Бурение скважин с отбором керна колонковыми электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле
В настоящее время все более широко при бурении глубоких скважин в ледниках применяют механические колонковые снаряды вращательного типа на грузонесущем кабеле. С их помощью можно преодолеть ледниковую толщу и внедриться в горную породу ложа.
Это различные модификации электробура на кабеле.
Имеется специальное распорное устройство против реактивного момента.Очистка забоя от шлама – шнеком, а также гидро- или пневмо- способами.
Одним из первых снарядов данного типа CRREL (США) (рис.2.4) пробурены две скважины через всю толщу ледникового покрова в Гренландии (1387м – 1966г.) и в Антарктиде (2164м – 1968г.). Но внедриться в горную породу не удалось (осложнения, аварии). Снаряд оказался громоздким (длина 26,5м, вес 1100кг, мощность 13кВт).
Рис. 2.4 – Колонковый электромеханический снаряд CRREL
1 – секция подвески снаряда и инклинометрии
2 – распорное устройство
3 – бак для этиленгликоля
4 – центробежный насос
5 – электромотор с редуктором
6 – колонковый набор
В начале 70-х гг. прошлого столетия в Исландии, США и Швейцарии были разработаны небольшие, легкие снаряды.
В Копенгагене была выполнена оригинальная установка для бурения залитых жидкостью скважин ISTUK (рис.2.5). Для питания забойного электродвигателя использовались аккумуляторы, устанавливаемые в снаряде. Подзаряжались во время СПО сравнительно небольшими токами. Диаметр бурения 129,5мм, диаметр керна 102,3мм, длина снаряда 11,5м, масса 180кг, длина рейса 2,2м.
Рис. 2.5 – Колонковый
электромеханический снаряд ISTUК
1 – коронка с кернорвательным устройством
2 - колонковая труба
3 – поршневые насосы
4 – шламоподводящие трубы
5 – противовращательная труба
6 - герметичная секция электромотора с редуктором
7 – винтовой шпиндель
8 – вал
9 – треугольная призма
10 – муфта
После доработок в 1981г. им пробурили в Гренландии скважину глубиной 2038м до подледниковых пород, но дальше не получилось из-за осложнений. В 1990-92гг. пробурили скважину глубиной 3028,8м, но также без внедрения в горную породу.
В настоящее время на основе ISTUK в г. Фэрбэнкс (США) разработан снаряд, в котором для удаления шлама использована комбинация шнека с призабойной циркуляцией заливочной жидкости (рис.2.6). Керн – диаметр 132мм, длина 6м. Общая длина снаряда 28м, вес 185кг. В 1991-93гг. им была пробурена скважина глубиной 3053м с полным отбором керна, но в горную породу – не внедрялись (Гренландия).
Рис. 2.6 – Шнековый буровой снаряд PICO
1 – внутренняя шнековая керноприемная труба
2 – кольцевая коронка с тремя плоскими резцами
3 – спиральная реборда
4 – невращающаяся наружная стальная труба-кожух
5 – электромотор
6 – планетарный редуктор со шлицевым валом
7 – распорное устройство
Французы в 1981-82гг. провели испытания снаряда в Антарктиде. Отличие – в снаряде имеется центрифуга для отделения шлама. Диаметр коронки 143/115мм, общая длина 8м (рис.2.7).
Рис.
2.7 – Колонковый электромеханический
снаряд (Франция)
1 – коронка
2 – кернорвательное устройство
3 – колонковая труба
4 – водоподъемные трубки
5 – полый вал
6 – планетарный редуктор
7 – крыльчатка
8 – центрифуга
9 – фильтр
10 – электродвигатель
11 – противовращательное устройство
12 – кабельный замок
13 – грузонесущий кабель
Постоянные аварии, особенно в зоне «лед-подстилающая порода», свидетельствуют об отсутствии достоверных данных о процессах, происходящих при бурении льда и горной породы под ним, т.е. о недостаточном объеме экспериментальных и теоретических исследований. Это не позволяет решить задачи, связанные с разработкой комплекса технических средств и технологии бурения электромеханическим способом глубоких скважин через всю толщу льда (около 4000м, -57°С) в Восточной Антарктиде.
Глубина бурения – 4000м, диаметр 114, диаметр керна 85мм, длина 7500, масса 120кг.
В
Ленинградском горном институте разработан
снаряд КЭМС-112. Особенность – система
призабойной циркуляции заливочной
жидкости и внутренний съемный шламосборник
(рис.2.8).
Рис. 2.8 – Колонковый электромеханический снаряд КЭМС-112 (132)
1 – коронка
2 – колонковая труба
3 – шламообменник с переходным ниппелем
4 – фильтр съемный
5 – внутренняя перфорированная труба
6 – редуктор
7 – погружной электродвигатель
8 – отсек с насосом
9 – распорное устройство
10 – ударное устройство
11 – электроотсек
12 – замок кабельный
13 – шламовая труба
14 – кабель грузонесущий
Для управления снарядом используются система телеметрической связи, работающая при -70°С и Р=40МПа.
Совершенствуется и технология бурения. В верхней части скважины устанавливается обсадная колонна из пластиковых труб (120м) для перекрытия проницаемой зоны снежно-фирновых отложений, что позволило поднять уровень жидкости в скважине.
Бурение механическим способом в скважине 5Г было начато с глубины 2775м в конце февраля 1995г. Работы проводились только в сезонные периоды (декабрь-январь). На бурение приходился 1 месяц (150-200м).
В 2005г. глубина скважины была 3623м, почти на 600м больше всех ранее пробуренных скважин американцами и датчанами.
Анализ результатов указывал на четкую связь между результатами бурения и изменяющимися с глубиной свойствами льда. Постепенно изменялась макроструктура льда. В верхней части ледника кристаллы льда мелкие, на глубине 3500м – очень крупные. Керны, поднимаемые с этих глубин, состояли из 1-2 кристаллов длиной более 1м. Вывод: с глубиной изменяются процессы разрушения льда и образования шлама. Под действием повышающегося давления лед из хрупкого тела превращается в вязко-пластичное, снимаемая стружка не дробится и закупоривает каналы, по которым выносится шлам.
Большой интерес ученых всего мира вызвало то, что под станцией Восток было обнаружено подледниковое озеро. Бурение было остановлено для точного определения расстояния до поверхности озера (примерно в 130м выше его границы) и разработки экологически чистой технологии его вскрытия.
К сожалению, информация о дальнейшей судьбе скважины на настоящий момент отсутствует.
Всего электротепловым и электромеханическим способом пройдено с отбором ледяного керна более 18 тыс. м.