Ликвидация осложнений и аварий при бурении глубоких скважин в ледниках

УДК 622.24

Н.И.ВАСИЛЬЕВ, П.Г.ТАЛАЛАЙ, В.М.ЗУБКОВ, А.В. КРАСИЛЕВ, М.В.ЗУБКОВ

Санкт-Петербургский государственный горный институт

ЛИКВИДАЦИЯ ОСЛОЖНЕНИЙ И АВАРИЙ ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН В ЛЕДНИКАХ

Анализ современного состояния технологии бурения скважин в ледниках свидетельствует о высокой аварийности при проходке глубоких горизонтов ледниковых покровов, для которых характерно увеличение размеров кристаллов и наличие температур, близких к точке плавления льда под давлением. Общепринятых рекомендаций по выбору рациональных параметров бурения такого льда на сегодняшний момент не существует. Недостаточная надежность процесса бурения нередко приводила к тяжелым авариям в скважине - прихватам буровых снарядов. Эффективная ликвидация прихватов обеспечивается растворением льда в аварийной зоне путем доставки в эту зону органического растворителя, активного ко льду, например, этиленгликоля или его водного раствора.

In spite of the certain success in ice drilling technology, there are enough accident examples of the deep coring in so-called warm ice, which is characterized by the increasing of ice crystals and has temperatures closed to the pressure melting point. The generally accepted recommendations for choosing of rational drilling parameters in such ice don't exist. The low reliability of the drilling process as often as not resulted to the one of the most severe accident in the hole - sticking of the core drills. The effective accident elimination is possible due to the ice dissolving in the sticking zone by the delivery in this zone of the solvent active to ice, for example, ethylene glycol or its aqueous solution.

На глубоких горизонтах ледников при механическом вращательном бурении так называемого «теплого» льда с температурой, близкой температуре плавления, нередко возникают осложнения, заключающиеся в налипании ледяного шлама на поверхность породоразрушающего инструмента и колонковой трубы с последующим зашла-мованием призабойной зоны и резким возрастанием уровня мощности на электроприводе снаряда. Как правило, на таких глубинах процесс углубки скважин практически останавливается. Несвоевременное прекращение рейса приводит к наиболее тяжелой по последствиям аварии - прихвату бурового снаряда в скважине. Мероприятия по ликвидации подобных аварий крайне трудоемки и не всегда приводят к положительному результату.

В работе [4] утверждается, что основной причиной протаивания льда при механическом вращательном бурении является

снижение точки плавления за счет оказываемого резцами давления. В действительности давление резцов породоразрушающе-го инструмента в зоне контакта с забоем скважины составляет 1 -2 МПа, что приводит к снижению температуры плавления на 0,07-0,14 °С и является явно недостаточным для протаивания льда.

По нашему мнению, основными причинами слипания частиц шлама и образования сальников при бурении «теплого» льда являются, во-первых, изменения физико-механических свойств льда при температурах, близких к точке плавления, и, во-вторых, теплота, связанная с разрушением льда на забое скважины и трением шлама при его транспортировании.

Теория возникновения на поверхности льда тонкой квазижидкой пленки построена Н.Флетчером на основе термодинамического моделирования структуры поверхности льда с упорядоченным расположением ди-

70 60 50 40 30 20 10 0

-7 -6 -5 -4 -3 -2

Температура, °С

-1

« о

н о

Т

Рис. 1. Зависимость толщины квазижидкого пленки на поверхности льда от температуры при атмосферном давлении [5]

польных молекул воды [5]. Как следует из этой теории, квазижидкий слой возникает на поверхности льда практически мгновенно при температуре примерно -6,2 °С, а его толщина резко возрастает при приближении к точке плавления (рис.1).

Представление о подобной структуре поверхности льда было подтверждено и экспериментально в результате исследования дифракции рентгеновских лучей и ядерного магнитного резонанса на поверхности льда [2]. Образование на поверхности льда квазижидкого водяного слоя приводит к увеличению его адгезионных свойств и появлению способности к быстрому взаимно-

му слипанию частиц ледяного шлама, образованию ледяных пробок и сальников на поверхности бурового оборудования.

Другой причиной, усиливающей эффект протаивания льда, является резкое изменение структуры льда на глубоких горизонтах ледников. Поликристаллический лед с размерами кристаллов от первых миллиметров до первых сантиметров, характерный для верхней толщи ледника, на глубоких горизонтах ледников сменяется монокристаллическим льдом, имеющим размер кристаллов 1 м и более. Изменение структуры льда вызывает увеличение усилий, необходимых для его разрушения, и изменение формы и крупности шлама.

На рис.2 представлен график рейсовой проходки при бурении скважины 5Г-1 на станции «Восток» (Антарктида), на который наложено изменение размеров кристаллов льда в зависимости от глубины [1]. Видна устойчивая корреляция между рейсовой проходкой и размерами кристаллов. При увеличении размеров кристаллов рейсовая проходка падает, а ниже 3000 м отмечаются многочисленные остановки бурения. С глубины примерно 3480 м размеры кристаллов льда начинают превышать 20 мм, и в бурении намечается тенденция к полному прекращению процесса углубки. Изменения,

3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5

20 + 18 16 14 12 + 10 8 6 4

-I- 2

0

2750 2850 2950 3050 3150 3250 3350

Глубина скважины, м

3450

3550

3650

и р

к р

а Р

Рис.2. Зависимость изменения рейсовой проходки (1) и размеров кристаллов (2) льда по глубине скважины 5Г-1

на станции «Восток»

0

0

182 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.178

внесенные в конструкцию коронки и фильтра шламосборника, позволили продолжить проходку, но тенденция к сокращению рейсовой проходки сохранилась.

Процесс образования частиц шлама различен при резании монокристаллов льда и поликристаллического массива, состоящего из мелких кристаллов (до 5 мм). Шлам при бурении поликристаллического льда состоит в основном из частиц размерами более 1-2 мм. Шлам при резании крупных монокристаллов льда состоит из частиц размерами меньше 0,5 мм с большим количеством мелкодисперсных фракций. Попадая в фильтр, мелкодисперсный шлам образует слой на сетке фильтра, который даже при незначительной толщине создает большие сопротивления для потока промывочной жидкости. Это приводит к снижению расхода жидкости, что, в свою очередь, способствует образованию шламовых пробок у резцов и остановке бурения.

И, наконец, еще одной причиной про-таивания частиц шлама и образования сальников является теплота, выделяющаяся при разрушении льда на забое скважины. Допуская, что основным тепловым источником при механическом разрушении льда резанием является теплота трения и что вся работа сил трения переходит в тепло, которое выделяется по контактной площадке резца с отделяемым элементом, теоретически доказана возможность проплавления отделяемых частиц льда, имеющего температуру в естественном залегании, близкую температуре его плавления [3].

Образование кусков льда, размеры которых больше, чем проходные сечения между керном и внутренней поверхностью колонковой трубы, также влияет на стабильность процесса бурения. Куски мелкокристаллического льда, периодически остающиеся в районе забоя при срыве керна, легко дробятся при контакте с резцами коронки и, как правило, не вызывают осложнений при удалении с забоя. Для дробления куска состоящего из монокристаллов, которые стали появляться на глубинах свыше 3000 м, требуется значительно большее силовое воздействие.

Куски льда

Спрессованный шлам

Рис.3. Шламовая пробка у резца буровой коронки

Куски льда, попадающие в зону резца и имеющие размеры, превышающие размер проходного сечения, способствуют образованию шламовых пробок, что приводит к остановке бурения (рис.3). При этом циркуляция жидкости не прекращается, так как у остальных резцов проходные сечения остаются свободными. При подобном сценарии протекания процесса остановка бурения неизбежна на первых 50-100 мм и этим может быть объяснено прекращение бурения в рейсах из-за невозможности внедрения резцов в забой скважины.

При наличии большого свободного пространства между резцами куски льда могут иметь весьма значительные размеры, и внедрения резцов в забой не произойдет даже при нагрузке на забой, равной весу бурового снаряда (рис.4, а). Для ограничения размеров кусков необходимо иметь между резцами экран, который будет препятствовать возникновению такой ситуации. Размер А между режущей кромкой резца и торцом экрана должен быть меньше, чем размер зазора между керном и внутренней поверхностью колонковой трубы. Разрушение кусков льда будет происходить за счет срезания, как показано на рис.4, б, в, г, д. При этом возможно срезание пластинок льда шириной равной ширине резца при толщине в несколько миллиметров. Такие пластинки неоднократно находились в шламе или в шла-

Рис.4. Схема взаимодействия резца с кусками льда на забое скважины

мовых пробках у резцов. Избежать образования широких пластинок удалось, сделав с нижней стороны резцов торцевые канавки (рис.5).

Эффективность бурения «теплого» льда зависит не только от разработки средств и методов предупреждения возникновения осложнений и аварий, направленных на нейтрализацию тепловых потоков, возникающих в зоне разрушения и снижение адгезии между поверхностями бурового инструмента и ледяного шлама, но и от создания

Рис.5. Резец буровой коронки

надежной и безопасной технологии ликвидации прихватов. Для этого предложено доставлять в зону прихвата органические соединения - этиленгликоль и его водные растворы, способные интенсивно растворять лед при отрицательных температурах [6].

Этиленгликоль относится к классу двухатомных спиртов и представляет собой вязкую бесцветную жидкость, используемую в качестве растворителя, пластификатора и компонента антифризов. Этиленгликоль смешивается с водой в любых соотношениях. Основные свойства этиленгликоля:

Химическая формула C2H4(OH)2

Плотность (при температуре 20 °С), кг/м3 1115,5 Динамическая вязкость (при температуре

20 °С), МПа-с 19,9

Температура плавления, °C -12,6

Температура кипения, °С 197,8

Температура вспышки, °С 111

Температура самовоспламенения, °С 400

Для ликвидации прихватов могут быть использованы охлаждающие жидкости на основе этиленгликоля типа тосол, например, тосол А-40М или тосол А-65М. В состав то-сола А-40М входят 52,6 % этиленгликоля, 47,4 % воды и не менее семи присадок, обеспечивающих такие важные свойства

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.178

а

д

охлаждающей жидкости, как сохранение текучести при низких температурах, нейтральное воздействие на материалы системы охлаждения, сохранение технической стабильности при эксплуатации и хранении и др.

Тосол А-65М обладает пониженной температурой замерзания и предназначен для использования в регионах с низкими температурами. В его состав дополнительно введены одноатомные спирты (также активные по отношению ко льду), в частности - метанол.

Кинетика разрушения в агрессивных ко льду жидкостях весьма сложна и мало изучена. Для оценки скорости растворения льда в этиленгликоле и его водном растворе предварительно взвешенные образцы помещались на определенное время в охлажденную жидкость и тщательно взвешивались после взаимодействия. Интенсивность растворения оценивалась скоростью изменения массы льда в единицу времени. В результате экспериментальных исследований было установлено, что скорость таяния льда в эти-ленгликоле и его водном растворе зависит от концентрации растворителя, а также температуры растворителя и льда:

Тип жидкости

Концентрация, % по массе Температура, °С Длительность воздействия, ч Скорость разрушения, г/ч

Водный раствор Этилен-

этиленгликоля гликоль 11 100 -2,5 -11 0,5 1,75 1,0 12,5

Растворение льда происходит вплоть до образования раствора равновесной концентрации, при которой система находится в состоянии термодинамического равновесия. Равновесная концентрация равна массовому содержанию этиленгликоля при температуре его замерзания. Сначала, при увеличении концентрации, температура замерзания водного раствора этиленгликоля падает, достигая минимума -52 °С при 62 % по массе, а затем наблюдается рост температуры замерзания до -12,6 °С для чистого этиленгликоля (рис.6).

В интервале от 0 до 62 % по массе равновесная концентрация этиленгликоля зависит от температуры следующим образом:

= -6,0 • 10"413 - 6,21 -10-212 - 2,78^

-2,2

С

100

-10

а р

ту

е Т

-30

Концентрация, % по массе

Рис.6. Зависимость температуры замерзания водного раствора этиленгликоля от его концентрации [7]

Зная температуру льда в районе аварийного снаряда, можно рассчитать равновесную концентрацию этиленгликоля и далее оценить количество реагента тэ, необходимое для растворения льда массой тл,

т^ =

Сб тё

0,01СЛ100 - Сб)"

где Сэ - концентрация раствора этиленгли-коля, планируемого для использования при ликвидации прихвата, % по массе.

При работе с этиленгликолем следует иметь в виду, что он является высокотоксичным тератогенным соединением. Предельно допустимая концентрация паров этиленгли-коля в воздухе рабочей зоны крайне низка (ПДКрз = 0,1 мг/м3). Даже при незначительном превышении пороговой концентрации пары этиленгликоля вызывают головные боли, тошноту, общую анестезию, нарушение дыхания, при увеличении дозы происходят необратимые изменения печени и почек. Попадание этиленгликоля на кожный покров и слизистую оболочку глаз приводит к серьезным раздражениям. Все это накладывает особые требования к соблюдению правил производственной санитарии при ликвидации аварий с применением этиленгликоля или его водных растворов.

Плотность водных растворов этиленг-ликоля зависит от температуры и концентрации антифриза, при этом плотность увеличивается с ростом концентрации этиленг-ликоля (табл.1). В любом случае чистый этиленгликоль или его водный раствор «тяжелее» промывочной жидкости, плотность которой поддерживается, как правило, в пределах 920-950 кг/м3, и, следовательно, - 185

Плотность водных растворов этиленгликоля от температуры [7]

Таблица 1

Температура, °C Концентрация, % по массе

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-45,6 - - - - - - 1110 1125 1137 - -

-40,0 - - - - - - 1108 1122 1134 - -

-34,4 - - - - - 1087 1105 1120 1131 - -

-28,9 - - - - - 1086 1103 1117 1128 1138 -

-23,3 - - - - 1068 1084 1100 1114 1125 1135 -

-17,8 - - - - 1066 1082 1097 1111 1122 1131 -

-12,2 - - - 1048 1064 1080 1095 1107 1118 1128 1136

-6,7 - - 1031 1147 1063 1077 1092 1104 1115 1124 1132

-1,1 - 1015 1030 1045 1061 1075 1089 1101 1111 1121 1128

4,4 1000 1014 1029 1044 1059 1073 1086 1098 1108 1117 1124

10,0 1000 1013 1027 1042 1056 1070 1083 1094 1105 1113 1120

15,6 999 1012 1026 1040 1054 1067 1080 1091 1101 1109 1116

21,1 998 1011 1024 1038 1051 1064 1076 1087 1097 1105 1113

Таблица 2

Ликвидированные прихваты буровых снарядов

Скважина Дата аварии Аварийная глубина, м Масса этиленгликоля, опущенного в скважину, кг Общее время ликвидации аварии

NGRIP-2, Гренландия 15/07/00 2931 150* + 6,0 5 суток

02/07/01 2984 5,0 7 ч

04/07/01 2987 2,5 7 ч

08/07/01 2994 4,5 14 ч

27/07/01 3000 4,0 19 ч

03/07/04 3015 1,7 8 ч

EDC-2 (Купол С), Антарктида 21/12/04 3270 2,0 8 ч

5Г-1 («Восток»), Антарктида 13/01/07 3658 80* 25 суток

* Охлаждающая жидкость типа тосол (Сэ « 62 %).

под действием силы тяжести будет опускаться к забою скважины.

Доставка этиленгликоля к аварийному снаряду при помощи желонок, как правило, невозможна, так как в момент аварии в скважине находится грузонесущий кабель. Как показали экспериментальные работы по ликвидации прихвата бурового снаряда в глубокой скважине NGRIP-2 (Гренландия) в 2000 г., заливка в скважину водного раствора этиленгликоля с поверхности оказалось малоэффективной. На пути к аварийному снаряду произошло растворение стенок скважины и полное разубоживание раствора.

Для доставки растворителя в аварийную зону предложено замораживать его на поверхности в виде таблеток и затем опускать в скважину. Основная часть разреза скважины имеет температуру ниже температуры плавления этиленгликоля, что предохраняет его от растепления на пути к аварийному снаряду. Попав на верхнюю часть бурового снаряда, где температура выше температуры плавления этиленгликоля, он расплавляется и стекает вниз, растворяя лед непосредственно в зоне прихвата.

Предложенная технология ликвидации прихватов буровых снарядов была неоднократно использована при бурении глубоких скважин в Антарктиде и Гренландии (табл.2).

186 -

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т.178

При продолжении бурения в скважине 5Г-1 на станции «Восток» в сезоне 52-й Российской антарктической экспедиции (январь 2007) на глубине 3658 м возникла аварийная ситуация. При срыве керна произошел прихват снаряда на забое скважины, при натяжении грузонесущего кабеля он был вырван из заделки кабельного замка снаряда. Вытяжка кабеля могла быть принята за перемещение бурового снаряда вверх, что привело к приложению недопустимо большого усилия к кабелю. Кроме того, могла сказаться усталость металла проволок брони грузо-несущего кабеля.

Для извлечения снаряда была разработана и изготовлена специальная ловильная пика (рис.7, а). Нижняя часть ловильной пики представляет собой стержень с поперечным окном, в котором на оси закреплена собачка. Под действием пружины собачка поворачивается поперек стержня и удерживается во взведенном состоянии внутри стержня подпружиненной втулкой. Нижний конец стержня выполнен конусным, а верхний конец - жестко закреплен в корпусе, играющим роль центратора.

При посадке на аварийный буровой снаряд центратор входит в верхнюю шламовую трубу, центрируя устройство относительно снаряда. При дальнейшем продвижении вниз стержень входит в отверстие кабельного замка, подпружиненная втулка перемещается относительно стержня и освобождает собачку, которая поворачивается поперек стержня (рис.7, б).

Для извлечения аварийного снаряда из скважины в призабойную часть скважины при помощи желонки было доставлено 80 л тосола, чтобы заполнить интервал на высоту 8 м от забоя. Затем в скважину была опущена ловильная пика и буровой снаряд был извлечен с первой попытки. Таким образом, использование активных по отношению ко льду реагентов, например, этиленгликоля является надежным и эффективным способом ликвидации прихватов электромеханических снарядов в скважине.

Рис.7. Схема работы ловильной пики

ЛИТЕРАТУРА

1. Липенков В.Я. История климата и оледенения Антарктиды по результатам изучения ледяного керна со станции Восток / В.Я.Липенков, Н.И.Барков, А.Н.Саламатин // Проблемы Арктики и Антарктики. Вып.72. С.197-236.

2. Маэно Н. Наука о льде. М.: Мир, 1988. 231 с.

3. Талалай П.Г. Тепловой режим разрушения льда резанием // Записки Горного института. 2001. Т.148. Часть 2. С.169-174.

4. Bjornsson H. Freezing on a rotary drill in temperate glacier ice // Johull. 1973. Vol.23. P.53-54.

5. Fletcher N.H. The chemical physics of ice. Cambridge Univ. Press, 1970. 271 p.

6. Gundestrup N.S., Johnsen S.J., Hansen S.B., Shoji H., Talalay P., Wilhelms F. Sticking of core drills: Why and how to recover // Memoirs of National Institute of Polar Research (Japan). 2002. Vol.56. P.181-195.

7. Industrial Solvents Handbook / 4th Ed. Park Ridge, New Jersey, USA, 1991. 930 p.