Технологии и техника бурения скважин во льдах тепловым способом

В статье авторы рассматривают технологии и технические средства бурения льда тепловым способом, особенности их применения.

Ключевые слова: бурение льда, Антарктида, станция Восток, плавление льда, термобуровые снаряды.

Введение

Ледники Антарктиды, Арктики, Гренландии и горных хребтов вызывают огромный интерес у ученных всего мира, как источник достоверной палеоклиматической информации. Бурение ледников осуществляется в неблагоприятных условиях, к которым относятся: низкие температуры; отсутствие линий связи и инфраструктуры; высокогорье ледяных покровов; специфические транспортные условия и др. [1], поэтому требуется создание новых технологий бурения и отбора проб льда.

Бурение ледников применяется для отбора проб льда, проникновения в подледниковое пространство, проведения микробиологических, гляциологических, геофизических и других научных исследований. В мировой практике наиболее распространены два способа бурения льда: механический и тепловой. В данной статье подробно рассматривается второй способ.

1. Особенности технологий бурения скважин во льдах тепловым способом

Физико-механические свойства льда, а в частности теплофизические, как горной породы являются основой теплового бурения, которые характеризуются невысокой температурой плавления и низкими расходами энергии на агрегатный переход из твердого состояния в жидкообразное [2].

Плавление льда реализуется за счет конвективного теплообмена потоком жидкости или газа высокой температуры и за счет контакта твердой поверхности с устройством для нагревания (тепловые коронки или пенетратора), также имеет место плавление льда излучением, а самое большое распространение получило контактное бурение плавлением с использованием специальных термобуровых снарядов.

Жидкостные и газовые потоки, обладающие высокими температурами, плавят лед на забое и выносят на поверхность продукты фазовых превращений или при бурении снежно-фирновых отложений ввиду своей пористости талая вода проникает в стенки скважины, образуя ледовую корку, при любом способе бурения постоянно происходит воздействие на стенки скважины тепловым и гидро- или аэродинамическим потоком. Для неглубоких специальных скважин для проведения углеродного анализа или для микробиологического опробования используется «сухой» метод бурения, при котором талая вода с забоя откачивается насосом в специальный бак в верхней части снаряда с последующим извлечением и очисткой на поверхности. Самую высокую скорость бурения имеет способ с применением горячей воды, основой которого является подогрев воды на поверхности с последующим нагнетанием ее по гибкой буровой трубе или по шлангу в буровую головку, расположенную на забое, при этом постоянно осуществляется циркуляция и подогрев воды на поверхности, при реализации данного метода затрачиваются большие мощности на работу бурового насоса, предварительное плавление льда или снега, а также постоянный подогрев воды. При увеличении глубины тепловые потери растут, происходит вынужденное увеличение диаметра скважины, возрастает отвод тепла в окружающий массив скважины в радиальном направлении и возрастают затраты энергии на поддержание постоянной температуры при нагнетании на забой скважины. Для бурения сверхглубоких скважин данный метод не подходит из-за больших габаритов оборудования, затрат на логистику, но исключать его нельзя, ведь технологический прогресс не стоит на месте.

При глубоком бурении скважину заполняют низкотемпературной жидкостью (фреон, керосин, этанол, полиметилсилоксан) для поддержания устойчивости ствола скважины, компенсации горного давления, возможности сохранения постоянного диаметра скважины на протяжение необходимого времени для исследований, а технические средства разрабатывают с системой призабойной (местной) циркуляции и системой нагревательных элементов. Неправильный выбор плотности заливочной жидкости и высоты ее подъема часто являются причинами заклинивания бурового снаряда при его подъеме. Одна из самых редких аварий произошла на внутриконтинентальной российской полярной станции Восток в Антарктиде в декабре 1991 года, когда легендарная скважина 5Г была пробурена до глубины 2502 м. Тепловой снаряд застрял на глубине 2250 м во время подъема, когда расчетная разность давлений между жидкостью и льдом достигала 2,7 МПа. Тот же самый случай произошел в 1996 году с японским электромеханическим снарядом в DomeF, в Антарктиде, когда уровень жидкости упал до 720 м ниже устья скважины, депрессия в скважине составила более 6 МПа. Таким образом, контроль уровня заливочной жидкости является одной из основных задач при бурении, обеспечивающей безаварийность проведения буровых работ [1, 2, 3].

Все технические средства для бурения скважин во льдах и снежно-фирновых отложениях тепловым способом можно разделить на две группы по способу удаления расплава с зоны забоя:

1) уплотняющие;

2) экструзионные (выдавливающие).

Буровые устройства уплотняющего свойства обеспечивают проникновение талой воды в стенки скважины, расплавляя пористые породы (снег или фирн), и создавая ледяную корку по всей ее длине. При этом возникает необходимость проплавления скважины до диаметра, превышающего на определенную величину наружный диаметр рабочего органа бурового снаряда.

Нагреватель обеспечивает эффективную передачу тепла на забой с минимальными градиентами температуры вдоль вертикальной оси. Корпус нагревателя изготавливается из высокотеплопроводного материала, например, медь или алюминий. Верхняя часть нагревателя должна иметь цилиндрическую форму и работать в температурном режиме, обеспечивающем эффективное охлаждение талой воды и формирование из нее оледененного слоя на стенках скважины.

Экструзионные снаряды предусматривают удаление оставшейся части расплава через кольцевой зазор или специальные отверстия в рабочей части нагревателя с последующим его застыванием, которые выносятся на поверхность или собираются в специальном скважинном шламосборнике, или талая вода собирается в специальном водосборном баке, включенном в снаряде, и поддерживается температура, не позволяющая кристаллизоваться талой воде, с последующем извлечением водосборного бака на поверхности.

Бурения льда целесообразно производить тепловыми буровыми снарядами на грузонесущем кабеле. Тепловые снаряды на грузонесущем кабеле имеют ряд преимуществ: простота обслуживания, конструкции и эксплуатации, минимальные размеры, масса и энергетические затраты при возможности бурения от нескольких метров до нескольких километров, длительные сроки службы. Большинство конструкций тепловых снарядов на грузонесущем кабеле не требуют системы восприятия реактивного момента, что является дополнительным преимуществом перед механическим способом бурения [4, 5].

А. Термобуровой снаряд ТЭЛГА. Бурение первой глубокой скважины на станции Восток было начато в 1972 г. термобуровым снарядом разработки Санкт-Петербургского горного университета и научно-исследовательского института Арктики и Антарктики ТЭЛГА-14М (рис. 1, табл. 1) после испытаний в районе обс. Мирный в период работы 14 САЭ [1].

Кольцевой рабочий орган проплавляет перед собой лед, который представляет собой кольцевую коронку, а продукты бурения удаляются с забоя за счет создания призабойной циркуляции воздушного потока. Циркуляционная система снаряда состоит из водоподъемных трубок, водосборного бака, системы обогрева и турбокомпрессора, создающего разряжение в баке для подъема воды. За счет резкого падения скорости потока в водосборном баке происходит гравитационное разделение: вода собирается в нижней части бака, а воздух выбрасывается в затрубное пространство.

Б. Термобуровой колонковый снаряд ТБЗС (рис 1, табл. 1) предназначен для бурения глубоких скважин, залитых низкотемпературной жидкостью, и имеет ряд конструктивных отличий отдельных узлов от бурового снаряда ТЭЛГА-14М.

В. Буровой снаряд ТБС-112ВЧ (рис 1, табл. 1) отличается тем, что с целью снижения потерь энергии в грузонесущем кабеле при глубине скважины больше 1000 м электроэнергия к забою подается по схеме «источник питания — повышающий трансформатор — грузонесущий кабель — понижающий трансформатор — электрические потребители снаряда». Для уменьшения габаритных размеров понижающих трансформаторов, устанавливаемых в термобуровом снаряде, используется ток высокой частоты [1]. Одним из принципиальных отличий снаряда ТБС-112ВЧ от снаряда ТБЗС-152М является работа системы удаления воды из скважины. Талая вода, попадая в бак, замерзает, так как бак не обогревается [1].

Таблица 1

Российские термобуровые снаряды на грузонесущем кабеле

Рис. 1. Термобуровые снаряды.

а) ТЭЛГА-14:

1 — грузонесущий кабель, 2 — центратор, 3 — компрессоры, 4 — центральная водоподъемная труба, 5 — водосборный бак, 6 — сливной клапан, 7 — водоподъемные трубки, 8 — колонковая труба, 9 — кернорвательное устройство, 10 — кольцевая коронка-нагреватель.

б) ТБЗС-152М:

1 — грузонесущий кабель, 2 — кабельный замок, 3 — насос, 4 — водосборный бак, 5 — центральная водоподъемная труба, 6 — переходник, 7 — водоподъемные трубки, 8 — колонковая труба, 9 — кернорвательное устройство, 10 — кольцевая коронка-нагреватель

1– грузонесущий кабель, 2 — кабельный замок, 3 — насос, 4 — трансформаторы, 5 — съемный водосборный бак, 6 — колонковая труба, 7 — кернорватель, 8 — кольцевая коронка-нагреватель, 9 — коаксиальный токовод, 10 — обогреваемые водоподъемные трубки

На поверхности бак с замерзшей водой отсоединяется от снаряда и заменяется пустым.

Исследованием и разработкой тепловых снарядов за рубежом занимались многие организации. Ведущее место среди них принадлежит лаборатории научных и инженерных исследований холодных районов (CRREL) Армии США, в которой после многолетних экспериментальных работ был создан термобуровой снаряд на грузонесущем кабеле, предназначенный для бурения «сухих» незалитых жидкостью скважин в снежно-фирновых и ледовых отложениях. Технические данные основных зарубежных разработок тепловых снарядов представлены в таблице 2.

Таблица 2

Зарубежные термобуровые снаряды на грузонесущем кабеле

Кольцевое нагревательное устройство снаряда CRELL-MK-II представляет собой алюминиевый корпус с плотно запресованными в продольных отверстиях 18 цилиндрическими тепловыми элементами. Расплавленная вода в процессе бурения удаляется с помощью вакуумного насоса, создавая разряжение в зоне забоя, и попадает в водосборный бак по продольным отверстиям в корпусе нагревателя. Керн срывается специальным подпружиненным кернорвателем клиновидного захвата.

Бурение льда небольшой мощности, например, шельфового льда , производится в основном с использованием горячей воды, подогреваемой на поверхности и нагнетаемой по гибкому шлангу на забой. Оригинальную технику для такого способа разработал немецкий ученый Эрик Данкер, в основу которой легли методы контактного плавления и конвективного теплообмена. Бурение шельфового льда необходимы для исследований нижней части льда, водной толщи под ним и дна водоема. Комплекс технических средств позволяет бурить скважины достаточно большого диаметра относительно небольшими по диаметру бурильными головками, а в качестве теплоносителя — горячая вода, подогреваемая на поверхности. Процесс бурения осуществляется путем нагнетания горячей воды в коронку для ее нагрева, и вода контролируемо выходит с боку буровой головки, что обеспечивает комбинированный способ бурения-плавлением с одновременным расширением скважины, бурение осуществляется контактным плавлением с поверхностью буровой головки, а расширение обеспечивается конвективным тепломассообменом с помощью теплоносителя. Благодаря боковым промывочным каналам скважина обладает постоянным большим диаметром.

Из минусов технологии стоит отметить, что для бурения скважин во льду большого диаметра 500–1000 мм в шельфовом льду в полярных прибрежных районах необходимы пилотные скважины диаметром от 50 до 100 мм в виде прямой-направляющей для основного ствола. Лед насквозь проходится пилот-скважиной, которая также бурится тепловым способом. Так как шельфовый лед находится в воде на глубину до нескольких десятков или сотен метров, в момент прорыва морская вода попадает в скважину до высоты уровня моря и смешивается с талой водой, образующаяся в процессе бурения. Кроме того, боковые каналы выполнены полусферически, а нижний конец буровой головки закруглен и имеет площадь контактной поверхности достаточную, чтоб перекрыть пилот-скважину. На контакте буровой головки и льда образуется тонкая пленка талой воды и по ней равномерно распределяется тепловая энергия. Плоская струя воды, отклоненная вверх вдоль стенки ствола скважины, обеспечивает гладкое круглое сечение скважины, исключая образование каких-либо каверн или выступов, при этом имея постоянный диаметр скважины. Следует отметить, что бурение ведется на гибкой буровой трубе (шланг) с высокой жесткостью.

Заключение

Бурения льда тепловым способом практикуется более полувека и насчитывает десяток технологий, которые нашли применение при проведении буровых работ в Антарктиде, Арктике, Гренландии, на ледниках Алтая, Кавказа и др. Тепловые снаряды на грузонесущем кабеле имеют ряд преимуществ: простота обслуживания, конструкции и эксплуатации, минимальные размеры, масса и энергетические затраты при возможности бурения от нескольких метров до нескольких километров, длительные сроки эксплуатации оборудования. Большинство конструкций тепловых снарядов на грузонесущем кабеле не требуют системы восприятия реактивного момента, что является дополнительным преимуществом перед механическим способом бурения. Существующие технологии и технические средства бурения льда тепловым способом выполнены на высоком уровне технологических и технических решений.

Литература:

1. Загривный Э. А. Результаты полевых испытаний высокочастотного термобурового комплекса ТБС-112 ВЧ при бурении глубоких скважин в низкотемпературном ледниковом покрове (станция Восток)/ Э.А Загривный., Б. С. Моисеев, А. М. Шкурко // Зап. ЛГИ, 1983. Т. 105. С. 103–107.
2. Кудряшов Б. Б. Бурение скважин тепловым способом в ледниковом покрове Антарктиды. Обзор / Б. Б. Кудряшов, В. К. Чистяков, В. А. Морев // Тех. и технол. геологоразвед. работ; орг. про-ва. — М.: ВИЭМС, 1977. 58 с.
3. Кудряшов Б. Б. Бурение ледникового покрова Антарктиды тепловым способом / Б. Б. Кудряшов, В. К. Чистяков, В. А. Морев // 25 лет Советской антарктической экспедиции. — Л: Гидрометеоиздат, 1983. С. 149–158.
4. Кудряшов Б. Б. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород / Б. Б. Кудряшов, В. К. Чистяков, В. С. Литвиненко — Л.: Недра. 1991. C.295.
5. Д. В. Сербин, Н. И. Васильев, А. В. Большунов, А. Н. Дмитриев Тепловой снаряд для бурения плавлением с одновременным расширением ледовых скважин // Материалы XIV Международной научно-практической конференции «Новые идеи в науках о Земле» — М., 2019 С.297–300