Как известно, с увеличением глубины температура горных пород повышается. Геотермический градиент определяет величину роста температуры на каждые сто метров глубины. который 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 типа бассейна осадконакопления и литологии пород.
Средний геотермический градиент принимается равным +3°C. Среднегодовая температура поверхности земной коры составляет около +15°C. Исходя из значения геотермического градиента, температура подошвы коры должна приближаться к 1000°C.
Наибольшее значение геотермический градиент имеет в вулканических структурах. И на больших глубинах появляются зоны с аномально высокими пластовыми температурами. Так, в знаменитой Кольской сверхглубокой скважине температура на глубине 12 км составляла 212°C вместо ожидаемых 120°C.
Поэтому 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.
Серьезные технические трудности при глубоком бурении связаны и с самопроизвольным искривлением ствола скважины из-за неравномерного разрушения пород на забое. При прохождении стволом наклонных пластов различной плотности буровое долото постоянно отклоняется в сторону менее прочных пород. Например, забой Кольской сверхглубокой ушел в сторону от вертикали 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.
О конструкции скважины читаем статью «Крепление скважины».
Скорость бурения сверхглубоких скважин обычным механическим способом составляет 1-3 метра в час. За одну проходку можно углубиться на 6 – 10 метров. После проходки интервала бурильный инструмент поднимают для смены долота, извлечения керна. Меняют долото и инструмент снова опускают в скважину.
На спуск и подъем 12-ти километровой бурильной колонны Кольской сверхглубокой уходило в среднем 18 часов.
О спуско-подъеме инструмента читаем статью «Спуско-подъемные операции в бурении».
В среднем на Кольской скважине удавалось пробурить по 56 метров в месяц. На последние пять километров было израсходовано 50 км бурильных труб из-за их быстрого износа.
В целом, бурение одной сверхглубокой скважины существующими технологиями занимает годы и требует больших материальных затрат. Дорогостоящий проект изучения недр на Кольском полуострове продолжался более двадцати лет.
Кроме механических способов бурения скважин, когда бурильный инструмент непосредственно воздействует на горную породу и разрушает ее, существуют и немеханические способы.
Основные способы механического бурения – это роторный и турбинный способ.
На открытых горных работах для бурения взрывных скважин применяется термическое бурение. При термическом бурении бурильным инструментом является термобур или плазмобур. В плазмобуре источником высокотепературной плазмы служит электрический дуговой разряд. Плазмобур разрушает горную породу в режимах хрупкого шелушения и плавления при температуре 300-600°C.
Термобур воздействует на горную породу реактивной сверхзвуковой высокотемпературной газовой струей, образующейся при сгорании топлива в окислителе. Топливом может быть керосин, бензин, метан, дизельное топливо. А окислителем – кислород или воздух.
Топливо и окислитель распыляются и сгорают в камере сгорания термобура. Газы от сгоревшего топлива выносятся и направляются через сопло Лаваля со скорость 2000 метров в секунду на разрушаемую породу. Такие термобуры используются для бурения шпуров и бывают ручными и станковыми с рабочим диаметром 100-160 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).
Термическое бурение твердотопливным буром Гашимова (ТБГ) вертикальной скважины производится высокоскоростной струей раскаленных газов, образующихся при сгорании твердого ракетного топлива истекающих из сопла Лаваля.
Реактивная газовая струя определенной температуры и скорости может плавить и испарять любую горную породу. Необходимо лишь рассчитать температуру в камере сгорания, подобрав состав топлива, параметры сопла и реактивной струи.
Корпус ТБГ представляет собой стальную или титановую трубу 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 соединяется с соплом Лаваля.
Корпус помещается в стальной кожух, который снаружи изолируется цилиндрическими силикатными теплозащитными насадками. В кольцевой зазор между корпусом и кожухом подается вода для охлаждения. От устья охлаждающая вода нагнетается по центральному гибкому рукаву, внутри которого находится кабель-трос, также охлаждаемый этой водой. Кабель-трос служит для спуско-подъема термобура и на нем висит вся его конструкция. По кабель-тросу через блок управления производится управление и контроль работы ТБГ.
По второму гибкому рукаву вода поднимается на устье скважины, остывает и вновь поступает в скважину. Так осуществляется теплосъем с термобура.
Таким образом ТБГ висит над забоем скважины на определенном расстоянии и конусообразной реактивной струей раскаленных газов плавит и испаряет породу. Раскаленные газы с большой кинетической энергией, истекающие строго вертикально 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.
Конусообразная реактивная струя газов разрушая породу должна создавать ствол скважины большего диаметра, чем диаметр ТБГ. Это делается для спуска в скважину обсадной колонны.
Строительство вертикальной скважины с применением термобурения начинается с обычного роторного бурения интервалов под направление и кондуктор. Направление и кондуктор крепятся обсадными колоннами с цементированием.
После кондуктора в скважину опускают эксплуатационную обсадную колонну до забоя. В кольцевое пространство между этой колонной и кондуктором закачивают асбестоцементный раствор. Дальнейшее углубление скважины производят термобуром Гашимова, предварительно приподняв конец обсадной колонны над забоем на расчетную высоту для обеспечения условий термобурения.
Подготовленный к бурению термобур на кабель-тросе спускают в скважину и срез его сопла фиксируют на расчетном расстоянии от забоя.
С устья скважины по гибкому рукаву подают воду в кожух ТБГ, обеспечивая циркуляцию в системе охлаждения.
Подают сжатый воздух к срезу сопла Лаваля по соответствующему гибкому рукаву.
После этого с пульта управления на устье скважины через запальник поджигают топливо в камере сгорания и начинают бурение.
По мере углубления термобур постепенно опускают в скважину и бурение продолжают до полного выгорания топлива. Затем термобур поднимают к устью скважины и извлекают из нее.
При подъеме термобура продолжают подачу воздуха к срезу сопла. Таким образом производится обдув обсадной колонны для ее очистки.
При подъеме термобура одновременно производят вращение обсадной колонны и спуск ее на глубину пробуренного интервала до расчетной отметки.
После этого к забою спускают следующий подготовленный к бурению ТБГ и продолжают проходку. Таким образом циклы бурения повторяют до проектной глубины скважины.
Так как бурение производится при свободном зависании термобура над забоем, скважина на всем ее протяжении будет совершенно вертикальной. Также вертикальная скважина по всей длине будет иметь одинаковый диаметр равный внутреннему диаметру эксплуатационной обсадной колонны.
С помощью ТБГ можно бурить сверхглубокие скважины большого диаметра. Глубина бурения будет ограничена лишь несущими способностями кабель-троса, вспомогательных коммуникаций и грузоподъемностью буровой установки.
Термобурение по Гашимову предназначено для строительства глубоких и сверхглубоких скважин с последующим спуском в них скважинных парогенераторов, использующих земное тепло.
ТБГ не может применяться для вскрытия нефтегазоносных горизонтов или 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 во время бурения удерживает спайдер-элеватор, установленный на роторе. После выгорания топлива в термобуре обсадную трубу для наращивания поднимают с помощью элеватора крюком талевой системы буровой вышки и вкручивают в муфту колонны. Вращение обсадного ствола при спуске осуществляется ротором.
Подробнее о технологии спуско-подъема и наращивании бурильного инструмента, и обсадной колонны читаем статью «Спуско-подъемные операции в бурении».
Для проведения спуско-подъемных операций (СПО) с термобуром на кабель-тросе, буровая установка должна оборудоваться лебедкой для кабель-троса и конструкцией направляющих роликов, подобно конструкции для спуска и подъема ТЭНа.
Подробнее о технике спуско-подъема ТЭНа для инициирования внутрипластового горения читаем статью «Каражанбас».
Так как кабель-трос помещается внутри гибкого тракта-рукава, по которому прокачивается охлаждающая вода, конструкция лебедки и устройство армированного рукава должны обеспечивать непрерывное движение воды при спуско-подъемных операциях.
На барабан второй дополнительной лебедки через систему направляющих роликов наматывается отводной гибкий тракт-рукав с нагретой водой. Конструкция этой лебедки и устройство армированного рукава, также, должны обеспечивать непрерывное движение воды при спуско-подъеме термобура.
Третья дополнительная лебедка с системой направляющих роликов предназначена для спуска-подъема воздушного гибкого тракта-рукава. Конструкция этой лебедки и устройство армированного рукава, также, должны обеспечивать непрерывную прокачку воздуха при спуско-подъеме термобура.
При спуско-подъемных операциях с термобуром все три дополнительные лебедки должны работать в синхронном режиме для одновременного спуска и подъема ТБГ и его коммуникаций.
После подъема термобура с коммуникациями тремя лебедками и извлечения из обсадной колонны, его цепляют элеватором на крюке талевой системы и помещают в шурф.
Отключают подачу воды и воздуха, отсоединяют использованный ТБГ от коммуникаций и кабель-троса.
Гибкие шлейфы-рукава для циркуляции воды и подачи воздуха в узлах соединения их с кожухом термобура должны иметь запорные устройства. То есть, рукава перед отсоединением должны перекрываться.
Следующий подготовленный к бурению ТБГ соединяют с кабель-тросом, подключают воздушный и водяные рукава.
С помощью элеватора на крюке поднимают термобур, укладывают кабель-трос и гибкие траки-рукава в ролики. Тремя лебедками опускают всю конструкцию в обсадную колонну на расчетную глубину. И цикл термобурения повторяют.
Так у Гашимова подробно расписана технология термического бурения твердотопливным буром.
При детальном рассмотрении конструкций наземного оборудования выясняется, что для реализации проекта технологию придется частично изменить, так как не представляется возможным одновременный подъем термобура и его коммуникаций после окончания проходки с наращиванием и спуском обсадной колонны, и ее прокручиванием.
Поэтому после спуска ТБГ с коммуникациями в скважину и перед запуском процесса бурения, в муфту верхней трубы обсадной колонны на резьбе должен устанавливаться блок с термостойкими сальниками. Разъемная конструкция блока должна герметизировать шлейфы-рукава и обеспечивать отвод продувочного воздуха, топливных газов и газообразных продуктов бурения.
После выгорания топлива в термобуре и продувки обсадной колонны подачу воздуха прекращают. Отсоединяют отводную линию для отработанных газов от герметизирующего блока. Открывают блок и убирают его. Теперь ТБГ с коммуникациями поднимают тремя синхронно работающими дополнительными лебедками до выхода верха кожуха термобура из обсадной колонны.
Подачу охлаждающей воды прекращают. С помощью элеватора на крюке талевой системы извлекают термобур из обсадной колонны и укладывают его в шурф. Также как и в традиционном бурении при наращивании инструмента укладывают в шурф вертлюг с квадратной трубой.
Воздушный и водяные траки-рукава перекрывают в узлах входа в кожух термобура и отсоединяют их.
После этого элеватором берут с мостков буровой установки обсадную трубу и вкручивают ее в муфту обсадной колонны, висящей на спайдер-элеваторе. Спускают обсадную колонну с прокручиванием на глубину пробуренного интервала и фиксируют ее спайдер-элеватором. Так производится наращивание и поэтапный спуск обсадного ствола.
Затем освобожденный от коммуникаций турбобур извлекают из шурфа с помощью элеватора на крюке и укладывают на мостки буровой установки.
С мостков элеватором цепляют следующий подготовленный к работе ТБГ и помещают его в шурф. Подключают к нему воздушный и водяные шлейфы и подвешивают его на роликовые конструкции.
Тремя синхронно работающими дополнительными лебедками спускают термобур в скважину на 3-5 метра ниже обсадной колонны.
В муфту обсадной колонны устанавливают герметизирующий блок с термостойкими сальниками для шлейфов рукавов. Подсоединяют к блоку отводящий газы трубопровод.
Запускают насосы для прокачки охлаждающей воды. Запускают компрессор для подачи воздуха в систему.
После этого запальником поджигают топливо в термобуре и начинают бурение.
Термобурение контролируется показаниями датчика давления в камере сгорания ТБГ. Незначительное падение этого давления указывает на нормальный процесс термопроходки. Давление в камере сгорания уменьшается, так как выбуренная полость на забое увеличивается. То есть, контролируя давление термобур постепенно опускают и бурят до полного выгорания топлива.
Таким образом для реализации термического бурения по Гашимову остается разработать конструкцию специальной лебедки для протяжки и намотки на барабан гибкого тракта-рукава с одновременной подачей по нему воды или сжатого воздуха.
Разработать устройства самих термостойких гибких трактов-рукавов с запорными и соединительными элементами на концах.
Разработать роликовые конструкции для протяжки гибких трактов-рукавов.
Разработать разъемный блок для герметизации обсадной колонны с термостойкими сальниками, обжимающими гибкие тракты-рукава. Для подсоединения к обсадной колонне отводящего отработанные газы трубопровода разъемный блок должен иметь соединительное устройство.
В целом, для термического бурения с помощью ТБГ придется сконструировать специальную буровую установку.
О термическом бурении ледников читаем статью «Бурение ледников».