Обоснование и разработка технологии опробования льда бурением дополнительных стволов скважин снарядами на грузонесущем кабеле

• Автор: Подоляк, Алексей Витальевич
• Шифр специальности: 25.00.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 128 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ 9 1Л ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ
1.2 БУРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ
1.3 БУРОВЫЕ СНАРЯДЫ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ
1.3.1 ТЕРМОБУРОВЫЕ СНАРЯДЫ
1.3.2 КОЛОНКОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СНАРЯДЫ
1.4 БУРЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН
1.4.1 ОПЫТ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН НА СТАНЦИИ ВОСТОК
1.4.2 ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ
1.5 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОЗАБОЙНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ
1.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
2.1 УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.2 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ
2.3 МЕТОДИКА СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ БУРОВОГО СНАРЯДА
2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ ВО ЛЬДУ ПРИ БУРЕНИИ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ
3.1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА
3.2 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЛЕДНИКА В РАЙОНЕ СТАНЦИИ ВОСТОК

3.3 АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ
СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ
3.4 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ
ДВИЖЕНИЯ СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ
3.5 СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

3.6 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 4Г
3.7 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН В ЛЕДНИКОВЫХ МАССИВАХ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ
4.1 ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ
4.2 КОЛОНКОВЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ БУРОВОЙ СНАРЯД
4.3 КОРОНКА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ
5.1 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 5Г
5.2 РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ ПО БУРЕНИЮ БОКОВОГО СТВОЛА 5Г-2.
5.3 БУРЕНИЕ БОКОВОГО СТВОЛА СКВАЖИНЫ 5Г-
5.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы диссертации. Изучение современного материкового оледенения и всех видов ледников имеет большое значение для целого ряда естественных наук: географии, гляциологии, палеоклиматологии, геологии, геофизики, геохимии, микробиологии и др. Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда, мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. В изучении ледникового покрова Антарктиды принимают участие многие страны - Россия, США, Япония, Франция, Новая Зеландия, Аргентина, Бразилия, Чили, ГДР, Польша, Индия и др.
Важнейшим и наиболее эффективным способом изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледниковых отложений в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна, что дает возможность проводить кристалломорфологические исследования льда с больших глубин, геофизические наблюдения в скважинах, изучать химический состав льда, содержание изотопов кислорода и углерода, различных включений (земная и космическая пыль, вулканический пепел, бактерии, споры растений и др.).
В последние годы, когда глубины скважин превысили отметку в 3000 м, появилась настоятельная необходимость в разработке технологии бурения многоствольных скважин для получения дополнительного кернового материала с наиболее интересных глубин. Так в самой глубокой скважине 5Г на станции Восток на интервале 3600 — 3620 м было обнаружено большое количество включений, которые попали туда с берега подледникового озера Восток при движении ледника.
Координационный комитет программы Международное партнерство в изучении ледяных кернов (International Partnerships in Ice Core Sciences - IPICS), созданный под эгидой IGBP/PAGES и Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR) назвал наиболее приоритетной на ближайшие десятилетия задачей антарктических исследований - получение ледяного керна, который бы позволил реконструировать изменения климата и концентрации парниковых газов за последние 1,5 млн. лет. Это позволит решить одну из ключевых проблем

При бурении льда снарядами на грузонесущем кабеле задача управления траекторией бурящейся скважины существенно упрощается, а закономерности естественного искривления могут быть описаны строгими математическими выражениями. В данном случае отсутствуют такие трудно учитываемые факторы, как изгибающаяся колонна бурильных труб, кинематика ее движения и бурового инструмента, анизотропия проходимых горных пород, низкая жесткость забойных компоновок.
Практически все работы на станции Восток, связанные с отклонением скважин во льду, при бурении термобуровыми снарядами проводились в основном для ликвидации аварий. Как правило, отклонение производили без использования специальных средств. Например, при ликвидации последствий аварий в скважине 4Г [74], проводившиеся в 30 САЭ, был выявлен ряд существенных пробелов в разработке технологии, как бурения скважины, так и ликвидации аварий. Первые три неудавшиеся попытки отклонения выполнялись после забутовки небольшого интервала скважины 4Г длиной 10 м, 30 м и 4 м снарядом ТБЗС-152М. Снаряд ставился на забой, и проводилось бурение при нагрузке на забой, равной весу снаряда. Отклонение ствола скважины было осуществлено в четвёртой попытке буровым снарядом ТЭЛГА-14М в зоне «сухой» скважины без отсоса воды. Забутовка скважины не производилась. Искусственный забой был образован водой, намёрзшей на стенки скважины при разбуривании старого ствола, пройденного снарядом ТБЗС-152М.
Для ликвидации аварии на глубине 2200 м в скважине 5Г также был поставлен ледяной мост из кусков льда, приготовленных на поверхности. Так как выполнить отклонение снарядом ТБЗС-152М длиной 8 м, который использовался для бурения скважины, не удалось, был применен буровой снаряд ТБЗС-132 длиной 6 м с диаметром коронки, равным 132 мм.
В процессе дальнейшего бурения скважины, вплоть до сегодняшнего дня, из нее периодически извлекали различные по размеру куски подкрашенного льда, которые вываливались из установленного моста. Разрушение моста опасно как из-