СПОСОБ БУРЕНИЯ ЛЕДНИКОВЫХ СКВАЖИН
METHOD FOR DRILLING GLACIAL BOREHOLES

Изобретение относится к области бурения скважин в ледниках Арктики и Антарктики.
Актуальность данного изобретения заключается в возросшем научно-практическом интересе к изучению Арктики и Антарктики. В полярных областях планеты находятся неисследованные залежи полезных ископаемых, разведка которых затруднена ледовым покровом. Особый научный интерес проявляется к изучению подледниковых озер Антарктиды, которые были изолированы от биоты Земли на протяжении миллионов лет и, возможно, содержат реликтовые формы жизни. Толщина ледников в Антарктике достигает нескольких километров.
Новое изобретение позволит обеспечить быстрый, длительный и экологически чистый доступ к подледниковым озерам, а также создать возможность проведения геологоразведки подледниковых пород. Способ может быть использован для изучения подледникового озера Восток в Антарктиде.
Известен способ бурения ледниковых скважин, описанный в работе (Н.И. Васильев, А.Н. Дмитриев, П.А. Блинов. Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции Восток. ВЕСТНИК ОНЗ РАН, ТОМ 4, NZ2001, doi:l 0.2205/2012NZ000111, 2012) [1].
Способ заключается в следующем. Электромеханический буровой снаряд, закрепленный на грузонесущем кабеле с помощью лебедки опускается в скважину, которая заполнена заливочной жидкостью. Отделенный буровым снарядом ледовый керн извлекается на поверхность и снаряд повторно опускается в скважину. За один цикл опускания бурового снаряда в скважину проходка составляла 3 метра в верхнем слое льда и снижалась до 1 метра и менее в нижнем слое. Скорость спуска - подъема снаряда в скважине равнялась 0,7 м/с.На большой глубине скважины длительность одного цикла увеличивалась до 4-5 часов. В качестве заливочной жидкости, предотвращающей сжатие стенок скважины давлением со стороны ледника, использовалась незамерзающая смесь керосина с фреоном F-141b. После завершения бурения скважина оказалась не пригодной для использования по причине несоответствия заливочной жидкости экологическим требованиям (SCAR's Code of Conduct for the Exploration and Research of Subglacial Aquatic Environments) [2] и наличия в ней загрязнений (Озеро Восток. В поисках прикосновения / А.А. Захаров, Ю.О. Четвериков, В.А. Соловей, В.Ф. Ежов. - Гатчина Ленинградской обл., Изд-во НИЦ «Курчатовский институт» -ПИЯФ, 2020 - 154 с- ISBN 978-5-86763-442-1) [3].
Недостатки способа: - очень медленная скорость бурения;
- невозможность достигнуть объекта бурения за один полярный сезон;
- застревание бурового снаряда в скважине при бурении;
- несоответствие экологическим требованиям проникновения в подледниковые озера [2], что выражается в использовании заливочной жидкости, не отвечающей экологическим требованиям, образовании в заливочной жидкости клатратных гидратов фреона, загрязняющих скважину, загрязнении скважины механическими частицами в результате износа бурового оборудования, невозможности удаления из скважины загрязненной заливочной жидкости.
Известен способ бурения ледниковых скважин, описанный в работе (John W. Goodge, Jeffrey P. Severinghaus. Rapid Access Ice Drill: a new tool for exploration of the deep Antarctic ice sheets and subglacial geology. Journal of Glaciology (2016), 62(236) 1049-1064) [4].
Способ заключается в следующем.
Бурение льда осуществляется механическим способом посредством вращения труб, на конце которых располагается режущая коронка. Устройство для вращения труб находится на поверхности. Извлечение ледяной крошки из скважины производится незамерзающей жидкостью, для циркуляции которой используется замкнутая система с сепаратором для отделения ледяной крошки. В качестве заливочной жидкости используется Estisol 140, который предотвращает сжатие стенок скважины давлением со стороны ледника при глубинном бурении и не замерзает в скважине.
Недостатки способа:
- высокое энергопотребление при бурении;
- большой объем топлива для бурения одной скважины;
- большая высота буровой установки, реализующей способ, что опасно, учитывая скорость порывов ветра в Антарктике до 45 м/с;
- механический способ бурения приводит к загрязнению скважины;
- после окончания работ ледниковая скважина остается заполненной заливочной жидкостью;
- невозможность использования способа для вскрытия подледниковых озер, поскольку давление столба заливочной жидкости Estisol 140 превышает давление в озере и при вскрытии озера заливочная жидкость поступает в чистое озеро, что не допускается экологическими требованиями [2].
Известен способ бурения ледниковых скважин, описанный в работе (Benson Т. at el. IceCube Enhanced Hot Water Drill functional description. Annals of Glaciology 55(68) 2014 doi: 10.3189/2014AoG68A032) [5] и работе (L.Greenler, T.Benson, J.Cherwinka, A.Elcheikh, F.Feyzi, A.Karle, R.Paulos. Modeling hole size, lifetime and fuel consumption in hot-water ice drilling. Annals of Glaciology 55(68) 2014. DOI 10.3189/2014AoG68A033) [6].
Способ заключается в следующем. Вода из резервуара на поверхности подается насосами высокого давления в нагреватели, а затем поступает в гибкий трубопровод, намотанный на катушку, который постепенно вертикально опускается в лед. Горячая вода по гибкому трубопроводу через сопло на конце трубопровода под давлением поступает в забой скважины, где производит плавление льда. По скважине вода поднимается наверх и удаляется насосом в резервуар для повторного нагрева и подачи в скважину.
Недостатки способа:
- короткое время использования скважины, ограниченное 24 часами;
- необходимость бурения избыточного диаметра скважины с целью увеличения времени ее использования;
- невозможность прерывания процесса бурения;
- потеря в фирне большого количества нагретой воды;
- невозможность использования для вскрытия подледниковых озер, поскольку давление столба воды, которой производится тепловое бурение льда, превышает давление в озере и при вскрытии озера буровая вода поступает в озеро, что не допускается экологическими требованиями [2].
В качестве прототипа нового изобретения рассмотрен способ бурения ледника толщиной 3280 метров горячей водой для отбора проб воды и донных пород из подледникового озера Ellsworth в западной Антарктиде (Martin J. SIEGERT, Keith MAKINSON, David BLAKE, Matt MOWLEM, Neil ROSS. An assessment of deep hot-water drilling as a means to undertake direct measurement and sampling of Antarctic subglacial lakes: experience and lessons learned from the Lake Ellsworth field season 2012/13. Annals of Glaciology 55(65) 2014 doi: 10.3189/2014AoG65A008) [7].
Способ бурения заключается в следующем. Вода из резервуара на поверхности поступает в нагреватели, а затем насосами высокого давления подается в гибкий трубопровод намотанный на катушку, с которой он постепенно вертикально опускается в скважину. Горячая вода по гибкому трубопроводу через сопло на конце трубопровода подается в забой скважины, что приводит к плавлению льда и углублению скважины. Вода поднимается по скважине и поступает в подледную полость большого объема, откуда погружным насосом подается обратно в поверхностный резервуар для повторной циркуляции.
Чтобы исключить поступление воды, используемой для бурения, в озеро при его вскрытии, ее уровень должен поддерживаться ниже гидрологического уровня подледникового озера, который находится на глубине 270 метров. С этой целью рядом со скважиной внутри льда тем же способом проплавляется большая полость, которая соединяется со скважиной. Внутри полости размещается погружной насос для удаления воды на поверхность и поддержания уровня ниже гидрологического.
Достоинства способа-прототипа:
- высокая скорость бурения;
- возможность вскрытия подледниковых озер с соблюдением экологических требований. К недостаткам прототипа можно отнести:
- невозможность бурения ледников толщиной более 3300 метров, поскольку при такой протяженности скважины в процессе бурения вода остывает и намерзает на стенках скважины;
- ограниченное время использования ледниковой скважины, поскольку после извлечения из пробуренной скважины гибкого трубопровода, подающего горячую воду, вода, заполняющая скважину, постепенно намерзает на стенках скважины, что уменьшает ее диаметр;
- необходимость бурения избыточного диаметра скважины с целью увеличения времени ее использования;
- необходимость создание внутри льда полости большого объема ниже гидрологического уровня воды;
- потерю в фирне части воды, используемой для бурения;
- невозможность приостановки процесса бурения, поскольку вода замерзает в скважине;
- дополнительные энергетические затраты на создание внутри ледника полости для воды, которая соединена со скважиной;
- дополнительные энергетические затраты в процессе бурения на подъем воды насосами из полости, расположенной внутри ледника ниже гидрологического уровня.
Задача изобретения - создание способа бурения ледниковых скважин, сохраняющего преимущества прототипа и обеспечивающего поддержание скважины в рабочем состоянии длительное время после окончания бурения, а также возможность ее консервации.
Технический результат заключается в реализации данной задачи.
Технический результат достигается тем, что в способе бурения ледниковых скважин, заключающемся в том, что горячую жидкость под давлением через сопло на конце гибкого трубопровода подают в забой вертикальной скважины, новым является то, что гибкий трубопровод опускают до поверхности льда через обсадную колонну, помещенную в фирн, а в качестве горячей жидкости используют диметилполисилоксановую жидкость, которая после окончания бурения не замерзает в скважине и может впоследствии из нее извлекаться.
Предложенный способ бурения ледниковых скважин реализуется с помощью установки, представленной на Фиг. 1, где:
1. Резервуар хранения диметилполисилоксановой жидкости;
2. Емкость с жидкостью;
3. Погружной насос подачи диметилполисилоксановой жидкости в резервуар хранения;
4. Погружной жидкостной насос;
5. Насосная станция высокого давления;
6. Устройство нагрева диметилполисилоксановой жидкости;
7. Катушка;
8. Гибкий трубопровод;
9. Шкив;
10. Буровое сопло;
11. Скважина;
12. Откачной погружной насос;
13. Сепаратор;
14. Углубление с дренажной водой;
15. Обсадная колонна;
16. Обогреваемая емкость с водой;
а - фирн;
б - лед;
в - вода;
г - уровень диметилполисилоксановой жидкости;
д - уровень воды в скважине;
е - гидрологический уровень воды.
В изобретении предлагается использовать известную диметилполисилоксановую жидкость (P.G. Talalay. Dimethyl siloxane oils as an alternative borehole fluid. Annals of Glaciology 47 2007) [8] в качестве горячей жидкости для бурения льда, которая не замерзает в скважине после окончания бурения и может впоследствии извлекаться из скважины.
Химическая формула диметилполисилоксана:
Диметилполисилоксановая жидкость выпускается промышленным способом, обладает температурой замерзания -84°С, имеет плотность, близкую к плотности льда, и относительно низкую вязкость. Диметилполисилоксановая жидкость имеет высокую степень гидрофобности и меньшую чем у воды плотность, что позволяет легко отделять ее от воды в сепараторе.
Способ бурения заключается в следующем.
Под слоем фирна (а) находится массив ледника (б), который опирается на озерную воду (в). Резервуар хранения диметилполисилоксановой жидкости (1) соединен с емкостью (2) из которой диметилполисилоксановая жидкость может возвращаться погружным насосом (3) в резервуар хранения (1). Погружной жидкостной насос (4) подает диметилполисилоксановую жидкость в насосную станцию высокого давления (5), откуда она поступает в устройство нагрева диметилполисилоксановой жидкости (6), которое соединено с катушкой (7) с присоединенным намотанным на нее гибким трубопроводом (8). Гибкий трубопровод (8) сматывается с катушки (7) и через шкив (9) опускается вертикально вниз. На конце гибкого трубопровода (8) располагается сопло (10), выходя из которого струя нагретой диметилполисилоксановой жидкости производит плавление льда в забое, формируя скважину (11). Образовавшаяся вода выносится диметилполисилоксановой жидкостью по скважине наверх, откуда смесь жидкости с водой насосом (12) подается в сепаратор (13), в котором вода отделяется и сливается в углубление (14), а прошедшая через скважину и охлажденная в ней диметилполисилоксановая жидкость поступает в емкость (2) для последующей рециркуляции. В слое фирна (а) находится обсадная колонна (15), которая предотвращает утечку жидкости в фирн.
С помощью откачного погружного насоса (12) в процессе бурения в скважине поддерживается уровень (г), который обеспечивает давление в забое скважины меньше величины давления в озере, что приводит к подъему воды из озера до уровня (д) в момент вскрытия озера и исключает попадание диметилполисилоксановой жидкости в озеро. Гидрологический уровень (е) показывает положение уровня воды, который установился бы в случае пустой скважины.
После окончания бурения гибкий трубопровод (8) с буровым соплом (10) на конце наматывается на катушку (7), а скважина остается заполненной незамерзающей экологически чистой диметилполисилоксановой жидкостью, через которую можно опускать и поднимать приборы и оборудование для изучения воды и подледниковых пород.
После завершения работ на скважине, в нее ниже уровня (д) опускается буровое сопло (10), и в гибкий трубопровод (8) насосной станцией (5) через устройство нагрева диметилполисилоксановой жидкости (6) из обогреваемой емкости (16) подается вода. Более легкая диметилполисилоксановая жидкость вытесняется водой наверх, и откачным погружным насосом (12) удаляется в емкость (2), откуда погружным насосом (3) закачивается в резервуар хранения (1). Удаленная из скважины диметилполисилоксановая жидкость может повторно использоваться для бурения других ледниковых скважин.
В предлагаемом способе диметилполисилоксановая жидкость объединяет и выполняет три функции:
- используется в качестве инструмента бурения, обеспечивающего плавление льда и удаления образовавшейся воды из скважины;
- используется в качестве заливочной жидкости, предотвращающей смыкание стенок скважины под воздействием давления окружающего льда;
- используется в качестве экологически чистого антифриза, поддерживающего длительную эксплуатацию скважины.
В качестве теплоносителя диметилполисилоксановая жидкость по теплоемкости уступает воде. Ее теплоемкость в 2,3 раза ниже теплоемкости воды, что компенсируется повышенной температурой нагрева и расходом. Как заливочная жидкость с плотностью, близкой к плотности льда, диметилполисилоксановая жидкость компенсирует давление окружающего льда на скважину, предотвращая ее сужение, и при этом обеспечивается близкий к поверхности уровень жидкости, что снижает энергетические затраты в процессе бурения на удаление жидкости из скважины.
Диметилполисилоксановая жидкость, заполняющая скважину, никогда не замерзает в ней после окончания бурения (в отличие от прототипа), что обеспечивает длительную эксплуатацию скважины.
К достоинствам предлагаемого способа бурения ледниковых скважин можно отнести также то, что он позволяет:
1) выполнять бурение ледниковых скважин на глубину 4000 метров, что невозможно сделать в случае бурения горячей водой, которая при такой протяженности скважины остывает и намораживается на ее стенках;
2) избежать потерь горячего теплоносителя (диметилполисилоксановой жидкости) в слое фирна за счет установки в него обсадной колонны;
3) длительно использовать скважину за счет того, что диметилполисилоксановая жидкость не замерзает в ней и своим гидростатическим давлением не позволяет стенкам скважины сомкнуться под воздействием давления окружающего льда;
4) прекращать бурение на любой срок и на любой глубине с последующим возобновлением проходки скважины, поскольку диметилполисилоксановая жидкость не замерзает в скважине;
5) обеспечивать чистые условия бурения за счет использования диметилполисилоксановой жидкости, которая является экологически нейтральной жидкостью и при необходимости может подвергаться дополнительной обработке, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым при проведении поисково-исследовательских работ через пробуренную скважину [2];
6) производить консервацию скважины после завершения работ путем замещения диметилполисилоксановой жидкости водой с последующим ее замерзанием в скважине. Консервация минимизирует экологическое воздействие на окружающую среду и позволяет повторно использовать диметилполисилоксановой жидкости для бурения других скважин.
Практическая эффективность способа бурения горячим теплоносителем (водой) подаваемым через гибкий трубопровод большой длины в забой скважины, подтверждается бурением 86 скважин для нейтринного телескопа IceCube на Южном полюсе [5]. А для подтверждения возможности бурения ледников с использованием горячей диметилполисилоксановой жидкости в качестве теплоносителя выполнены теплофизические расчеты с помощью компьютерной программы (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020665064. Захаров А.А., Колхидашвили М.Р. Дата регистрации 20 ноября 2020) [9], которая была протестирована по результатам, полученным при бурении скважин IceCube.
Источники информации
1. Н.И. Васильев, А.Н. Дмитриев, П.А. Блинов. Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции Восток. ВЕСТНИК ОНЗ РАН, ТОМ 4, NZ2001, doi: 10.2205/2012NZ000111,2012.
2. SCAR's Code of Conduct for the Exploration and Research of Subglacial Aquatic Environments.
3. Озеро Восток. В поисках прикосновения / А.А. Захаров, Ю.О. Четвериков, В.А. Соловей, В.Ф. Ежов. - Гатчина Ленинградской обл.: Изд-во НИЦ «Курчатовский институт» -ПИЯФ, 2020. - 154 с.: ил. - 50 экз. - ISBN 978-5-86763-442-1.
4. John W. Goodge, Jeffrey P. Severinghaus. Rapid Access Ice Drill: a new tool for exploration of the deep Antarctic ice sheets and subglacial geology. Journal of Glaciology (2016), 62(236) 1049-1064.
5. Benson T. at el. IceCube Enhanced Hot Water Drill functional description. Annals of Glaciology 55(68) 2014 doi: 10.3189/2014AoG68A032.
6. L. Greenler, T. Benson, J. Cherwinka, A. Elcheikh, F. Feyzi, A. Karle, R. Paulos. Modeling hole size, lifetime and fuel consumption in hot-water ice drilling. Annals of Glaciology 55(68) 2014. DOI 10.3189/2014AoG68A033.
7. Martin J. SIEGERT, Keith MAKINSON, David BLAKE, Matt MOWLEM, Neil ROSS. An assessment of deep hot-water drilling as a means to undertake direct measurement and sampling of Antarctic subglacial lakes: experience and lessons learned from the Lake Ellsworth field season 2012/13. Annals of Glaciology 55(65) 2014 doi: 10.3189/2014AoG65A008.
8. P.G. Talalay. Dimethyl siloxane oils as an alternative borehole fluid. Annals of Glaciology 47 2007.
9. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2020665064. Захаров А.А., Колхидашвили М.Р. Дата регистрации 20 ноября 2020.