Электротепловой способ бурения

Особенности проведения буровых работ в ледниковых областях

Область современного оледенения Земли занимает площадь более 15,5 млн км² или около 10% поверхности суши (приполярные и высокогорные районы).

Общий объем льда достигает почти 28млн.км², что составляет около70% запасов всей пресной воды на планете. Максимальная мощность льда в Антарктиде и Гренландии превышает 4500 м.

Изучение ледникового покрова Восточной Антарктиды осуществляется по единой программе экспедициями Австралии, Англии, России (СССР), США, Франции и Японии.

Бурение скважин в снежно-фирновых и ледовых отложениях быстро приобретает прикладное значение для геологического изучения, инженерных изысканий, промышленного и хозяйственного освоения полярных и высокогорных районов. Однако эти районы характеризуются неповторимым сочетанием неблагоприятных условий:

- почти сплошной ледяной покров на суше;

- тяжелые льды на шельфе;

- низкие отрицательные температуры;

- отдаленность от пунктов снабжения;

- специфические транспортные условия;

- полное отсутствие инфраструктуры и др.

Поэтому, несмотря на техническую возможность применения обычных способов бурения, требуется создание новых технологий, технических средств и организационных структур для этих районов.

Новый способ бурения при минимальных размерах, массе и энергетических затратах оборудования должен обеспечивать возможность проходки скважин глубиной от нескольких сотен до 3-4 тыс. м с полным отбором керна достаточно большого диаметра (до 125мм).

Эта проблема решается отечественными и зарубежными исследователями.

Тепловой метод бурения скважин плавлением был успешно опробован почти сто лет назад при изучении альпийских ледников и сейчас широко применяется исследователями в Арктике и Антарктиде.

В основе метода лежат специфические особенности льда – низкая температура плавления и невысокие затраты энергии.

Плавление льда в процессе бурения может осуществляться двумя путями:

- за счет конвективного теплообмена с потоком жидкости или газа высокой температуры;

- за счет контакта с твердой поверхностью нагревательного устройства (пенетратора). В этом случае лед не только расплавляется и испаряется в зоне забоя, но и продукты выносятся на поверхность, оплавляя стенки скважины. Но эффективность с глубиной скважин падает, и керн получается низкого качества.

2.2.1. Исследование и разработка техники и технологии бурения «сухих» скважин в снежно-фирновых и ледяных толщах

«Сухие» скважины – скважины, не заполненные жидкостьюБурение таких скважин в ледяных толщах с отбором керна (плавлением) получило широкое применение при гляциологических исследованиях.

Однако глубина «сухих» скважин ограничивается их устойчивостью к деформациям стенок. Для «теплых» и умеренно холодных ледников (до

-30^°С) максимальная глубина «сухих» скважин не превышает первые сотни метров, для низкотемпературных ледников (ниже -30^°С) глубина может достигнуть 1000м.

Преимущества электротеплового колонкового снаряда:

- не вращается и не требует сложной системы восприятия реактивного момента;

- простота конструкции и обслуживания;

- надежность в эксплуатации.

Первые опытные образцы термоэлектробуровых снарядов получили название ТЭЛГА-14 (14 – советская арктическая экспедиция 14) были разработаны в ЛГИ. Для проведения испытаний был разработан, создан и доставлен в Антарктиду (Мирный) передвижной буровой комплекс. Там же были пробурены 2 скважины глубиной по 35м.

В 1970г. на станции Восток (полюс холода нашей планеты) было организовано бурение глубокой скважины тепловым способом. Был изготовлен комплекс технических средств на санях: два жилых балка, мачта от УГБ-50А (11 метров), утепленная навесным цилиндрическим ограждением (рис.2.1).

Рис.2.1 – Схема размещения оборудования в буровом комплексе

на ст. Восток

1 – электрораспределительный щит

2 - пульт управления снарядом

3 – оконный проем

4 - печь

5 - вспомогательная лебедка «Пионер»

6 - мачта

7 - кольца шахтной крепи

8 - положение снаряда над скважиной

9 – опорная ферма

10 - слесарный верстак и инструмент

11 – противопожарная емкость

12 – сани стальные

13 – электродвигатель лебедки СКП-3000

14 – двухскоростной редуктор

15 - лебедка СКП-3000

16 - кабель-трос КТНГ-10

17 – система генератор – двигатель 18 - токарный станок типа 1А-1

19 - блок-баланс на откидной раме 20 - положение снаряда в скважине

21 – кондуктор

Режимные параметры бурения отрабатывались в ледяной низкотемпературной толще (-56,7^°С на горизонте 100м).

Скважину №1 добурили до 506,9м, а затем до 952,5м (мировой рекорд).

На рис.2.2 схематично показана конструкция ТЭЛГА-14М.

Рис.2.2 – Термоэлектробуровой снаряд ТЭЛГА-14М

1 – кольцевой нагреватель-коронка

2 – кернорватель

3 – керноприемная труба

4 – переходник монтажный

5 – трубки водоподъемные

6 – клапан спускной

7 – водосборный бак

8 – канал внутренней трубки

9 – турбокомпрессор

10 – электроотсек

11 – переходник конусный

12 – шламовая труба

13 – грузонесущий кабель

В процессе контактного плавления льда вода выдавливается в кольцевую канавку на торце нагревателя, затем воздухом от турбокомпрессоров (от бытовых пылесосов) эжектируется по водоподъемным трубкам в водосборный бак (эрлифт).

После заполнения керноприемной трубы керном бурение заканчивалось, снаряд отрывался от забоя, при этом ножи кернорвателя врезались в керн и срывали его. Подъем.

Показатели: ν_мех=1,34-1,2м/ч, длина рейса 1,7-2,3м, мощность нагревателя 3,5-2,9кВт, выход керна 99-99,8%.

В дальнейшем были разработаны и испытаны буровые установки

ПБУ-1, ПБУ-4. Пробурено с полным отбором керна 17 скважин общим метражом 3230м.

В 1983г. на полигоне «Купол Вавилова» (архипелаг Северная Земля) успешно испытан снаряд ТЭЛГА-152.

Пройдены 2 скважины – 100 и 200м диаметром 154мм. Выход керна – 100%.

Дата добавления: 2014-11-29