущем кабеле без изменения осевой нагрузки.

2. Изменение гидродинамических характеристик потока при спуско-подъемных операциях позволяет регулировать скорость движения снаряда при минимальных сопротивлениях в режиме гидравлически гладкого течения и минимизировать уровень мощности привода лебедки при бурении глубоких скважин снарядом на несущем кабеле.

3. Полученные физические и математические модели являются основой для учета структурно-реологических свойств и условий резания льда, определения гидродинамических параметров течения заливочной жидкости при обратной циркуляции в призабойной зоне для сепарации шлама и, тем самым, определяют возможность управления технологическими операциями в процессе бурения и спуско-подъемными циклами, поэтому могут быть рекомендованы для составления программ оптимизации бурения скважин заданной глубины.

4. Созданные научно-методические основы проектирования технологии и комплекса технических средств бурения во льдах на грузонесущем кабеле позволяют осуществлять проходку глубоких скважин с полным отбором керна и выходом в подстилающие горные породы.

5. Рзработанные на уровне изобретений компактные мобильные технические средства для колонкового бурения скважин электромеханическим снарядом на грузонесущем кабеле соответствуют требованиям геологоразведочного производства и экологической безопасности, надежны в эксплуатации, удобны в обслуживании, что позволяет проходить скважины в ледниковах толщах Арктики и Антарктики.

6. Высокая эффективность и целесообразность применения разработанных рекомендаций, технологий и технических средств подтверждается опытно-производственными испытаниями на ледниках арх. Северная Земля и в Антарктиде, где на леднике Вавилова было пробурено 4 м подледниковых пород с полным отбором керна, на леднике Академии Наук пробурена скважина глубиной 721 м с выходом в моренные отложения, на ст. Восток скважина 5 Г пробурена с полным отбором керна до глубины 3623 м и остановлена в 130 м от поверхности подледникового озера, о чем свидетельствуют не только геофизические исследования, но и включения в керне твердого моренного материала и льда, образовавшегося при намерзании воды на подошву ледника.