Введение к работе
Актуальность проблемы. Современное оледенение занимает огромные территории приполярных районов в Южном и Северном полушариях, а также в высокогорных районах средних широт. Общая площадь современного оледенения составляет свыше 15,5 млн. км2 или 10% суши земного шара.
Большой интерес представляет оценка использования Антарктического ледникового покрова и островов Северного Ледовитого океана, покрытых ледниками, для хозяйственной деятельности человека.
Под мощной толщей льдов скрыты геологические структуры, хранящие в своих недрах ценнейшие полезные ископаемые, которые могут послужить в будущем всему человечеству. Кроме того, сами ледники являются своеобразными хранителями огромных запасов холода и чистой пресной воды. Детальное же изучение материковых ледниковых покровов и ледников на глубину возможно только с помощью бурения скважин с полным отбором керна.
Получаемая при бурении ледниковых покровов и ледников информация об изменении природных условий на Земле в течение длительных эпох представляет большой интерес для широкого круга естественных наук: гляциологии, гидрометеорологии, геологии^ геофизики, геохимии, микробиологии и ряда других.
С целью исследования глубоких горизонтов мощных ледниковых отложений Антарктиды, Гренландии и островов Северного Ледовитого океана в последние годы получило широкое применение бурение скважин методом плавления, обладающим рядом преимуществ перед традиционными методами. Малая установленная мощность, небольшие габариты и масса применяемого оборудования и инструмента делают его незаменимым при использовании в условиях сурового клима-
та, отдаленности и полного бездорожья, присущих полярным областям Земли. Накопленный опыт бурения плавлением "сухих", не заполненных незамерзающей жидкостью скважин, показал, что в силу горного давления и реологических свойств льда проходка скважин с глубиной резко осложняется. Даже в условиях ст. Восток, где постоянная среднегодовая температура льда у поверхности -57С, бурение сухих скважин без осложнений возможно только до глубины 500 м, а на более теплых ледниках, например на Северной Земле, где температура льда -11 С - до глубины 250-300 м. Настоятельная необходимость всестороннего изучения ледников и ледниковых покровов на всю их мощность требует бурения скважин с отбором керна и проведением комплекса исследований на глубину до 4000 м и более.
Достижение таких глубин возможно только при заполнении скважины специальной незамерзающей жидкостью с плотностью равной или большей плотности льда (р=920 кг/м3) для создания гидростатического противодавления горному давлению или применения специальных методов борьбы с сужением ствола скважины путем проходки одновременно со скважиной щели вдоль оси скважины, сопряженной с ее боковой поверхностью.
Внедрение новых технических средств и методов глубокого бурения скважин с отбором керна льда дают возможность для изучения внутреннего строения ледниковых покровов методами изотопной и геохимической гляциологии. К настоящему времени накопилась обширная информация о свойствах и вещественном строении льда, полученная при проведении гляциологических, геохимических, геофизических и микробиологических исследований керна и самих скважин, пробуренных в Антарктике.
Ценность полученной информации снижается из-за отсутствия возможности определения абсолютного возраста
глубинных горизонтов. Надежных способов по определению абсолютного возраста с минимальной стратиграфической ошибкой до настоящего времени не существует. Одним из возможных методов для определения абсолютного возраста ледовых толщ является изотопный анализ по углероду С14, который в составе С02 входит в воздушные включения во льду, сохранившиеся в процессе формирования ледовой толщи. Для получения проб С02 с целью определения абсолютного возраста наряду с разработкой технических средств и технологии бурения скважин необходимо решить ряд технических задач и прежде всего разработать технические средства и методику отбора проб углекислого газа из ледового массива на различных глубинах.
По назначению скважины можно разделить на наблюдательные, используемые в течение длительного времени для проведения геофизических и других наблюдений за динамикой и термодинамикой ледникового покрова, и специальные -для микробиологического опробования, отбора проб на углеродный изотопный анализ, геохимические и другие виды исследований. Наблюдательные скважины, обычно, для предотвращения затекания ствола заполняются низкотемпературной заливочной жидкостью. Специальные же скважины бурятся "сухими", т.к. только из "сухих" скважин возможны отбор проб на углеродный анализ, микробиологическое и др. виды опробования.
Теоретические, технические и технологические проблемы бурения скважин методом плавления в ледниковых толщах, отбора проб из скважин, сохранения устойчивости ствола скважин в процессе бурения и ігх эксплуатации рассматривались в трудах отечественных: и зарубежных ученых, среди которых следует выделить работы К. Ф. Войтковского, С. С. Вялова, Д. В. Даныша, И. А. Зотикова, Б. Б. Кудряшова, Е. В. Кудрявцева, В. А. Морева, М. А. Пудовкина, А. Н. Сала-
матина, М. Н. Сеид-Рза, А. В. Секурова, В. С. Филатова, С. Н. Фомина, В. К. Чистякова, В. А. Чугунова, Г. А. Черемен-ского, Hansen В. L., Gillet F., Longway С. С, Shrewe R. L., Suzuku Y. и др.
Все вышесказанное позволяет считать разработку технических средств и технологии бурения плавлением ледовых толщ, техники и методики отбора газовых проб СОг на радиоуглеродный анализ для определения абсолютного возраста ледовых толщ, а также вопрос сохранения нормального диаметра скважин в процессе их проходки и эксплуатации весьма актуальными, практическое осуществление которых позволяет решить целый комплекс научных и практических проблем, сократить затраты средств и времени на их реализацию. Исследования, направленные на решение данных задач были начаты автором более 20 лет назад на кафедре Технологии и техники бурения скважин (ТТБС) Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) (СПГТИ) и выполнялись на основе госбюджетных и хоздоговорных тем, а также на основе договоров о творческом сотрудничестве с научно-исследовательскими организациями.
На заключительном этапе исследования продолжались на основе госбюджетной темы: "Разработка, совершенствование и внедрение скважинных методов и технических средств исследования вертикальной структуры, состава и динамики ледников и ледниковых покровов" (ОКП "Мировой Океан, подпрограмма Антарктика, проект "Ледник", код темы по ГАСНИТИ 09.03.01. № Гос. регистрации 01860100297, 1991-1995гг.), заданию ГКНТ СССР № 369 от 19.07.79 и по заказ-нарядам Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы №83 на 1989-90 гг. и №19 на 1991-93гт.
В соответствии с Протоколом о намерениях между Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды, Лабораторией гляциологии и геофи-
зики окружающей среды (Франция) и Отделом полярных программ Национального научного фонда США работы по совершенствованию техники и технологии бурения и опробования ледникового покрова Антарктиды, проводимые в СГТГТИ, включены в Российско-франко-американский проект по изучению ледяных кернов со ст. Восток.
Цель работы - научное обоснование и разработка эффективной технологии бурения плавлением во льдах, обеспечивающей устойчивость ствола скважины и качественное опробование ледовых отложений.
Основная идея работы заключается в повышении устойчивости стенок скважин на больших глубинах, бурящихся электротепловым способом плавления льда, за счет предупреждения деформации ее ствола и компенсации горного давления путем применения низкотемпературных заливочных жидкостей.
Основные задачи исследований. В соответствии с поставленной целью в работе предусмотрено решение следующих задач:
анализ и обоснование математических моделей тепло-обменных и деформационных процессов на контуре ствола скважины, заполненной низкотемпературной заливочной жидкостью, при ее проходке и опробовании методом плавления;
исследование факторов, определяющих длительную устойчивость ствола скважины, бурящейся в ледовом массиве и разработка на этой основе методов борьбы с деформацией ее ствола на больших глубинах;
исследование и разработка эффективной технологии и технических средств бурения скважин во льдах электротепловым способом;
разработка методики отбора представительных проб СОг для определения абсолютного возраста глубинных ледовых отложений;
опытно-производственная проверка результатов исследований и рекомендации по дальнейшему совершенствованию технологии бурения и опробования скважин во льдах.
Методика исследований. Решение поставленных задач осуществлялось комплексным методом, сочетающим в себе элементы математического и расчетного анализа с экспериментальными исследованиями в лабораторных и полевых условиях. Схема выполнения исследований выглядит следующим образом:
- \обзор, анализ и обобщение материалов научных ис
следований по проблеме, обоснование цели и задач исследо
вания;
построение и анализ математических моделей тепловых и гидродинамических процессов, происходящих в приза-бойной зоне скважины при бурении плавлением и выплавлении каверны большого объема;
на основе известных законов теории упругости и пластичности разработка аналитических зависимостей изменения диаметра скважины с глубиной во времени, с учетом основных реологических свойств льда, а также метода борьбы с деформированием ствола скважины;
- разработка и создание экспериментальной базы и
обоснование методики проведения экспериментов;
- экспериментальные исследования тешюобменных
процессов при бурении скважин и выплавлении каверны
большого объема в лабораторных условиях;
испытание разрабатываемых технических средств и технологий в полевых условиях;
совершенствование разрабатываемых технологий и технических средств на основе результатов эксперименталь-
ных, лабораторных и полевых исследований с целью повышения их эффективности и надежности, а также внедрения в практику бурения скважин с отбором керна в ледовых толщах. Научная новизна выполненной работызаключается:
в установлении взаимосвязи между теплофизическими свойствами льда, конструктивными характеристиками бурового инструмента и технологическими параметрами процесса бурения, а также установлении закономерностей, связывающих мощность нагревательного устройства со скоростью движения теплоносителя и временем плавления каверны во льду; ., .. ..-..
в установлении аналитических зависимостей изменения диаметра скважины с глубиной во времени с учетом реологических свойств льда и обосновании метода борьбы с деформацией ствола скважины.
Практическая ценность и реализация работы:
разработана и внедрена в практику буровых работ технология бурения плавлением глубоких скважин, заполненных низкотемпературной заливочной жидкостью;
разработана и внедрена методика отбора из пробуренной скважины газовых проб на изотопный углеродный анализ для определения абсолютного возраста ледовых толщ;
разработаны и внедрены в Антарктиде новые технические средства - термоэлектробуровые колонковые снаряды на грузонесущем кабеле ТБЗС-152М, ТБЗС-152-2М, ТБЗС-132 и др. для бурения с полным отбором керна из скважин, залитых низкотемпературной заливочной жидкостью;
разработан, изготовлен и эксплуатируется на ст. Восток комплекс поверхностных сооружений, оборудования, аппаратуры и приборов для бурения, опробования и исследования глубоких скважин в ледниковых покровах;
сконструирован, изготовлен и опробован в полевых условиях скважинный газовый пробоотборник (СГПУ) для от-
бора углекислого газа из ледниковой толщи на изотопный радиоуглеродный анализ;
- предложен и опробован на экспериментальном стенде щелевой способ борьбы с сужением ствола скважин.
Все вышеперечисленные разработки выполнены на уровне изобретений, некоторые из них в качестве экспонатов демострировались на ВДНХ и других отечественных и зарубежных выставках, где получили высокие оценки (золотые, серебряные медали ВДНХ, дипломы, грамоты).
К настоящему времени предложенной технологией в Арктике и Антарктике пройдено более 10 тысяч метров скважин, в т. ч. в 1993 году на ст. Восток скважина 5Г достигла рекордной глубины для Антарктиды - 2755м. Это самая глубокая скважина в мире, пробуренная тепловым способом. Возраст льда, определенный по керну, взятому с глубины 2502м составляет 220 тысяч лет.
Полученные результаты используются в настоящее время при совершенствовании технологии и технических средств бурения ледниковых покровов методом плавления в научно-исследовательской лаборатории новых методов бурения и исследования скважин (НИЛ НМБИС) при кафедре ТТБС СПГТИ, а также в учебном процессе при чтении курсов лекций по дисциплинам "Технология и техника бурения скважин" и "Математические методы в бурении".
Основные защищаемые положения:
1. Основным фактором, определяющим скорость бурения плавлением во льдах является электрическая мощность коронки-нагревателя, температура льда не оказывает существенного влияния, а увеличение осевой нагрузки на забой целесообразно лишь до 103 Н/м2, при этом КПД процесса плавления уменьшается с увеличением высоты нагревателя и составляет 85-90% его общей мощности.
-
Получение объективных данных об абсолютном возрасте ледникового покрова Антарктиды обеспечивается технологией глубокого бурения плавлением с образованием каверны во льду и отбором проб СО2 при этом каверна должна иметь форму сплюснутого эллипсоида с рациональным соотношением полуосей 1:5, обеспечивающим минимальную стратиграфическую ошибку в определении возраста.
-
Безаварийная проходка глубоких скважин в ледяном массиве возможна при условии поддержания постоянного начального диаметра скважины в течение всего времени бурения, обеспечивающего свободный проход бурового снаряда по всей глубине скважины. Длительное поддержание диаметра скважины близкого к начальному может быть обеспечено путем проходки разгружающей щели, сопряженнной с ее стенкой по всей глубине параллельно оси скважины.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы обсуждались на ежегодных научных семинарах кафедры ТТБС, НТС лаборатории новых методов бурения и исследования скважин, НТС проблемной лаборатории горной теплофизики в 1976-1995гг., на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1981г.), на 3-м Международном симпозиуме Научного комитета по антарктическим исследованиям - SCAR (Ленинград, 1982г.), на 1-м, 2-м, 3-м Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (Ленинград, 1989г., Санкт-Петербург, 1992г., 1995г.), на ежегодных семинарах секции гляциологии (г. Зеленоград Московской обл.), на IX Всесоюзном гляциологическом симпозиуме (Тбилиси, 1988г.), на 3-й Всесоюзной конференции по механике и физике льда (Москва, 1988г.), на Международном симпозиуме "Недра России" (Санкт-Петербург, 1996г.).
Исходные материалы и личный вклад.
Основой диссертационной работы являются результаты
теоретических, экспериментальных и опытно-
производственных исследований автора, начатых в 1974 году в отделе Антарктических исследований при кафедре ТТБС ЛГИ и продолженных на кафедре экономики по госбюджетной и хоздоговорной тематике, связанной с реализацией проекта бурения глубоких скважин во льдах на ст. Восток (Антарктида) и на леднике Вавилова (Северная Земля).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в 43 печатных работах, из которых 10 авторских свидетельств и I патент.
Структура и объем диссертационной работы.
