Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Одной из первых простейших конструкций электротеплового бурового снаряда на грузонесущем кабеле явилось устройство для буревия скважин во льду с отбором керна, предложенное в 1959 г.

Н. И. Барковым [19, 22]. Снарядами подобной конструкции в 1959—1960 гг. в районе советских антарктических станций Мир­ный, Комсомольская, Восток, Лазарев в снежно-фирновой толще было пробурено несколько скважцн, максимальная глубина кото­рых не превышала 40 м [19, 22].

В 1964—1966 гг. в результате совместных разработок Аркти­ческого и Антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) и Московского института радиоэлектроники и горной электромеханики (МИРГЭМ) был создан первый отечественный термоэлектробуровой колонковый снаряд на кабеле с системой удаления воды из зоны забоя и комплексом поверхностного обору­дования и аппаратуры управления для бурения «сухих» скважин как в снежно-фирновых, так и в ледовых толщах [19, 22]. В пе­риод работы 11-й Советской антарктической экспедиции (САЭ) и в летний сезон 12-й САЭ этот буровой комплекс был испытан в районе обсерватории Мирный. В процессе полевых испытаний было пробурено 3 скважины общим объемом 101 м, самая глу­бокая из которых после ряда осложнений достигла подстилающих горных пород на глубине 77 м.

Несмотря на незначительный объем, полевые испытания под­твердили возможность и целесообразность электротеплового буре­ния плавлением скважин с отбором керна в снежно-фирновых и ледовых отложениях для гляциологических исследований. При этом были выявлены также существенные недостатки разрабаты­ваемых технических средств и технологии бурения. После суще­ственной доработки конструкции снаряда и усовершенствования наземного оборудования в 13-ю САЭ на 25-м километре трассы Мирный — Восток сотрудниками ЛГИ и ААНИИ была пройдена скважина глубиной 212 м.

Несмотря на относительный успех бурения, результаты поле­вых исследований заставили сделать вывод о несовершенстве пер­воначальной конструктивной схемы термоэлектробурового снаряда, отличающейся сложностью и малой надежностью основных систем

и агрегатов. Так, эта схема предусматривала применение специ­ального трансформатора, а также сложного по конструкции и тру­доемкого в изготовлении нагревательного устройства. Особенно неудовлетворительно работала система удаления воды с забоя, основанная на применении вакуум-насоса при относительно боль­шой высоте всасывания, что в свою очередь потребовало исполь­зования высоконадежных клапанов, автоматического изменения режима работы в зависимости от скорости бурения плавлением и т. д. Вследствие сложности и неравномерности работы системы удаления воды, уровень последней на забое в процессе бурения постоянно колебался. Это в значительной степени ухудшало усло­вия работы нагревательного устройства, вызывало его быстрый выход из строя, а также приводило к значительному проплавлению стенок скважины и керна, в связи с чем увеличивался диаметр скважины до 180—190 мм и снижался диаметр керна до 80—

60 мм при крайне неравномерном его оплавлении. При этом ско­рость бурения скважины резко падала до 0,3—0,5 ,м/ч.

Тщательный анализ результатов, экспериментального бурения первыми опытными образцами термобуровых снарядов на кабеле позволил наметить следующие направления совершенствования их конструкции:

— повышение эффективности и надежности работы нагрева­тельного устройства;

— обеспечение безотказной работы системы удаления воды с забоя;

— повышение надежности работы кернорвательногоустройства;

— увеличение длины керноприемной трубы и вместимости водо­сборного бака, определяющих величину рейсовой углубки;

— разработка надежной системы подачи снаряда на забой, обеспечивающей максимально возможное давление снаряда на за­бой при минимальном отклонении скважины от вертикали;

I —создание надежной системы контроля и управления работой ( снаряда с поверхности.

"> Исследования и разработки в этом направлении в конце 60‘Х годов в ДАНИИ и ЛГИ приобретают плановый и целенаправлен­ный характер, позволивший сосредоточить усилия на выборе бо­лее совершенных технических решений с целью создания эффек­тивных технических средств и технологических приемов бурения скважин с отбором керна, в первую очередь. для проведения гля­циологических исследований в Антарктиде.»Постепенно опреде­лились задачи и направления работы каждого коллектива.

В ААНИИ группа под руководством В. А. Морева занялась раз­работкой небольших легких термобуровых снарядов, предназна­ченных для бурения неглубоки^ скважин в теплых и умеренно холодных (до — 30 °С) ледниках|’Более сложную проблему, связан­ную с разработкой глубокого бурения ледникового покрова Ан­тарктиды и комплекса методов опробования и исследования сква-, жин, решал коллектив сотрудников ЛГИ под руководством» Б. Б. Кудряшова [19, 22].

В 1970 г. в ДАНИИ для бескернового бурения неглубоких скважин в теплых ледниках была разработана и прошла успеш­ные испытания электротермоигла ЭТИ-1, состоящая из кониче­ского электронагревательного наконечника, направляющей трубы и центратора с устройством для крепления электрического кабеля [22]. В теплых ледниках при бурении термоиглой вода оставалась в скважине, не замерзая длительное время, а при бурении в уме­ренно холодных ледниках для предупреждения намерзания воды на стенках скважины необходимо было через каждые 2—3 м про­изводить желонирование, что ограничивало глубину бурения пер — в0й»еатней метров и резко снижало производительность.

I В ЛГИ исследования и опытно-конструкторские разработки в направлении создания технических средств и технологии бурения плавлением глубоких скважин в низкотемпературных ледовых тол­щах были начаты в 1967 г] на основе хозяйственного договора, заключенного с ДАНИИ, а с, 1§72 г. они проводились уже и по специальным заданиям ГКНТ СССР. В тематику исследований и разработок были включены вопросы создания специализирован­ного забойного и поверхностного оборудования, системы дистан­ционного управления и контроля за процессом бурения, оптими­зации процессов бурения плавлением глубоких скважин, изучения возможности использования новых методов бурения и опробова­ния ледникового покрова, комплекса геофизических методов изу­чения керна и окружающего скважину ледового массива, мето — дики кристалломорфологических, геохимических исследований. керна льда и др.

В результате проведенных в Ленинградском горном институте дополнительных теоретических, экспериментальных и лаборатор­ных исследований была предложена новая схема термоэлектро — бурового снаряда на грузонесущем кабеле, предусматривающая контактную передачу тепла забою от кольцевого нагревательного устройства с плоской торцевой поверхностью. При этом теплоизо­ляция боковых поверхностей нагревателя осуществляется воздуш­ным потоком, который используется для непрерывной и полной очистки забоя от воды [19, 22].

Конструкция нового теплового снаряда обеспечивала: увели­чение диаметра получаемого керна с целью повышения качества гляциологических, кристалломорфологических и других исследо­ваний; снижение до рационального минимума площади кольце­вого забоя для повышения экономичности процесса плавления; максимальное использование готовых узлов и деталей, повышение их надежности и работоспособности. ‘

В конструкции кольцевого нагревательного устройства преду­сматривалось рассредоточенное расположение нагревательного элемента по высоте корпуса, изготавливаемого из высокотепло­проводного материала (меди). В качестве нагревательного эле­мента использовалась изолированная керамическими бусами ни- хромовая проволока диаметром 1,1 мм, которая помещалась в один ряд по высоте кольцевой полости между медным корпусом и

наружным тонкостенным медным кожухом нагревателя. Кольце­вая полость с уложенным тепловым элементом заполнялась и уплотнялась на вибростоле периклазом (кристаллическая окись магния), улучшающим условия теплопередачи от нагревательного элемента к корпусу кольцевого нагревателя и далее к его рабо­чей поверхности. Для надежной герметизации после монтажа на­гревательного элемента кольцевая полость заполнялась асбестом и высокотемпературным органо-силикатным герметиком (КЛТ-30).

Рабочий торец нагревателя имеет наружный и внутренний коль­цевые буртики, обеспечивающие снижение до минимума потери тепла через вертикальные стенки коронки за счет создания между ними и стенками скважины (керна) теплоизолирующих воздуш­ных кольцевых зазоров. фтвод талой воды осуществлялся практи­чески с поверхности забоя с помощью водоподъемных трубок, про­ложенных вдоль наружного кожуха нагревателя и подведенных к сквозным отверстиям во внешнем его буртике, последние со сто­роны рабочей поверхности торца соединялись друг с другом коль­цевой канавкой. Выдавливание талой воды под действием веса снаряда в канавку и непрерывная эжекция ее циркулирующим по подъемным трубкам воздушным потоком обеспечивали полное удаление воды с забоя в пленочно-капельном режиме эрлифта, что в сочетании с воздушной теплоизоляцией нагревательного устройства приводило к существенному повышению эффективности плавления и качества получаемого керна. —

Первые опытные образцы термоэлектробуровых снарядов но­вого типа, испытание которых было начато в 14-й САЭ, получили впоследствии индекс ТЭЛГА-14 (конструкции ЛГИ и ААНИИ 14 САЭ) [19, 22]. Поверхностный комплекс оборудования состоял из установленного на металлических санях утепленного бурового балка размерами 8 X 4X2,5 м, трехногой металлической вышки высотой Эми смонтированного в балке каротажного подъемника СКП-1500 с аппаратурой контроля и управления работой снаряда и производством спуско-подъемных операций. На барабан подъ­емника был намотан грузонесущий кабель марки КТ-ГН-10 с тремя силовыми токопроводящими и тремя сигнальными медными жи­лами с резиновой изоляцией. Диаметр кабеля 18,7 мм, масса 980 кг/км, максимальное разрывное усилие 105 Н. Привод буро­вой установки — от передвижной дизельэлектрической станции с двумя дизельгенераторами марки АДПС-20 номинальной мощ­ностью 20 кВт каждый.,.. >

В процессе предварительных испытаний в Мирном были про­бурены две скважины глубиной по 35 м. Экспериментальное бу­рение с целью отработки технологии проводилось в октябре — но­ябре 1969 г. на 50-м километре трассы Мирный — Восток. Сква­жина достигла глубины 250 м, в том числе снежно-фирновая толща — 39 м. При средней мощности кольцевого нагревательного устройства 3,0 кВт максимальная скорость бурения плавлением в снежно-фирновой толще достигала 2,3 м/ч, в плотном льду она снизилась до 1,5 м/ч. Количество воды, проплавленной с 1 м сква-

жины и поднятой в водосборном баке снаряда, колебалось от О до 8 л в снежно-фирновой толще и до 10—11 л в ледовой. Есте­ственная температура льда находилась в пределах —16 Ч—————— 21 °С.

В процессе бурения плавлением был получен хорошего качества керн, общий выход которого составил После завершения

буровых работ весь керн был доставлен в обсерваторию Мирный, а потом на дизельэлектроходе «Обь» — в Ленинград для исследо­ваний.

В 1970 г. в период работы 15-й САЭ было впервые организо­вано бурение глубсжой скважины тепловым’способом в Централь­ной Антарктиде на ст. Восток — Полюсе холода нашей планеты.

Для бурения скважин в сложных климатических условйях ст. Восток было изготовлено стационарное утепленное буровое здание из двух жилых балков на транспортных1 санях с металли­ческой мачтой от установки УГБ-50А высотой 11 м, утепленной цилиндрическим ограждением (рис. 4.6). В помещении бурового здания были смонтированы каротажный подъемник СКП-3000 с приводом от асинхронного электродвигателя мощностью 7,5 кВт, вспомогательная лебедка «Пионер», технологическое и вспомога­тельное оборудование, приборы и аппаратура дистанционного

Рис. 4.6. Общий вид экспериментальной буровой на ст. Восток (15-я САЭ). I —электрораспределительный щит; 2 — пульт управления снарядом; 3—оконный проем; 4— печь; 5—-вспомогательная лебедка «Пионера; €—мачта; 7—кольца шахтной крепи; 8—положе­ние снаряда над скважиной; 9 — опорная ферма; /0—слесарный верстак и инструмент; 11 — про­тивопожарная емкость; 12—санн стальные; 13—электродвигатель лебедки СКП-3000; 14—двух­скоростной редуктор; 15—лебедка СКП-3000; 16—кабель-трос КТГН-10; 17—система генератор — двигатель; 18—токарный станок; 19—блок-баланс на откидной раме; 20— положение снаряда в скважине; 21—кондуктор.

управления и контроля за работой термоэлектробурового снаряда и спуско-подъемного оборудования. На барабан подъемника был намотан грузонесущий кабель КТГН-10.

f После непродолжительных испытаний и отработки режимных параметров скважина на ст. Восток без особых осложнений была пройдена до глубины 506,9 м. Несмотря на вполне удовлетвори­тельную работу снаряда, сразу же выяснилась необходимость до­работки системы удаления воды с забоя с целью получения высо­кокачественного керна как в снежно-фирновой толще, так и в ле­довой. Для полного удаления воды с поверхности забоя в пористой снежно-фирновой толще оказалось достаточным соединить водо­подъемные трубки напрямую с отверстиями во внешнем кольце­вом буртике торца нагревателя. Это позволило за счет дополни­тельного подсоса воздуха через прилегающий к забою скважины пористый снежно-фирновый слой удалять всю воду непосред­ственно с поверхности плавления, не допуская ее проникновения в формирующийся керн. При переходе проницаемой снежно-фир­новой толщи в плотный лед с целью создания устойчивого эжек — тирующего воздушного потока в стенках водоподъемных трубок на расстоянии 10—15 мм от забоя просверливались в зависимости от производительности турбокомпрессора от 1 до 3 отверстий диа­метром 2—4 мм. Это обеспечивало в дальнейшем надежную и устойчивую работу системы удаления воды с забоя и получение сухого керна высокого качествалВ связи с низкими отрицатель­ными температурами ледовой толщи в районе ст. Восток при­шлось мощность обогрева циркуляционной системы и водосбор­ного бака увеличить до 600—800 Вт.

506,9 376,6 1,34 1,73 99,1

Технические показатели бурения иа ст. Восток в 15-й САЭ:

Общая проходка, м…………………………………

Время чистого бурения плавлением, ч Средняя скорость бурения, м/ч.

Средняя проходка за рейс, м. . . .

Средний выход керна, %…………………………

В скважине был выполнен комплекс геофизических исследова­ний: инклинометрия, кавернометрия, термометрия и гамма-каро­таж. Максимальное отклонение скважины от вертикали не превы­шало 2°30/, средний диаметр скважины сохранялся в пределах 180—183 мм, температура льда на глубине 500 м повысилась до —53,5°С.

‘{‘Дальнейшее увеличение глубины скважины в сложных усло­виях бурения на ст. Восток при продолжении экспериментальных работ в 16-й САЭ привели к целому ряду усложнений и потребо­вали существенной доработки конструкции! снаряда ТЭЛГА-14, ко­торый после модернизации получил наименование TЭЛГA-14MJ Термоэлектробуровой снаряд ТЭЛГА-14М (рис. 4.7) состоит из кольцевой коронки-нагревателя 1, представляющей собой медный корпус, во внутренней полости которого находится нагреватель­ный элемент из нихромовой проволоки, изолированной керамиче-

Рис. 4.7. Схема термоэлектробурового снаряда ТЭЛГЛ-14М.

1 — кольцевая коронка-нагреватель; 2—кернорвательное устройство рычажко,- вого типа; 3 —ке’рно’прнемная труба; 4—водоподъемные трубки; 5—монтаж­ный переходник; 6—сливной клапан; 7 —водосборный бак; 8—внутренняя водоподъемная трубка; 9 — турбокомпрессоры; 10— переходник с кабельным замком; // — центрирующий пружинный «фонарь»; 12 — грузонесущий кабель.

скими бусам«. Выше нагревательного устройства ус­танавливается кернорвательное устройство 2 для сры­ва и удержания керна. Вдоль керноприемной трубы 3 проложены водоподъемные трубки 4, нижние концы / которых подведены к отверстиям в наружном буртике нагревателя таким образом, что позволяют регулиро­вать степень эжектирования воды.

ю

9

Верхние концы трубок 4 закреплены на монтаж­ном переходнике 5, соединяющем их с внутренней трубкой 8 водосборного бака 7. Переходник 5 слу­жит одновременно дном бака и имеет кран 6 для спу­ска воды после подъема снаряда. В верхней части бака 7 находится компрессорный отсек с двумя после­довательно соединенными двух — или трехступенчатыми турбокомпрессорами 9. Верхний конусный переходник 10 служит для крепления грузонесущего кабеля 12 и имеет отверстия для выхода воздуха. Выше переход — ника 10 устанавливается пружинный «фонарь» — цен — Д>Г

тратор 11. !{^’

г

Усовершенствованным снарядом ТЭЛГА-14М глу­бокое бурение на ст. Восток было продолжено в пе­риод 17-й САЭ. В мае 1972 г. глубина «сухой» сква­жины достигла отметки 952,5 м, что оказалось рекор­дом в двух отношениях: как по глубине бурения «су­хих» скважин во льду, так и по глубине теплового способа бурения скважин плавлением^ [19, 22].

В процессе экспериментального бурения плавле­нием глубокой «сухой» скважины в 17-й САЭ было отмечено, что, несмотря на крайне низкие отрицатель — ^

ные температуры ледовой толщи (примерно —57 °С на глубине 100 м и —50 °С на глубине 900 м), начи­ная с глубин около 500 м происходит заметное суже­ние ствола скважины вследствие проявления реологических свойств льда 1^од влиянием возрастающего горного давления^

В табл. 4.1 приведены основные показатели, характеризующие изменение эффективности бурения плавлением «сухой» скв. 1 в, интервале 600—952,5 м в 17-й САЭ. Как видно из приведенных результатов, с увеличением глубины скважины скорость бурения и средняя проходка за рейс снижаются, а количество проплавлен­ной с 1 м проходки воды возрастает. Увеличение времени на спуско-подъемные операции связано с затяжками снаряда при подъеме и необходимостью проработки призабойного интервала при каждом новом спуске снаряда.

Основные показатели бурения «сухой» скв. 1 на ст. Восток в 17-й САЭ Интервал бурения, м Скорость бурения плавлением, м/ч Длина рейса. м Время спуско-подъем- ных операций, мни/рейс Количество проплав­ ленной воды, л/м Мощность нагревателя, кВт 600-700 1,21 2,50 17,0 12,3 3,30 700—800 1,19 2,35 20,0 13,7 3,15 800-900 1,14 2,33 33,0 13,9 3,00 900—1000 1,02 2,04 46,0 14,8 2,90

В случае продолжительных перерывов в бурении интервал вы­нужденной проработки ствола скважины с глубиной неизменно увеличивается. Возникавшие в связи с этим многочисленные ос­ложнения не позволили, несмотря на многочисленные попытки как в 17-ю, так и в 18-ю САЭ, на ст. Восток достигнуть «сухим» ство­лом глубины 1000 м. Так, проходка скв. 1 в 17-й САЭ была пре­кращена при глубине забоя 952, 5 м из-за аварии, связанной с ос­тавлением в ней снаряда в результате обрыва грузонесущего ка­беля в месте его сростки, ослабленном многократно возраставшими с глубиной затяжками и рывками снаряда при производстве спуско­подъемных операций. Из-за осложнений пришлось приостановить бурение скв. 1-бис и 1-2-бис соответственно на глубинах 700,2 м и 905 м.

В табл. 4.2 приведены основные результаты бурения «сухих» скважин на ст. Восток в 15—18-й САЭ.

Анализ результатов экспериментального бурения плавлением низкотемпературной ледовой толщи в Центральной Антарктиде

Таблица 4.2 Результаты бурения плавлением «сухих» скважин иа ст. Восток в 15—18-й САЭ Показатели 15-я САЭ 16-я САЭ 17-я САЭ 18-я САЭ Номер скважины 1 1 1 1-бис (интервал бурения, (509,45) (509,45—625,2), (625,2-952,4), (774,0-780,2), м) 2 (0—108) 1-бис (0—774,0) 1-2-бис (307-905,0) Общий объем буре­ния, м 509,45 223,0 1101,2 654,2 Средняя скорость бурения плавлением, м/ч Средняя проходка за рейс, м 1,34 1,30 1,20 1,20 1,73 1,6 2,3 2,5 Средняя мощность коронки-нагревателя, кВт 3,5 3,2 2,90 3,00 Выход кериа, % 99,1 99,0 99,8 99,6

{ст. Восток) подтверждает теоретические выводы о характере взаимосвязи удельной мощности коронки-нагревателя, скорости плавления, условий теплообмена в зоне забоя, температуры и теп­лофизических свойств льда — основных параметров, определяю­щих эффективность исследуемого процесса. Для оптимального ре­жима бурения плавлением характерна максимальная скорость углубки скважины, что соответствует минимальному количеству проплавленной с 1 м проходки воды, т. е. минимальным тепловым потерям и максимальному КПД процесса. Рейсовая проходка при этом определяется длиной колонковой трубы, вместимостью водо­сборного бака и состоянием призабойной зоны скважины. Послед­нее обстоятельство характеризуется в основном реологией ледо­вого массива приствольной зоны и условиями конденсации водя­ных паров, содержащихся в циркулирующем воздушном потоке, на стенках скважины. Увеличение времени циркуляции воздуш­ного потока в призабойной зоне и повышение содержания в нем водяных паров приводят к образованию на холодных стенках скважины значительного количества инея, вызывающего затяжки снаряда при его подъеме в конце рейса. Таким образом, для уве­личения рейсовой проходки необходимо увеличивать скорость бу­рения плавлением, уменьшая тем самым время нахождения сна­ряда на забое, и одновременно предусматривать более эффектив­ное охлаждение и осушение воздуха, циркулирующего в самом снаряде.

В процессе экспериментального бурения успешно прошли испы­тания усовершенствованной модели термоэлектробурового снаряда ТЭЛГА-14М, позволившие выяснить эффективность работы от­дельных его узлов и систем и наметить конкретные мероприятия по дальнейшему их совершенствованию. Некоторые из этих меро­приятий были осуществлены уже в ходе выполнения эксперимен­тальных работ. Так, совершенствуя технологию монтажа и герме­тизации нагревательного элемента, условия и режим его работы в кольцевой коронке-нагревателе, удалось довести среднюю про­ходку на каждый нагреватель до 250—300 м. Улучшение работы системы удаления воды с забоя после замены двухступенчатого турбокомпрессора на трехступенчатый ЭПМ-2 позволило в интер­вале 200—500 м при мощности кольцевого нагревателя 2,9 кВт получить среднюю скорость бурения плавлением 1,25 м/ч, тогда как при бурении того же интервала в 15-й САЭ средняя скорость в 1,24 м/ч была достигнута при мощности нагревателя 3,5 кВт.

Улучшение условий отделения и конденсации влаги из воздуш­ного потока внутри термоэлектробурового снаряда позволило су­щественно уменьшить затяжки снаряда при подъеме и тем самым увеличить рейсовую проходку. При бурении скв. 1-бис продолжи­тельность работы снаряда на забое без последующих затяжек при подъеме увеличилось благодаря этому с 1 ч 45 мин до 2 ч 20 мин.

Экспериментальное бурение плавлением «сухих» скважин в низкотемпературной ледяной толще на ст. Восток позволило

отработать наиболее эффективный комплекс технологических опе­раций и приемов бурения, предусматривающий их такое последо­вательное выполнение при наиболее оптимальных режимах.

1. Подготовительные операции. Перед спуском снаряда в сква­жину проверяется работа всех его устройств и систем; из снаряда удаляется оставшийся после предыдущего рейса конденсат.

2. Спуск снаряда. Производится при выключенном редукторе привода лебедки, скорость спуска в «сухом» стволе скважины не превышает 8000—9000 м/ч и регулируется ручным тормозом. При спуске снаряда поддерживается режим работы нагревателя в пре­делах до 20 % от номинальной мощности, а обогрева системы удаления воды с забоя до 50—70 % от номинальной.

3. Дохождение до забоя (проработка призабойной зоны). За 10—15 м до забоя скорость спуска снаряда снижается до 30— 40 м/ч, мощность нагревателя увеличивается до 50 °/о от номи­нальной, интервал интенсивных затяжек и задержек снаряда про­рабатывается 2—3 раза, за 1 м до забоя включается в работу система удаления воды, а мощность обогрева доводится до номи­нальной.

4. Бурение. После постановки на забой все системы и устрой­ства снаряда работают в оптимальном режиме, обеспечивающем максимальную скорость углубки при номинальной мощности на­гревателя и эффективной работе системы удаления воды с по­верхности забоя в водосборный бак. Подача снаряда должна при этом создавать осевую нагрузку на забой, обеспечивающую ми­нимальное отклонение ствола скважины от вертикали. Как пра­вило, эта нагрузка не превышает 2/3 собственного веса снаряда.. При достижении оптимального режима углубка скважины произ­водится без отрыва снаряда от забоя, так как последнее обстоя­тельство снижает качество керна, может привести к заклинке его в керноприемной трубе или к повторному перебуриванию остав­ленного на забое куска.

5. Подъем снаряда. Перед подъемом снаряда в конце рейса уменьшается мощность коронки-нагревателя, снижается осевая нагрузка на забой до минимума, система удаления воды при этом работает в номинальном режиме. Для срыва керна снаряд под­нимается 1—2 раза над забоем на высоту 1,5—2,0 м, после срыва керна начинается подъем снаряда и включается система удаления воды. В интервале 10—20 м призабойной зоны подъем ведется с минимальной скоростью и проработкой интервалов сужения ствола и затяжек. После выхода из призабойной зоны скорость подъема доводится до оптимальной, соответствующей установленной мощ­ности привода лебедки, а мощность нагревателя при этом сни­жается до минимальной.

6. Заключительные операции. После подъема снаряда керн извлекается из керноприемной трубы, вода из водосборного бака сливается, производится внешний осмотр снаряда, отключаются все электрические устройства, и снаряд ставится на прогрев и про­сушку. Производится первичная документация керна, измеряется

объем проплавленной воды, слитой из бака и скопившейся после прогрева снаряда. Вся информация заносится в буровой журнал.

Баланс рабочего времени при бурении скв. 1 и 1-бис в 17-й САЭ Показатели Скв. 1 Скв. 1-бис Объем бурения, м 327,3 774,0 Баланс времени, % 100 100 Бурение, % 54 63,4 Ремонты, % 22,8 10,4 Осложнения и аварии, % 21,1 10,1 Простои, % — 2,4 Геофизические исследова­ 2,1 13,7 ния, %

Повышение эффек­тивности электротеп — лового способа буре­ния плавлением в ледо­вых отложениях дости­гается за счет как со­вершенствования его технических средств и технологии, так и тех­нической оснащенности и организации буровых работ в целом, что позволяет сократить непроизводительные затраты, связанные с вы­нужденными ремонтами, осложнениями, авариями чи простоями. Это наглядно видно из приведенного в табл. 4.3 баланса времени при экспериментальном бурении в 17-й САЭ на ст. Восток скв. 1 и 1-бис. Накопленный опыт экспериментального бурения, устране­ние целого ряда технических недостатков позволили при бурении новой скв. 1-бис достичь производительности при двухсменной 6-часовой работе 250 м/мес.

Анализ осложнений, возникающих в процессе бурения «сухих» скважин плавлением в низкотемпературных ледовых отложениях, позволил выделить их в следующие основные группы.

1. Осложнения, связанные с нарушением технологии бурения плавлением:

— отказы в работе системы удаления воды с забоя (недоста­точная мощность обогрева циркуляционной системы, повышение аэродинамических сопротивлений из-за намерзания влаги на стен­ках трубок, наличие большого количества воды на забое и пр.);

— уменьшение диаметра скважины вследствие чрезмерного из­носа кольцевого нагревателя по наружному диаметру;

— заклинивание керна в корпусе кернорвателя или в кернопри­емной трубе;

— интенсивные затяжки снаряда в призабойной зоне;

— уменьшение скорости бурения плавлением и повышенное проплавление стенок скважины и керна при ухудшении условий теплопередачи в зоне забоя (загрязнение забоя, торцевой поверх­ности коронки-нагревателя, попадание посторонних предметов на забой);

— отклонение скважины от вертикального направления (нерав­номерное плавление поверхности забоя, чрезмерная подача сна­ряда).

2. Осложнения, связанные с неисправностью технических •средств:

— прихваты снаряда при внезапном выходе из строя коронки — |

нагревателя (перегорание нагревательных элементов, замыкания

или обрывы в цепи питания);

— затяжки снаряда в призабойной зоне при неисправностях

в системе удаления воды с забоя; 1

— интенсивное искривление скважины при повышенной. кри­визне или эксцентричном соединении отдельных узлов сна­ряда.

3. Осложнения, связанные с ошибками оператора:

— повреждение или обрыв грузонесущего кабеля (перепуск кабеля при спуске снаряда, чрезмерные натяжения при прихватах

и пр.); (

— затаскивание снаряда на блок-баланс, резкая посадка на забой;

— загрязнение забоя, падение в скважину посторонних пред- метов и др.

Если осложнения организационно-технического характера мо­гут быть сведены к минимуму, то осложнения, связанные с прояв­лениями с глубиной реологических свойств льда в «сухой» сква­жине, требуют для их устранения специальных технологических 1

решений. Результаты экспериментального бурения плавлением на ст. Восток в 15—18-й САЭ позволяют считать возможным преде­лом бурения «сухих» скважин в низкотемпературных ледовых тол­щах глубины не свыше 1000—1200 м.

Разработанная техника и технология бурения плавлением «су — <

хих» скважин в последние годы находит успешное применение при выполнении исследований во внутриконтинентальных научных по­ходах. В условиях полной автономности, жестких ограничений к материальным и энергетическим затратам, транспортной массе и габаритным размерам оборудования, срокам исследований наи­более полно проявляются преимущества электротеплового способа бурения скважин плавлением с отбором керна, заключающиеся в минимальных значениях энергоемкости, массы, габаритных разме­ров используемого оборудования, в простоте и надежности его эксплуатации, максимальной механизации всех основных процес­сов и возможности их автоматизации.

Разработанная техника и технология беструбного бурения «сухих» скважин с применением термобуровых снарядов типа ТЭЛГА-14М на грузонесущем кабеле в настоящее время успешно используется для бурения исследовательских скважин с отбором керна. Для организации бурения скважин в научных походах в ЛГИ спроектирована и в 1977 г. построена передвижная буровая установка ПБУ-1 (рис. 4.8), представляющая собой каркасное строение с Л-образной мачтой, жестко связанное со стальными санями. Помещение вместе с полостью мачты утеплено пенопла­стом толщиной 100 мм и обшито изнутри и снаружи бакелитизи — рованной фанерой толщиной 5 мм. Размеры здания в плане 9X3,3 м, высота мачты 7 м. Установка оснащена каротажной лебедкой СКЛ-900 с двухскоростным редуктором и электродвига-

Рис. 4.8. Схема передвижной буровой установки ПБУ-1.

1 — топливный бак; 2—днзель-генератор (мощность 8 кВт); 8—спальные места; 4—печь; 5 — стол; 6—лебедка СК-Л-900; 7—щнт управления дизель-электрической станцией; 8 — пульт управ­ления снарядом; 9—опоры мачты; Ю—снаряд ТЭЛГА-14М в исходном положении; 11 — устье скважины; /,2—газовые баллоны; 18—слесарный верстак и инструмент; 14 — настольный станок;

/5—сварочный агрегат.

телем мощностью 5 кВт, дизель-генёратором, системой электри­ческого отопления и освещения, пультом управления.

С помощью ПБУ-1 термобуровыми снарядами типа ТЭЛГА — 14М в сезонные периоды с 17-й по 34-ю САЭ по трассам Мир­ный— Восток и Мирный — Купол С для изучения верхних гори­зонтов ледникового покрова пробурены с полным отбором керна 15 скважин (табл. 4.4). В настоящее время после перерыва, вы­званного организационными и техническими обстоятельствами, бу­рение в сезонный период в научных походах возобновилось с по­мощью нового передвижного бурового комплекса, включающего усовершенствованную передвижную буровую установку ПБУ-4, геофизическую лабораторию и жилой балок и позволяющего вести бурение как «сухих», так и заполненных незамерзающей жид­костью скважин глубиной до 1500 м.

В 33-ю САЭ на 105 км трассы Мирный — Восток новым буро­вым комплексом практически за 2 мес односменной работы была пройдена с отбором керна скважина глубиной 740 м.

В 34-ю САЭ за 1,5 мес в научном походе по маршруту Мир­ный — Восток гляциобуровым отрядом были пробурены с пол­ным отбором керна три скважины глубиной по 150 м соответ­ственно на 60-м, 140-м и 200-м километре трассы. Работы прово­дились в одну смену, средняя проходка за рейс составила 2,15 м, средняя скорость бурения 2,45 м/ч. Параллельно с бурением скважины выполнялся комплекс гляциологических исследований отобранных из керна проб снега, фирна и льда. После бурения скважины выполнялся комплекс геофизических исследований в ее стволе (термометрия, инклинометрия, кавернометрия).

Бурение скважин в антарктических научных походах и в сезонный период на ст. Восток Номер САЭ Год проведення Расстояние от обе. Мирный, км Глубина бурения, м Продолжи­ тельность бурения, сут 17 1972 57 0-50,5 3 17 1972 153 0-56,5 4 18 1973 353 0-76,0 7 20 1975 647 0-105,3 7 21 1976 647 0-181,0 10 22 1977 647 181,0-304,0 12 23 1978 647 304,0-430,0 15 24 1979 375 0-137,5 14 25 1980 375 0—320,0 21 26 1981 1045 0-306,0 14 33 1988 105 0—527,0 35 527,0-740,0 28 34 1989 60 0-150,5 10 34 1989 140 0-150,0 8 34 1989 200 0-150,8 11 34 1989 ст. Восток 0—180,0 21 35 1990 ст. Восток 0-138,0 11 35 1990 260 0—150,0 7 325 0-150,0 7 400 0-150,0 7

Примечание. Скважина на расстоянии от обе. Мирный 105 км в интервале 3)27,0 -740,0 м была залита низкотемпературной жидкостью. В остальных случаях скважины — были «сухими».

Общий объем бурения в научных походах к настоящему вре­мени превысил 3000 м.

Комментарии запрещены.