Технология бурения Кольской сверхглубокой скважины

Бурение глубокой скважины

Бурение глубокой скважины и тем более сверхглубокой — сложное и дорогое предприятие. В мировой практике глубокие скважины бурят очень мощными и дорогими установками грузоподъемностью 600-800 тонн.

Таких установок изготовлено до сих пор всего несколько штук, меньше, чем пальцев на одной руке.

Наш проект предусматривает проводку скважины большой глубины с помощью обычной буровой установки.

При этом сохраняется классическая схема разрушения и выноса породы на поверхность земли, но применяются новые технологические приемы, некоторые новые инструменты и, главное, новый подход к проблеме глубокого бурения.

Важнейший элемент в комплексе оборудования — буровые насосы, заставляющие буровой (глинистый) раствор под большим давлением циркулировать вниз по бурильным трубам, а затем вверх по кольцевому зазору между колонной труб и стенками скважины.

Энергия насосов преобразуется в полезную работу турбобура, вращающего на забое долото, и обеспечивает подъем разбуренной породы на поверхность земли.

Выходящий из Кольской сверхглубокой скважины раствор очищают от кусочков породы и вновь закачивают в бурильные трубы. Циркуляция идет по замкнутому циклу.

Если вы окажетесь на буровой во время подъема бурильной колонны, то увидите внутри вышки вертикальные ряды «свечей» — отдельные трубы, на которые расчленяется колонна. Обычно колонну составляют «свечи» высотой 36 метров. Их диаметр  около 15 сантиметров.

Износилось долото — поднимают всю колонну, навинчивают новое и в обратном порядке спускают «свечи» в скважину. Таких рейсов при бурении глубоких скважин долото делает несколько сотен, а при проходке сверхглубоких — более тысячи!

При этом надо сохранить вертикальность ствола в пределах определенных допусков, своевременно закреплять вскрытые породы обсадными трубами, отбирать с забоя образцы породы — керны, проводить комплекс внутрискважинных геофизических исследований и многие другие работы.

Буровая для проходки глубокой скважины — по сути дела, большой современный завод. Весь комплекс оборудования предназначается для того, чтобы пробурить в земной коре неширокий цилиндрический ход длиной в несколько километров. Это всего лишь укол в недра Земли. Но как трудно его сделать…

Обычно глубокую скважину начинают бурить  долотом большого диаметра. Бурение ведут до тех пор, пока в скважине не появляются какие-либо осложнения (приток воды, нефти и газа, уходы бурового раствора, обвалы стенок), делающие невозможным дальнейшее углубление скважины.

Тогда в ствол спускают специальные трубы, а пространство между трубами и стенками скважины заливают цементным раствором.

Теперь скважина одета в броню, и бурение можно продолжать (долотами несколько меньшего диаметра) до тех пор, пока какие-либо новые осложнения не преградят путь долоту.

 Тогда в скважину спускают и цементируют еще одну колонну труб, меньшим диаметром, чем первая. Таких труб в скважину спускают столько, сколько встретится зон осложнений.

Каждая глубокая скважина похожа на подземный телескоп, направленный в сторону, противоположную от звезд. По количеству ступеней (труб) в этом телескопе судят о степени сложности и дороговизне бурения.

Заранее определить нужное количество звеньев телескопа и соотношения их размеров очень трудно. Практически невозможно предсказать, на какой глубине произойдет осложнение, которое потребует спуска в скважину обсадной колонны — очередного звена телескопа.

Недра очень изменчивы: буквально соседние скважины могут отличаться друг от друга по условиям проходки. То неожиданно встретится напорный водоносный горизонт, от которого следует оградиться обсадными трубами, то попадется прослойка трещиноватых пород, и буровой раствор начнет утекать по ним вместо того, чтобы уносить наверх разрушенную породу, то вдруг стенки скважины начнут обрушиваться, то образуются каверны…

Невозможно предусмотреть все трудности на будущем подземном пути. Направляясь в путешествие, космонавты, наверное, больше знают о своих трассах, чем атакующие земные недра буровики…

Ведь не случайно сейчас в лабораториях многих стран ученые заняты исследованием кернового материала, доставленного с Луны советскими и американскими летательными аппаратами, но ни в одной лаборатории мира пока нет образцов земных пород, извлеченных из глубины хотя бы 10 километров!

Кольская сверхглубокая: технология бурения

Для СГ-3 требовалось разработать такую технологию, которая обеспечивала бы свободу маневра в случае каких-либо осложнений на глубине.

Была предложена новая технологическая схема — бурение опережающим стволом. Что это такое?

Кольскую сверхглубокую начали проходить долотом диаметром 920 миллиметров. Углубились на 40 метров и обсадили пройденный отрезок трубами 720 миллиметров.

Затем в отличие от общепринятой технологии спустили в скважину еще одну металлическую колонну диаметром 245 миллиметров.

Ее не укрепляли и не цементировали. Получилось нечто вроде защитного чехла — колонна в колонне. Причем внутреннюю, несцементированную колонну при необходимости можно извлечь. И только после этого, следуя новой технологии, началось продвижение в недра СГ-3 открытым стволом.

Диаметр бура взяли небольшой (214 миллиметров). Это дает, во-первых, наилучшие технико-экономические показатели, а во-вторых, если где-то на глубине встретится осложнение (каверна, водоносный слой и т. п.), то ствол можно будет расширить и перекрыть звеном телескопа, выбранным с учетом реальных условий, а не по умозрительным предположениям.

Таким образом, стратегией бурения СГ-3 предусматривалась проходка открытым опережающим стволом на максимальную глубину при минимальном диаметре долота с тем, чтобы не исчерпать все звенья телескопа преждевременно.

Был ли в этом риск? Ведь чем больше глубина, тем сильнее давление вышележащих земных слоев и тем больше напряжение на стенках открытого ствола. Опасность того, что в открытом стволе породы могут обрушиться и завалить ствол, увеличивается с глубиной еще и от физико-химического воздействия промывочной жидкости, и от трения бурильных труб о стенки скважины, и оттого, что с глубиной растет температура окружающей среды.

Конечно, определенный риск был, но не безрассудный, а с трезвым расчетом, обоснованным всем опытом нашего института и буровиков Кольской геологоразведочной экспедиции. Оставив ствол «голым», мы сохранили за собой свободу маневра на больших глубинах. И такая нужда пришла.

Когда шло бурение Кольской сверхглубокой на глубине 5300 метров, на отметке 1800 метров начались опасные кавернообразования — разрушение породы. Противостоящий маневр состоял в том, что скважину с 40 и до 2000 метров расширили долотами диаметром 394 миллиметра, а затем весь этот участок обсадили 325-миллиметровыми трубами. Место, на котором произошло осложнение, оказалось за металлической стенкой.

Теперь сверхглубокая стала похожей на телескоп: до 40 метров шло его широкое основание, дальше до 2000 метров выдвинулась труба диаметром поменьше. Удлинилась и съемная колонна — обсадные трубы диаметром 245 миллиметров продлили до 2000 метров.

Буровой телескоп может иметь довольно большой начальный диаметр и вполне определенный конечный. Поэтому стратегия бурения первым делом предусматривала как можно глубже бурить долотами наименьшего диаметра — 214 миллиметров.

Вот почему в ход пустили это же долото и достигли глубины 7263 метра. Впервые в мировой практике проходка «голым» стволом составила более 5200 метров. У буровиков на Кольской сверхглубокой в запасе осталось еще одно звено телескопа, что для столь глубокой скважины — большое достижение.

Несцементированные трубы съемной колонны 245 миллиметров играют роль первой оборонительной линии. Внутри них движется вверх-вниз буровой инструмент, течет буровой раствор.

Конечно, трубы изнашиваются, протираются, но зато не подвергаются износу стоящие за ними цементированные трубы. Их-то извлечь нельзя, и если бы они оказались протертыми, то мечте о 15-километровой глубине — конец.

А съемную колонну можно заменить. Сейчас, после окончания первого этапа бурения СГ-3, ее извлекли — трубы оказались с предельным износом. Перед тем, как начать следующий этап бурения, в скважину опустят новую съемную колонну.