Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Одной из главных проблем бурения глубоких скважин яв­ляется задача обеспечения длительной устойчивости открытого ствола в породах, способных к пластическим деформациям под действием горного давления [50, 54, 55]. Специфические особен­ности льда как нелинейной реологической среды, обладающей текучестью даже при небольших напряжениях, определяют необхо­димость решения этой проблемы уже для скважин, глубина кото­рых составляет первые сотни метров, когда существенно увеличи­ваются разность между горным и гидростатическим давлением на стенки скважины и продолжительность действия возникающих при этом напряжений, возрастает температура льда [2, 32, 49].

Как показали результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на кафедре ТТБС ЛГИ [32—34], успешное решение задачи обеспечения длительной устойчивости

пробуренного в ледовой толще открытого ствола скважины воз­можно только при его заполнении специальной незамерзающей жидкостью, гидростатическое давление которой на стенки сква­жины в зависимости от условий (напряженное состояние, темпе­ратура, реологические свойства льда, технология бурения и пр.) будет полностью или частично компенсировать горное давление в течение всего времени сооружения и исследования скважины.

Использование при сооружении глубоких скважин низкотемпе­ратурной заливочной жидкости требует в свою очередь совершен­ствования технических средств и технологических приемов бурения плавлением. Это ‘прежде всего относится к повышению эффек­тивности процессов разрушения льда на забое скважины тепло­вым или механическим способами, работы системы удаления воды из зоны забоя, к качеству получаемого кернового материала, к на­дежности работы электрических нагревательных элементов, устройств, цепей и соединений в залитой жидкостью скважине, к предупреждению возможных осложнений. Увеличение глубины бурения требует применения более сложного и энергоемкого спуско-подъемного оборудования, разработки надежной системы контроля и управления буровыми процессами, их автоматизации, создания специального грузонесущего кабеля и решения многих других организационно-технических задач.

В соответствии с технологическими особенностями процесса бурения скважин в низкотемпературной ледовой толще колонко­выми электротепловыми и электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле, температурными условиями, теплофизиче­скими и механическими свойствами льда заливочная жидкость должна иметь низкую температуру замерзания (структурообразо — вания), достаточную плотность для создания необходимого гидро­статического давления, низкую вязкость в диапазоне отрицатель­ных рабочих температур, минимальное физико-химическое взаи­модействие со льдом. Кроме того, заливочная жидкость должна обеспечить эффективный процесс очистки скважины от продуктов разрушения забоя (воды или ледового шлама), а также удовлет­ворять целому ряду технических требований, включающих мини­мальное коррозионное воздействие на буровой инструмент и оборудование, допускаемую санитарными нормами токсичность, безопасность в пожарном отношении. Основные компоненты зали­вочной жидкости должны быть доступными, недорогими, транс­портабельными и допускающими длительное хранение.

В той или иной мере, как показал проведенный анализ, выше­перечисленным требованиям могут отвечать два класса жидко­стей:

‘ — солевые или спиртовые (антифризные) растворы на водной основе;

— гидрофобные растворы на углеводородной основе.

Применение солевых растворов ограничено температурой кри­сталлизации и высокой концентрацией солей в диапазоне отрица­тельных температур, что делает их вязкими малоподвижными

Рис. 4.9. Зависимость концентрации эвтек­тического водного раствора этиленглнколя от температуры.

/ — начало кристаллизации; 2—пастообразное сос­тояние; 3 —малоподвижное состояние; 4—твердое состояние.

жидкостями, активно взаимодейст­вующими со льдом и водой, а по — этому обладающими низкой ста­бильностью, большим коррозион­ным воздействием на металлы. Все это не позволяет практически при­менять их при бурении в ледовых толщах.

Более широкое применение при бурении в ледниках и ледниковых покровах получили водные раство­ры антифризов на основе этилово — 20 40 60 80 100 го спирта и этиленглнколя [22, 33].

Шцетрация этиленгликот В Воде, об. % Обладая низкими температурами

начала кристаллизации (эвтектиче­ские точки), достаточной плотностью. для ледовых толщ, низкой вязкостью при отрицательных температурах, а также удовлетво­ряя целому ряду других технических требований, они в то же вре­мя активно взаимодействуют со льдом и водой, растворяя послед­ние до создания в скважине отвечающего данным условиям (тем­пературе и давлению) равновесного эвтектического раствора (рис. 4.9). Последнее свойство в известной степени облегчает ре­шение проблемы очистки скважины от продуктов разрушения льда. С этой целью в зону забоя доставляется концентрированный спирто-водный раствор, который растворяет образующуюся при бурении воду или ледовый шлам. Однако в условиях низких от­рицательных температур ледовых отложений необходимое для этого количество концентрированного этиленглнколя и спирта рез­ко возрастает.

Эффективность применения данной технологии при использо­вании раствора этиленглнколя по мнению американских исследо­вателей ограничена температурой —30°С [72, 73]. В условиях больших температурных перепадов и циклических тепловых воз­мущений, характерных для бурения скважин плавлением, химиче­ская активность спирто-водных растворов приводит к растворению стенок скважины и керна концентрированным раствором при по­вышенных температурах и интенсивному выпадению кристаллов льда и шугообразованию в растворах с понижением концентра­ции и температуры (при спуско-подъемных операциях, исследова­ниях скважины, простоях и пр.). По этой причине с увеличением глубины бурения возникают осложнения, связанные с затяжками и прихватами снаряда в скважине, особенно после непродолжи­
тельных простоев [19, 22]. Этим в основном объясняется то об­стоятельство, что до сих пор не удалось сохранять длительное время скважины, пройденные с использованием спирто-водных растворов.

При бурении низкотемпературных ледовых толщ применение спирто-водных растворов явно неэффективно, однако для про­ходки сравнительно неглубоких скважин при температуре льда не ниже —30 °С эти растворы могут найти применение, так как позволяют упростить конструкцию буровых снарядов, технологиче­ский процесс бурения и повысить технико-экономические показа­тели [21,22].

В проблемной лаборатории горной теплофизики ЛГИ прове­дены исследования по выбору и определению основных технологи­ческих и эксплуатационных свойств низкотемпературной заливоч­ной жидкости на углеводородной основе [33, 34]. В качестве угле­водородной основы было выбрано авиационное топливо марки ТС-1 по ГОСТ 102227—86, а в качестве утяжелителей исследова­лась возможность применения тетрабромэтана, трихлорэтилена и фреона-11 (хладон-11). В процессе экспериментальных исследо­ваний, проводившихся в холодильной камере НЕМА в диапазоне температур от +20 до —55 °С, определялись морозостойкость, плотность, вязкость, стабильность, взаимодействие с водой и льдом различных испытываемых составов.

По результатам исследований лучшее соответствие требова­ниям, предъявляемым к жидкостям для бурения глубоких сква­жин в низкотемпературных ледовых толщах, показали растворы ТС-1 с хладоном-11. Добавление хладона-11 одновременно с по­вышением плотности в значительной степени снижало вязкость в интервале низких отрицательных температур. Полученная смесь обладала хорошей стабильностью и малой токсичностью. Хладон — 11 широко используется в народном хозяйстве, недорогой, в по­жарном отношении безопасен (используется в противопожарных целях), может перевозиться любым видом транспорта в метал­лических бочках, не теряет свойств при длительном хране­нии.

Возможность регулирования в широком диапазоне плотности раствора ТС-1 с хладоном-11 при сохранении его стабильности, низкой вязкости, инертности по отношению к слагающим стенки скважины ледовым толщам и продуктам их разрушения не только обеспечивает устойчивость стенок скважины в процессе ее буре­ния и при проведении различного рода исследований, но и позво­ляет разработать эффективную технологию удаления продуктов разрушения из зоны забоя с помощью призабойной циркуляции, создаваемой полуавтономиыми буровыми снарядами на грузонесу — щем кабеле. Разработанная заливочная жидкость защищена ав­торским свидетельством [33]. Свойства некоторых заливочных жидкостей и их компонентов приведены в табл. 4.5, а зависимость изменения плотности и вязкости раствора ТС-1 с хладоном-11 от температуры показана на рис. 4.10.

Для расчета необходимой плотности заливочной жидкости, обеспечивающей за счет создания в скважине гидростатического противодавления на ее стенки допустимую по технологическим соображениям скорость сужения ствола, с учетом конкретных ус­ловий бурения и реологических характеристик ледовой толщи для внутриконтинентальной антарктической станции получена следую­щая аналитическая зависимость [49]:

gpл (Н — 300) + {2,39 — а [1п /?0/^т/(Л (т)]1’0} • Ю6 8 (// — Я„)

(4.35)

где рж и рл — плотность заливочной жидкости и льда, кг/м3; Я — глубина скважины, м; //0-—незаполненный жидкостью интервал скважины, м; /?0 и /?т—начальный и текущий (допустимый) ра­диусы скважины, м; А и а — реологические коэффициенты закона течения льда, определяемые экспериментально или по известным приближенным реологическим моделям; т — длительность про­цесса деформации, год.

В выражении (4.35) горное давление для верхней переходной 300-метровой зоны (снег, фирн, лед) для условий станции Восток

в Антарктиде определялось в 2,39 МПа [34], значения степенного показателя закона течения льда по данным [47] принято равным 3,5, а величина А может быть определена из экспериментальных данных, приведенных в работе [49].

При средней плотности льда на глубинах свыше 300 м рл,= = 918 кг/м3 и значении Я0=Ю0 м максимальная плотность за­ливочной жидкости при глубине скважины 3500 м не должна пре­вышать 910 кг/м3 при Яо/Ят ^0,99.

Комментарии запрещены.