Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

} Обширная область распространения современного оледене­ния нашей планеты сосредоточена в ее приполярных и высоко­горных районах и занимает площадь свыше 15,5 млн. км2 или около 10 % поверхности суши. Юбщий объем льда, мощность кото­рого в таких обширных покровных ледниках, как Антарктический и Гренландский, свыше 1000 м, достигает почти 28 млн. км3, что составляет приблизительно 70 % запасов всей пресной воды на Земле [52].

‘ Изучение современных ледников и ледниковых покровов имеет первостепенное значение для познания природы оледенения Земли в целом, а также многих других глобальных явлений природы. В то же время, ледниковые области — это наименее изученные районы с практически не выявленными природными богатствами, но весьма перспективные в смысле их возможного обнаружения и комплексного освоения в обозримом будущем. Гляциологические исследования в этих областях земного шара имеют важнейшее значение, поскольку мощные ледовые толщи определяют все осо­бенности окружающей среды и многие трудности ее освоения.

В последние десятилетия интенсивные исследования разверну­лись по изучению самого обширного на нашей планете леднико­вого покрова Антарктиды, роль которого в формировании климата и водного баланса земного шара, в механизме энергетических свя­зей с другими природными процессами Южного полушария и Земли в целом все яснее проявляется по мере развития планетар­ной геофизики. Ведущие государства мира с каждым годом все больше средств вкладывают в проведение комплексных исследо­ваний в этом районе, стремясь здесь из-за сложности организации и высокой стоимости проведения работ к более тесному междуна­родному сотрудничеству, к кооперированию исследований и кон­центрации усилий на тематических проектах. !

Основные советские исследования в области антарктической гляциологии связаны в последние годы с Международным антарк­тическим гляциологическим проектом (МАГП), главными зада­чами которого являются изучение режима и условий формирова­ния ледникового покрова, реконструкция разных стадий его раз­вития, исследование его взаимодействия с атмосферой и Мировым океаном, выяснение явлений природного и антропогенного

«спешное решение поставленных задач оказалось возможным благодаря созданию и внедрению в практику полевых гляциоло­гических исследований новых методов и технических средств, среди которых особое место по информативности и комплексности изуче­ния занимает бурение скважин с отбором проб льда, жидкости и газд^ Комплексные исследования извлеченного с различных глу­бин керна льда, газообразных, жидкостных и других проб в соче­тании с последующими геофизическими измерениями и наблюде­ниями в скважинах позволяют изучать закономерности накопления и движения ледовых масс, сложные процесы их взаимодей­ствия с подстилающим горным массивом, атмосферой и океаном, влияние климатических условий на процесс формирования и раз­вития ледников и т. д. Большую ценность для изучения истории развития Земли представляют накопленные в течение десятков и сотен тысячелетий и сохранившиеся в низкотемпературном льду практически без изменений различные включения земного и вне­земного происхождения: пузырьки древнего воздуха, вулканиче­ский пепел, метеоритные частицы, земная и космическая пыль, пыльца, споры, бактерии и др. |

Бурение скважин в перекрывающих земную поверхность снеж­но-фирновых и ледовых отложениях быстро приобретает при­кладное значение для геологического изучения, инженерных изы­сканий, промышленного и хозяйственного освоения полярных и высокогорных районов. Однако эти районы Земли как потенци­альные объекты практической деятельности человека в ближай­шем будущем характеризуются неповторимым сочетанием небла­гоприятных условий: почти сплошной ледяной покров на суше и тяжелые льды на шельфе, низкие отрицательные температуры, чрезвычайная отдаленность от пунктов снабжения, специфические транспортные условия, полное отсутствие инфраструктуры и др.

Поэтому, несмотря на техническую возможность применения традиционных механических способов бурения с использованием, бурильных труб для передачи энергии породоразрушающему ин­струменту и обеспечения циркуляции промывочной среды для очи­стки забоя скважины от продуктов его разрушения, специфиче­ские условия проведения работ требуют создания новых техноло­гий, технических средств и организационных структур бурения для этих районов.

Удовлетворяющий этим специфическим условиям способ буре­ния при минимальных размерах, массе и энергетических затратах оборудования должен обеспечивать возможность проходки сква­жин глубиной от несколько сотен до 3—4 тыс. м с полным отбо­ром керна достаточно большого диаметра (до 125 мм). Отече­ственными и зарубежными исследователями эта проблема решает­ся путем создания облегченных передвижных и стационарных установок с комплектом спуско-подъемного оборудования для ра­
боты с полуавтономными колонковыми электромеханическими или электротепловыми снарядами на грузонесущем кабеле [2, 19, 20].

Электротепловой колонковый буровой снаряд обладает тем преимуществом, что он не вращается и не требует сложной си­стемы восприятия реактивного момента, отличается простотой кон­струкции и обслуживания, надежностью в эксплуатации и дли­тельным сроком работы.

Тепловой метод бурения плавлением скважин был успешно опробован еще в конце прошлого столетия при изучении альпий­ских ледников и в настоящее время получил широкое распростра­нение при гляциологических исследованиях, проводимых как в Арктике, так и в Антарктиде.

В основе теплового метода бурения плавлением скважин в снежно-фирновых и ледовых отложениях лежат специфические, свойства льда как горной породы, заключающиеся прежде всего в низкой температуре его плавления и сравнительно невысоких за­тратах энергии на фазовый переход воды из твердого в жидкое состояние.

Плавление льда в процессе бурения может осуществляться как за счет конвективного теплообмена с высокотемпературным пото­ком жидкости или газа, так и за счет контакта с твердой поверх­ностью нагревательного устройства (теплового пенетратора). Из­вестны случаи практического использования при бурении скважин во льду горячей воды, перегретого пара [2, 72, 73] и высоко­температурных продуктов сгорания, получаемых в специальных воздушно-бензиновых или воздушно-керосиновых горелках [2, 72, 79]. Высокотемпературные газовые или жидкостные потоки не только расплавляют или испаряют лед в зоне забоя, но и выносят продукты фазовых превращений на поверхность, оплавляя стенки скважины. Однако эффективность данного варианта теплового спо­соба бурения резко падает с увеличением глубины скважины, в низкотемпературных толщах льда и при необходимости получе­ния высококачественного керна. |

г Более широкое распространений прчи бурении скважин в снеж- но-фирновых и ледовых отложениях-‘Люлучило контактное буре­ние плавлением с помощью специальных термобуровых снарядов. Простейший термобуровой снаряд представляет собой цилиндри­ческий корпус с электрическим нагревательным устройством (теп­ловым пенетратором) на рабочем торце. Снаряд спускается в скважину на специальном грузонесущем кабеле, по которому с поверхности подается электрическая энергия. При колонковом бу­рении для получения керна нагревательное устройство (пенетра — тор) выполнено в форме кольца, а в состав снаряда дополнитель­но включается полая тонкостенная керноприемная труба. Предель­ная простота и надежность конструкции и технологии бурения плавлением такими снарядами в снежно-фирновых (пористых) от­ложениях были достигнуты благодаря тому, что образующаяся на забое при плавлении вода через поры уходит в окружающий
скважину массив, закрепляя стенки скважины при последующем замерзании и оставляя скважину практически сухой [22].

С увеличением глубины бурения происходит изменение струк­туры снежно-фирновой толщи и переход ее в плотный, непрони­цаемый лед, при этом образующаяся в процессе плавления вода накапливается в призабойной зоне, условия теплопередачи к по­верхности забоя ухудшаются, а тепловые потери, связанные с пе­регревом воды, вынужденным увеличением диаметра скважины и отводом тепла в окружающий скважину ледовый массив, возрас­тают. Скорость бурения резко падает, керн сильно и неравно­мерно оплавляется: вода, поднимаясь выше нагревательного уст­ройства, начинает замерзать на стенках скважины. ‘ При низких естественных температурах ледовой толщи происходит сужение ствола скважины и даже примерзание снаряда к ее стенкам, что осложняет его извлечение и часто приводит к серьезным авариям. С целью бурения в этих условиях глубоких скважин возникает не­обходимость в разработке системы удаления талой воды из зоны забоя и заполнения скважины специальным незамерзающим рас­твором (антифризом) для создания необходимого противодавле­ния на стенки скважины с целью поддержания их длительной устойчивости. Все это в значительной степени усложняет конструк­цию термобуровых снарядов и технологию бурения плавлением, требует применения специального поверхностного оборудования и аппаратуры для управления процессами плавления льда и очи­стки забоя скважины от талой воды, а также производства спуско­подъемных операций.

Учитывая, что при глубоком бурении возникает необходимость в заполнении скважины незамерзающим раствором для поддер­жания длительной устойчивости ее ствола, а также в бурении под­стилающих ледовый массив горных пород, более общим решением поставленной задачи является разработка высокопроизводитель­ного электромеханического колонкового бурового снаряда на грузо — несущем кабеле с системой призабойной местной циркуляции и внутренним шламосборником. ч

Плановое и целенаправленное создание технических средств и технологических приемов бурения льда в нашей стране было на­чато в Советской антарктической экспедиции в конце 50-х годов и получило свое дальнейшее развитие в 60—80-х годах в работах коллективов Арктического и Антарктического научно-исследова­тельского и Ленинградского горного институтов.

Если к настоящему времени разработку техники и технологии бурения плавлением скважин с помощью колонковых термобуро­вых снарядов на грузонесущем кабеле в ледовых толщах можно считать практически освоенной, то наиболее сложная по условиям задача бурения скважины через всю ледниковую толщу в цен­тральной части Восточной Антарктиды (ст. Восток, мощность лед­ника около 4000 м) и проникновения в подстилающие горные по­роды еще требует своего окончательного решения.

Комментарии запрещены.