超深井戸掘削。発明と生産の歴史

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超深井戸掘削。発明と生産の歴史

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地質学研究の対象となる地球は、地表からしか直接観察することができません。その組成と構造は、間接的なデータによってのみ判断できます。そのため、地質学者は掘削の助けを借りて、可能な限り地球の奥深くまで侵入しようと努力しています。現代の技術により、大陸で10〜15キロメートルの深さまで井戸を掘削することができます。

ボアホールは、ほとんどの場合、鉱床の探査、腸からの水、石油、ガスの抽出、および工学的調査やその他の応用目的のために作られています。さらに、1970 年代以降、現代の地質学の根本的な科学的問題を解決する方法として掘削がますます使用されるようになりました。ところで、科学的掘削の結果は多くの点で予想外であることが判明し、以前は明白で揺るぎないものと思われていた理論的概念を修正する必要がありました。

体系的な科学的掘削の始まりは1960年代にさかのぼります。 1968年、米国で特殊掘削船が進水し、海上で国際深海掘削計画が開始されました。 2105年以上の歴史の中で、何百もの井戸が海に掘削され、海底の緩い堆積物を横切り、下にある玄武岩の奥深くまで入りました。最も深い井戸は、コスタリカの海岸の南にある太平洋に掘削されました。その深さは海底下XNUMXメートルに達した。以前は海底の構造に関する正確なデータが事実上なかったため、海洋掘削は地質学の新しいページを開きました。

超深井戸掘削
掘削船の全体図: 1 - 船。 2 - 貨物クレーン; 3 - ヘリポート; 4 - 掘削リグ

次に、陸上での掘削についてです。大陸の科学掘削井は、通常、深井戸 (3 ～ 7 キロメートル) または超深井戸 (7 キロメートル以上) に分類されます。この点で、それらは、米国の深部油田およびガス田の探索、探査、開発のために掘削された井戸とのみ比較できます。それらの中で最も深い井戸 - ベルタロジャース (9583 メートル) は、1973 年から 1974 年にかけてわずか 502 日で掘削されました。この高い浸透率は、XNUMX つの要因によるものです。 XNUMXつ目は、アメリカの技術力です。 XNUMX番目の掘削は、コアサンプリングなしで、つまり岩石サンプルを地表に持ち上げずに実行されました。コアのサンプリングにはさらに多くの時間が必要ですが、科学的な掘削には絶対に必要です。このため、深層および超深層の探査および探査井は、科学的情報源としての価値がかなり限られています。

科学目的のための体系的な超深部大陸掘削の最初のプログラムが開発され、ソ連で実施されました。このプログラムの基礎は、1960 年から 1962 年にかけて策定されました。 1970 年 1991 月、ムルマンスク地域の北部、ザポリアルニ市から 12261 キロ離れた場所で、コラ超深井戸の掘削が始まりました。その設計深度は XNUMX キロメートルと決定されましたが、到達することができず、XNUMX 年に深度 XNUMX メートルで掘削が停止されました。それにもかかわらず、コラ井戸は依然として世界で最も深いものです。

超深井戸掘削
コラスーパーディープウェル

ソビエト連邦の成功は、他の国々に刺激を与えずにはいられませんでした。私たちは、ドイツ、フランス、米国、カナダ、日本、および英国における科学的大陸掘削プログラムの開発を加速させました。最高の結果の 1990 つは、バイエルン州の超深井戸 KTB-Oberpfalz (1994-9101) を掘削したドイツ人によって達成され、深さ XNUMX メートルに達しました。

V.S. ポポフと A.A. クレメネツキーはソロス教育ジャーナルに、「さまざまな掘削方法があります。井戸の深さが浅い場合 (数百メートル)、表面にあるエンジンが鋼製のドリルパイプを回転させ、ドリルを回転させます。硬質合金またはダイヤモンドで補強されたビットがパイプの下端に取り付けられています。ビットが回転することで、円柱状の岩石の柱が切り出され、特殊な内部 (コア) パイプに徐々に充填されます。、これはいくつかの回転コーンのシステムであり、補強されています井戸の壁が不安定な場合は、鋼製のケーシングパイプが下げられます。掘削中、ポンプは壁を安定させるために必要な特別な粘土溶液を井戸に絶えず送り込み、冷却しますツールを使用して小さな岩石粒子 (スラッジ) を除去し、他の目的のために、ウインチを使用してドリルパイプストリングを地表に持ち上げます。掘削リグに取り付け、コアを降ろし、必要に応じて摩耗したビットを新しいものと交換し、ドリルストリングを再び底まで下げます。

掘削には、坑井に沿った岩石の物理的特性の測定が伴います。これを行うために、機器は特別なケーブルで井戸に降ろされ、温度、電気伝導率、磁化率、放射能、および岩石のその他の特性が記録されます。このプロセスはウェルロギングと呼ばれます。

米国およびその他の国での掘削経験は、次のことを示しています。エンジンの出力と掘削液を注入するポンプの圧力、およびウインチの運搬能力と鋼製ドリルパイプの強度の増加により、最大 9 ～ 10 キロメートルの深さの井戸を掘削できます。こちらです。より深い井戸を掘削するには、他の型破りなエンジニアリングソリューションが必要です。そして、そのような解決策は、超深度科学掘削プログラムの実施の過程で提案され、実施されました。

底の穴が数キロメートルの深さにある場合は、表面ではなく、それ自体が回転しないドリルストリングの下部に取り付けられたダウンホールモーターを使用することをお勧めします。ダウンホールモーターは、小型のタービンまたはスクリュー機構であり、圧力下で油井に注入された掘削流体によって駆動されます。

数キロメートルの長さに達するドリルパイプストリングの重量を減らすために、それらは特別な軽量でありながら十分に強く耐熱性のある合金で作られています。コラ井戸の掘削に使用されたアルミニウム合金は、鋼鉄の 2,4 分の XNUMX の軽さでした。

大きな深度に達すると、掘削流体柱の静水圧と岩石の重量による岩石 (岩石) 圧力との間に大きな差が生じます。これは井戸の壁の破壊につながる可能性があり、これが掘削中に深刻な合併症を引き起こす可能性があります。岩石圧力の平衡を達成するために、特殊なフィラーを追加することにより、掘削流体の密度が増加します。

「最も難しい技術的課題の3220つは、超深井戸に存在する高温での掘削装置の信頼性の高い操作を保証することです。これは、金属部品、それらの接続、潤滑剤、掘削液、および測定機器。底部、つまり米国のサルトン海の井戸の最も低い地点である深さ355メートルで、1440度の温度が記録され、別の井戸では465つの井戸で200メートルまで掘削されました。米国西部の若い火山構造では、測定温度は300度に達しました。既存の掘削装置の熱安定性は、150を超えないため、最新の技術的手段では、このような高温での超深井戸の掘削は長期間許可されていません。 230度。最大の問題は、測定機器、特に250度ですでに故障している電子機器で発生します。水性掘削液XNUMX〜XNUMX度までの技術的特性を保持します。より高い温度では、油性溶液に切り替えて、より複雑な混合物を使用する必要があります。地球内部の高温は、科学的な掘削の深さを制限する主な要因のXNUMXつです。

深刻な技術的問題は、掘削中の深井戸の自発的な湾曲に関連しています。これは、底穴での岩石の不均一な破壊、セクションの地質学的不均一性、およびその他の理由によるものです。たとえば、深さ約 12 キロメートルのコラ井戸の底穴は、垂直から 840 メートルずれています。井戸を垂直に保つテクニックがあります。そのため、特別な装置の設計が成功したおかげで、ドイツの KTB-Oberpfalz 井戸は、深さ 7500 メートルまで世界で最も垂直な井戸であり続けました。しかし、この固定具は高温と高圧のために故障し、井戸は自然に消えていきました。その結果、9101メートルの深さで、垂直から300メートルずれました。

超深度掘削では、坑井沿いと底部の状態を制御する特別な測定装置を作成する必要がありました。センサーを耐熱ケーブルで坑井に降ろす従来の検層技術は、ほとんど役に立たないことが判明しました。長期にわたる研究の結果、掘削ストリングに取り付けられたテレメトリやその他の電子機器、および掘削流体の流れによって上下する自律測定機器を開発することができました。現在、センサー信号はワイヤーではなく、掘削液に圧力パルスを生成する油圧手段によって送信できます。

深い井戸と超深い井戸は伸縮式の設計になっていることに注意してください。穴あけは最大径から開始し、次に小さい径に進みます。そのため、コラ井戸では、直径が上部の 92 センチから 21,5 センチに減少しました。そして、KTB-Oberpfalzの井戸では、71センチメートルから16,5センチメートルまで。

超深井戸掘削の機械速度は、1 時間あたり 3 ～ 6 メートルです。往復の合間の10回で、0,3～0,5メートルほど深く潜ることができます。ドリルパイプストリングを持ち上げる平均速度は、毎秒 583 ～ XNUMX メートルです。一般に、XNUMX つの超深井戸を掘削するには何年もかかり、非常に費用がかかります。たとえば、ドイツで超深井戸を掘削するには、XNUMX 億 XNUMX 万マルクの費用がかかります。私たちの国での超深度掘削のコストは、それ以下ではありませんでした。

もちろん、深井戸を掘削するときは、事故がないわけではありません。ほとんどの場合、それらはドリルストリングのデッドスティックによって引き起こされます。トラブルシューティングには時間がかかります。作業を続行できない場合があり、新しいシャフトの掘削を開始する必要があります。直径5〜20センチメートルの数キロメートルのコアコラムが文字通りにも比喩的にも高価であることが理解できます。これは科学的掘削の唯一の結果ではありませんが、主要なものの400つです。コアは慎重に文書化され、特別な部屋に保管されます。その後、大規模な専門家チームによって詳細に研究されます。そのため、ドイツの超深井戸の掘削中に得られた材料は、約2000人の科学者によって研究されました。その後、彼らはそれらに基づいた XNUMX の科学論文を発表しました。

実際の掘削が終わると、超深井戸の作業は止まりません。井戸は恒久的な実験室に変わります。専門家は、坑井に沿った、および坑井に近い空間における地球内部の体制の変化を監視し続け、さまざまな実験を行っています。このような研究所は、ロシアのコラとヴォロティロフスカヤの井戸、およびドイツのKTB-オーバープファルツの井戸に基づいて作成されました。

著者：Musskiy S.A.

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