Чем бурят скважины - виды бурения

КАКИЕ БЫВАЮТ СКВАЖИНЫ!

Сначала посмотрим, куда приходится доставлять буровой станок. Его поднимают высоко в горы и опускают на дно океана, им исследованы все наши континенты, включая Антарктиду. Скважины бу­рят в жерле вулканов и гейзеров, с их помощью оценивают возмож­ность прогноза землетрясений.

Так, на Курильских островах в зоне тихоокеанского пояса актив­ной сейсмичности в 1976 г. было пробурено несколько скважин для получения пароводяной смеси. Тщательные наблюдения за уровнем воды в скважине дали любопытные результаты: падение уровня всегда предшествует подземному толчку. Чаще всего это происходит за 1—7 сут до начала грозного явления природы. Прогноз по сква­жине на этом не заканчивается. За несколько часов до землетрясе­ния уровень воды бурно поднимается. Диапазон изменения уровня может указывать на силу предстоящего толчка. Как важно своев­ременно предупредить население близлежащих городов и поселков!

В скважинах нуждаются археологи. Традиционные раскопки об­ходятся дорого, а их последовательность не всегда удается правильно спланировать. Предварительная оценка внутренностей обнаружен­ных под землей пустот, полостей, могильников или древних городищ оказывается возможной с помощью скважины. Через нее спускается перископ с элементами искусственного освещения. Наблюдения могут быть визуальными или с помощью фотосъемки. Такой метод позво­ляет сэкономить значительные средства и время.

На Камчатке в районе действующих вулканов скважины исполь­зуются для гидротермальной энергетики. Так, в Паужетке первая скважина, пробуренная в 1958 г., дала фонтан горячей воды и пара с температурой около 200 °С. Вода и пар приводят в движение турбины Паужетской ГеоТЭС, работающей более 10 лет.

Много лет горячей водой из скважин питается коммунальное хозяйство столицы Исландии Рейкьявика.

Скважины используются для подземных ядерных взрывов в мирных целях, например, для создания подземных газохранилищ, для увеличения трещиноватости горных пород в целях возбуждения при­тока нефти на старых и отработанных месторождениях.

Даже кладоискатели не обходятся без бурения. В Канаде на побережье Атлантического океана издавна привлекает своей неразгаданной тайной остров Оук. По рассказу А. Еременко, помощника капитана танкера «Белград», побывавшего в Канаде, еще в 1795 г. там был обнаружен колодец глубиной несколько десятков метрові тщательно засыпанный бревнами, глиной, древесным углем и коко­совой мочалкой. По нескольким версиям, колодец стал считаться хранилищем сокровищ древних ииков, английских монахов и пира­тов. В 1849 г. одна из экспедиций самодеятельных кладоискателей после безуспешных попыток откопать колодец (или, как его назвали, «мани пит» — денежная шахта) применяла бурение.

На глубине 30 м наконечник бура коснулся твердого предмета. Бурение еще нескольких наклонных скважин привело к обнаружению Подземных помещений. Работы прекратились.

Много позднее, в 1896 г., некий Фредерик Блайер снова воспользовался бурением. Он пробурил пять скважин глубиной до 46 м и, по словам удачливого кладоискателя, наткнулся на мягкий металл, пересыпающийся под буром, — возможно, золото.

В наше время тоже предпринимались попытки бурения в районе колодца. Последние такие опыты, и вновь неудачные, были в 1965— 1969 гг. Несмотря на возможности современной техники бурения п даже телевидения (в скважину спускались телекамеры), тайна остро­ва ие разгадана до сих пор.

Поиски легендарной Атлантиды также не обошлись без бурения. В восточной части Средиземного моря грунтоносами (полыми труб­ками для отбора проб со дна океана) были подняты колонки грунта со следами вулканического пепла. Слои пепла подтверждают вероят­ность нахождения Атлантиды среди островов одной из самой крупной в мире кальдеры Санторин. Санторинский архипелаг образо­вался около 3400 лет назад при катастрофическом взрыве вулкана того же названия.

Итальянский город Пиза известен своей знаменитой Падающей башней (начало ее строительства относится к 1173 г). Сейчас ско­рость наклона колокольни возросла почти до 8 угловых минут в год, и в предстоящие 50 лет башия должна упасть.

В одном из проектов по спасению башни предлагается система дренажных скважин. Оии размещаются в основании колокольни со стороны, обратной наклону. Путем откачки воды из скважин будет снижено давление в порах глинистого пласта. Согласно расчетам таким путем наклон башни удастся уменьшить на четверть градуса в год. Если полное выравнивание башни и не наступит, то стабили­зация угла наклона будет достигнута.

Ручное бурение использовалось для освобождения от льда точки Северного полюса: там была пробурена весной 1977 г. скважина во время работы экспедиции «Север» (рис.1). Скважина на полюсе — это интересно! Жаль только, что скважина пробурена в толще льда, а не на дне океана. Надо надеяться, и такое событие рано или поздно случится. Такая скважина во многих отношениях будет уникальной: куда бы ни отклонился ствол от вертикали, во всех случаях его направление будет на юг. Как тут поступить с инженерной до­кументацией без риска оставить ее вне рамок объективности? Тем не менее уже сейчас бурение на полюсе служит науке.

Больших успехов добились ученые при бурении дна океанов с плавучих буровых установок. Особый интерес вызывает бурение дна в одной из самых глубоких впаднн Мирового океана — Марианском желобе вблизи Филиппин. Рекордное бурение при глубине океана иад устьем скважины более 7 км (7034 м) впервые было проведено

с научно-исследовательского судна «Гломар Челленджер» в мае 1978 г. Ранее пробуренные скважины, также уникальные (их было 9), имели глубину 2637—6443 м.

Буровой наконечник во всех этих скважинах углубился в дно моря на глубину 20—559 м. В итоге исследований удалось получить богатейшие научные материалы, свидетельствующие о признаках активного взаимодействия океанских и континентальных горных пород, возраст которых исчисляется десятками миллионов лет. Из скважин был поднят керн редкой разновидности вулканических лав, охлажденных океанской водой.

Ученые пытаются бурить под водой подошву айсбергов. (И не где-нибудь в теплом океане, а возле Северного полюса!)

Буровики-гляциологи исследуют ледники на Памире на высоте свыше 5 км и вблизи Южного полюса с отбором образцов льда. Без бурения здесь невозможно было бы получить любопытные и не­ожиданные научные результаты.

Существенно новые результаты дало бурение скважин на дие океана в Антарктиде, иа ледниках Гренландии. Например, пробы льда, извлеченные буровым снарядом из ледников Гренландии с глубины 1,5 км, позволили изучить возраст ледяного покрова и по­следовательность отложений из атмосферных осадков, в том числе космической пыли. Так, 700 лет назад ее годовое количество поче­му-то было в 3 раза меньше...

Среди возможных многочисленных примеров бурения скважин в самых разнообразных отраслях науки и техники остановим внима­ние читателя на кратком перечне наиболее ярких случаев. Здесь прежде всего следует упомянуть бурение шахт большого диаметра, для которых созданы очень мощные и уникальные установки.

Скважины применяют для добычи минеральной воды на прослав­ленных курортах Боржоми, Ессентуки и в других местах.

В научных исследованиях загадок глубинных слоев нашей плане­ты скважина остается пока единственным надежным и доказательным средством подтверждения гипотез и предположений ученых. Здесь бурение — основной методический прием. Только скважина может решить загадку мантии, осветить закономерности распростра­нения тепла в недрах Земли и др.

Существуют проекты непосредственного проникновения с помощью скважины в магматический очаг, где температуры достигают свыше 1000 °С. Считается возможным уже в наше время бурнть скважины в недрах действующего вулкана. Для этого не обязательно начинать бурение в кипящем жерле: существующая техника по­зволяет бурить наклонные скважины из безопасного места и с очень большой точностью. Например, при глушении газовых или нефтяных фонтанов, в том числе и горящих, на нефтепромыслах часто бурят наклонную скважину для отвода струи неэагоревшегося газа или нефти. Техника управления наклонно направленной скважиной в пространстве настолько точна, что на глубине нескольких сот мет­ров скважина надежно попадает в аварийный ствол.

Изучение магматического очага в вулкане с помощью скважины может решать и другую, пожалуй, небывалую по дерзости, зада­чу — управлять характером извержения вплоть до его глушения с помощью воды, закачиваемой в скважину. Перегретый пар, обра­зующийся при этой операции, можно отводить через соседнюю сква­жину. Таким путем можно предотвратить еозможный взрыв, а пар использовать для технических и бытовых нужд.

Сведения о зоне расплава магматического очага непосредственно в скважине или по извлеченным образцам горных пород — кернов дали бы геологам неоценимую информацию о распространении и миграции химических элементов. А это очень важно для поисков и оценки закономерностей размещения в земной коре полезных иско­паемых, редких металлов и минералов, для решения множества дру­гих петрологических проблем.

Не случайно в последние 10—15 лет ученые придают огромное значение бурению сверхглубоких скважин, превышающих отметку 10—15 км. В таких скважинах заинтересованы геологи всех имею­щихся специальностей, ведущие поиски твердых, жидких или газо­образных полезных ископаемых. Не исключено, что только сверх­глубокие скважины позволят, наконец, решить уже вековой спор о происхождении иефти: органическом или неорганическом. Затихая и

И возобновляясь вновь после получения тех или иных новых интерес­ных материалов, подтверждающих ту или иную гипотезу, этот спор, начатый нашнм великим химиком Д. И. Менделеевым, не прекра­тился и поныне.

В сверхглубоких скважинах будет, очевидно, решена и загадка кимберлитовых трубок — родоначальниц алмазов.

• Недавно уральские геологи пробурили несколько скважин под древним Уральским хребтом. Неожиданно приборы показали снижение температуры по мере увеличения глубины. Этого почти нигде не наблюдалось. Так, на километровой отметке в районе Свердловска температура не поднималась выше 13 °С! Снова загадка, и поставлена она скважиной. Другими научными средствами такой результат получить бы не удалось. Как всегда бывает в подлинной иауке, каждый очередной удачный эксперимент не только отвечает на по­ставленные ранее вопросы, но (это особенно важно) выдвигает но­вые. Так случилось и на Урале.

Остается лишь удивляться необыкновенной изобретательности наших ученых, способных использовать все для получения новых научных результатов. Так, забой сверхглубокой скважины на глуби­не 15 км предполагается использовать для размещения научных приборов с целью измерения под мощной толщей горных пород потока частиц космического излучения высоких энергий. Полагают, что только в такой скважине будет возможно экспериментальное подтверждение гипотезы о существовании гравитационных волн. До сих пор подобные опыты удавалось провести лишь в глубоких шахтах. Глубина их не превышала 800—1500 м, что не вполне удовлетворяло ученых.

Стоит упомянуть о совершенно необычных применениях бурения. Все знают, как копают траншеи и канавы. Такие стройки немыслимы без канавокопателей, экскаваторов или драглайнов. Кажется, труд­но предложить в столь известном и хорошо изученном деле что-либо новое. Но вот на эту будничную операцию ученые из Московского геологоразведочного института посмотрели необычно и с выдумкой. В результате родился новый способ проходки. На рис. 2 показана проходка траншеи буровым способом. Как видно, комбинация двух буровых долот и шнека позволила получить прямоугольную в разрезе траншею на совершейно новой технологической основе.

А недавно мне довелось увидеть бурофрезериую установку для Разрыхления смерзшейся горной массы в железнодорожных вагонах. Замороженные в вагонах песок, щебень или руду разгрузить не так-то просто. Конструкторы разместили над железнодорожными ^пУтями в одном ряду по ширине вагона пять вращающихся шнеков. Они вгрызаются в монолит и дробят его за считанные минуты.

В геологической практике для геофизических изысканий и бурения мелких сейсмических скважии, количество которых огромно, а располагаются они чаще всего в труднодоступной местности, применяются специально оборудованные вертолеты. Буровые установки монтируются на фюзеляжах как двухвинтовых, так и одновинтовых вертолетов. Забой скважины при бурении очищается сжатым воздухом, нагнетаемым компрессором. В одновинтовых вертолетах вышка в транспортном положении располагается вдоль фюзеляжа, а при бурении поворачивается на шарнирах в вертикальное положение. Буровая установка создана из легкосплавных материалов, что об­легчает конструкцию установки и вертолет.

Еще одно необычное применение бурения. При строительстве трубопроводов для нефти и природного газа наибольшую трудность составляет сооружение водных переходов через реки. Переходы делаются в виде траншей на дне русла или подвешиваются иад рекой специальными опорами. В том и другом случае работы занимают много времени, сложны и дороги.

Рис. 3. Вращательный буровой станок мощностью в одну силу осла (90-е годы прошлого столетня, США)

Специальная буровая установка имеет вращатель, который при­водит в движение колонну бурильных труб, сильно наклоненную к горизонту. Бурение ведется коронкой небольшого размера. По окон­чании бурения после выхода долота на обратном берегу реки сква­жина расширяется до размера, необходимого для продвижения тру­бопровода вслед за колонной бурильных труб. Положение скважи­ны в пространстве контролируется специальным прибором. Сроки строительства перехода описанным способом были сокращены до одного месяца вместо обычных двух—шести. Новый метод сооруже­ния элементов трубопровода считается весьма перспективным, его называют методом будущего.

Цели и задачи бурения с каждым годом все более расширяются, а техника развивается еще стремительнее. Кажется, совсем недавно, несколько более 420 лет назад, Россия гордилась первой в мире скважиной, пробуренной станком с приводом от парового двигателя.

Она была построена в 1859 г. в селе Ерино близ Подольска. Всеми работами руководил горный инженер Г. Д. Романовский.

Между тем в Америке еще в 90-х годах прошлого столетия на промыслах можно было видеть привод буровой установки мощностью в одну лошадиную силу, а точнее сказать — в одну ослиную силу... (рис. 3).

История разведочного бурения скважин богата и уходит в далекое прошлое. Если же принять во внимание попытки человека использовать ротационный принцип сверления природного камия для изготовления предметов домашнего обихода типа сверленых бус, молотов, топоров, дверных опор — подшипников и мотыг, то истоки бу­рения сдвигаются в глубь ушедших веков.