Как известно, с увеличением глубины температура горных пород повышается. Геотермический градиент определяет величину роста температуры на каждые сто метров глубины. Градиент изменяется в различных регионах из-за особенностей структуры земной коры. Нарастание температуры с глубиной составляет от 0,2 до 3,5°C на сто метров разреза в зависимости от бассейна осадконакопления и литологии пород.
Средний геотермический градиент принимается равным +3°C. Среднегодовая температура поверхности земной коры составляет около +15°C. Исходя из среднего значения геотермического градиента, температура подошвы земной коры должна приближаться к 1000°C.
Наибольшее значение геотермический градиент имеет в вулканических породах. Также на больших глубинах появляются аномальные зоны с высокими температурами. В знаменитой Кольской сверхглубокой скважине температура на глубине 12 км составляла 212°C вместо ожидаемых 120°C.
Обеспечение работоспособности бурильного инструмента при проходке глубоких и сверхглубоких скважин является одной из наиболее сложных задач, так как термостойкость традиционного оборудования не превышает 200 - 300°C.
Серьезной проблемой при глубоком бурении является также самопроизвольное искривление ствола скважины из-за неравномерного разрушения пород на забое. При прохождении наклонных пластов различной плотности буровое долото обязательно отклоняется в сторону менее прочных пород. Например, забой Кольской сверхглубокой ушел в сторону от устья на 840 метров.
Традиционные скважины различного назначения имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают долотом большого диаметра, а затем переходят на меньшие. Кольская скважина имеет на устье диаметр 920 мм, а на забое – 215 мм.
Подробнее о конструкции скважины можно почитать в статье: «Крепление скважины».
Кроме механических способов бурения, при которых разрушающий инструмент непосредственно воздействует на породу существуют и немеханические способы.
На открытых горных работах для проходки взрывных скважин применяют термическое бурение. При термобурении породоразрушающим инструментом является термобур или плазмобур. В плазмобуре источником раскаленной плазмы служит электродуговой разряд. Плазмобур разрушает породу в режимах хрупкого шелушения и плавления при температурах от 300 до 600°C.
Термобур воздействует на горную породу сверхзвуковой высокотемпературной газовой струей, образующейся при сгорании топлива в окислителе. Топливом может быть керосин, бензин, метан, дизельное топливо. А окислителем – кислород или воздух.
Топливо сжигается в камере сгорания термобура. Газы от сгоревшего топлива выносятся и направляются на породу через сопло Лаваля со скоростью 2 000 метров в секунду. Такие термобуры используют для бурения шпуров и они бывают ручными или станковыми с рабочим диаметрами от 100 мм до 160 мм.
Изобретатель Мирсултан Гашимов из Сумгаита предложил идею и запатентовал: «Способ термического бурения вертикальных скважин в земной коре и твердотопливный бур Гашимова для его осуществления, а также способ скважинной парогенерации с использованием глубинного тепла земли» (RU2004109981A).
Рассмотрим подробнее этот интересный проект.
Термическое бурение твердотопливным буром Гашимова (ТБГ) вертикальной скважины производится высокоскоростной струей раскаленных газов образующихся при сгорании твердого ракетного топлива. Такая струя может плавить и испарять любую горную породу. Необходимо лишь определить температуру и скорость струи. И подобрать подходящее топливо.
Корпус ТБГ представляет собой стальной или титановый цилиндр длиной со стандартную бурильную или обсадную трубу. Корпус по всей длине заполняется твердым ракетным топливом и твердым окислителем. Внутри корпуса устраивается камера сгорания, вверху которой устанавливается запальник. Внизу камера сгорания переходит в сопло Лаваля.
Корпус помещен в цилиндрический стальной кожух или футляр, который снаружи изолируется теплозащитным покрытием. В кольцевой зазор между корпусом и кожухом подается вода для охлаждения. Воду нагнетают по центральной гибкой линии, внутри которой проложен несущий кабель-трос также охлаждаемый этой водой. Кабель-трос служит для спуско-подъема термобура и на нем висит вся его конструкция. По кабель-тросу с устьевого диспетчерского пульта производится управление и контроль работы ТБГ.
По обратной гибкой линии горячая вода из кольцевого пространства термобура поднимается на устье скважины, охлаждается и вновь поступает к термобуру. Так производится теплосъем.
ТБГ висит над забоем скважины на определенном расстоянии и конусообразной реактивной струей раскаленных газов плавит и испаряет породу. Раскаленные газы обладающие большой кинетической энергией разрушают горную породу тепловым и механическим воздействием. Горная минеральная среда шелушится и отслаивается, плавится и переходит в газообразное состояние.
Для повышения эффективности процесса разрушения породы по периметру среза сопла в реактивную струю подается сжатый воздух, обогащенный кислородом. Для подачи воздуха конструкция оборудуется еще одной гибкой линией.
Конусообразная газовая струя, разрушая породу создает ствол скважины большего диаметра, чем диаметр ТБГ. Это делается для свободного прохода обсадной колонны.
Строительство вертикальной скважины с применением термобура начинают с обычного роторного бурения интервалов под направление и кондуктор. Направление и кондуктор крепят обсадными колоннами с цементированием.
После цементирования обсадной колонны кондуктора, в кондуктор опускают следующую обсадную колонну до забоя. В кольцевое пространство между этой колонной и кондуктором закачивают асбестоцементный раствор. Далее проходку скважины производят термобуром, предварительно приподняв конец обсадной колонны над забоем на расчетную высоту для обеспечения условий термобурения.
Подготовленный к бурению термобур на кабель-тросе с гибкой водяной линией спускают в скважину и срез его сопла фиксируют на расчетном расстоянии от забоя.
С устья скважины по этой гибкой линии подают воду в кожух ТБГ и обеспечивают циркуляцию в системе охлаждения.
Затем подают сжатый воздух к срезу сопла Лаваля по гибкому воздуховоду.
После этого с пульта управления запальником поджигают топливо в камере сгорания термобура и начинают бурение.
По мере углубления термобур постепенно опускают в скважину и бурение продолжают до полного выгорания топлива. Затем термобур поднимают на устье и извлекают из скважины.
При подъеме термобура продолжают подачу воздуха к срезу сопла. Таким образом производится обдув обсадной колонны для ее очистки.
После разборки устьевого лубрикаторного узла и извлечения термобура обсадную колонну наращивают и с попеременным проворачиванием спускают на глубину пробуренного интервала.
Затем начинают следующий цикл проходки. Помещают в скважину заряженный топливом ТБГ, монтирует устьевой лубрикаторный узел и опускают термобур к забою. Таким образом, поинтервально, углубляют скважину до проектной отметки.
Так как термобур при работе свободно висит на кабель-тросе скважина на всем ее протяжении будет совершенно вертикальной и будет иметь по всей длине одинаковый диаметр.
С помощью ТБГ можно бурить сверхглубокие скважины большого диаметра. Глубина бурения будет ограничена лишь несущими способностями кабель-троса, вспомогательных линий и грузоподъемностью буровой установки.
Термобурение по Гашимову предназначено для строительства глубоких и сверхглубоких скважин с последующим спуском в них скважинных парогенераторов, использующих земное тепло.
О геотермальной энергетике подробнее можно почитать в статье: «Геотермальная энергетика.»
Понятно, что термобурение не может применяться для вскрытия нефтегазоносных горизонтов или для научного бурения с отбором керна.
Для реализации перспективной идеи Гашимова потребуется роторная буровая установка глубокого бурения, оборудованная дополнительными механизмами и конструкциями.
После термопроходки обсадную колонну нужно опускать на глубину пробуренного интервала. Поэтому эксплуатационная колонна должна наращиваться. Колонну при бурении удерживает спайдер-элеватор, установленный на роторе. После выгорания топлива в термобуре и извлечения его из скважины обсадную трубу для наращивания поднимают элеватором и вкручивают в муфту колонны. Периодическое прокручивание обсадной колонны при спуске осуществляют ротором.
Подробнее о спуско-подъемных операциях (СПО) и наращивании бурильного инструмента и обсадной колонны можно почитать в статье: «Спуско-подъемные операции в бурении».
Для проведения СПО с термобуром на кабель-тросе, помещенном в гибкую трубу буровая установка оборудуется специальной лебедкой и направляющей дугой. Барабан лебедки имеет вертлюг позволяющий прокачивать по гибкой трубе воду при одновременно вращении барабана. При этом кабель-трос через вертлюг соединяется с пультом управления.
На барабан второй дополнительной лебедки наматывается гибкая труба-обратка с горячей водой. Горячая вода через вертлюг барабана направляется в систему охлаждения и затем в нагнетательную линию.
Третья дополнительная лебедка предназначена для подачи к термобуру воздуха. Через вертлюг барабана этой лебедки по гибкой трубе нагнетается воздух.
При СПО все три дополнительные лебедки работают в автоматизированном режиме для синхронного спуска и подъема термобура с его коммуникациями.
После подъема термобура с гибкими линиями и разборки устьевого лубрикаторного узла термобур извлекают из скважины и помещают в шурф. Отсоединяют от него воздуховод и водоводы.
К следующему подготовленному к бурению термобуру подключают гибкие линии, опускают его на расчетную глубину и цикл термопроходки повторяют.
Как известно, гибкие непрерывные безмуфтовые трубы широко используются в колтюбинговой технологии. Поэтому проект М. Гашимова представляется сегодня вполне осуществимым.
При колтюбинге гибкая труба проталкивается в скважину с помощью инжектора. ТБГ на гибких трубах опускается в скважину под собственным весом, а поднимается колтюбинговыми лебедками. Поэтому инжектор ему не нужен.
О колтюбинге в нефтяной промышленности подробнее можно почитать в статье «Колтюбинг».
Для герметизации гибких линий на устье понадобится разработать лубрикаторный узел с термостойкими сальниками. Разъемная конструкция этого блока должна также обеспечивать отвод продувочного воздуха, топливных газов и газообразных продуктов бурения.
В целом, для термического бурения с помощью ТБГ понадобится сконструировать специальную буровую установку.
Еще о термическом бурении можно почитать в статье: «Бурение ледников».