Пять стихий: земля

Земля, по традиции, считается самой тяжелой и самой инертной стихией. Человек, как правило, тревожит лишь самую ее поверхность, но есть одна отрасль промышленности, а именно добыча полезных ископаемых, которая заставляет людей и механизмы погружаться в землю на сотни метров, иногда на целые километры. В рамках проекта «Пять стихий», который N+1 осуществляет совместно с НИТУ «МИСиС», мы расскажем о бурении — о тех методах и материалах, которые позволяют углубляться в землю более чем на 12 километров.

Добыча ископаемого топлива (в первую очередь нефти и газа) многим людям представляется — совершенно безосновательно — довольно простой технологической задачей: проделал отверстие в земле, протянул трубу до ближайшего нефтеперерабатывающего завода и пожалуйста — нефть сама течет рекой. Вообще-то полтора века назад примерно все так и было, но сегодня самые большие и расположенные близко под поверхностью планеты месторождения уже успешно освоены, а многие и окончательно истощены. Наступила эпоха трудноизвлекаемых углеводородов, а это значит, что добыча нефти и газа в новых условиях требует нестандартных идей, дорогостоящего оборудования и влечет за собой серьезные финансовые риски.

И конечно, при этом трудно обойтись без бурения. Оно известно человечеству не менее 2200 лет — еще в Древнем Китае бурили скважины в поисках газа и воды, о чем сохранились упоминания в исторических документах. Но первая нефтяная скважина глубиной 21 метр была пробурена в России лишь в 1846 году, а до этого нефть добывали с помощью колодцев, благо освоенные тогда месторождения имели небольшую глубину залегания.

Современные нефтяные и газовые скважины могут иметь глубину более шести километров, причем канал скважины зачастую изгибается и даже способен идти в горизонтальном направлении. Бурение на такие глубины является чрезвычайно сложной технической задачей — ведь лично проконтролировать процесс, идущий на такой глубине, человек не в состоянии.

«В современном мире бурение — это симбиоз сразу нескольких процессов. Во-первых, точного знания геотехнологических и геодинамических процессов происходящих в толще пород. Недра представляют собой живой организм, постоянно меняющийся и особенно меняющийся при его нарушении, поэтому знать точно, как ведет себя массив самого поля полезного ископаемого и пространство вокруг него, очень важно. Во-вторых, абсолютного понимания технологии разработки и тех механизмов, которые позволяют ее реализовать. Новые материалы, как производные из различных металлов, так и современные композитные материалы, безусловно, способствуют более точному, эффективному и бережному процессу разработки месторождений. И в-третьих, точного понимания аспектов, связанных с охраной природы. Добыча любого полезного ископаемого, с любой глубины, в настоящее время невозможна, без четкого понимания того, как будут существовать окружающие экосистемы», — говорит директор Горного института НИТУ «МИСиС» Александр Мясков.

Важнейшим элементом бурового оборудования является сам бур — а точнее, долото. Материал, из которого оно сделано, должен быть достаточно тверд, чтобы дробить породы на глубине, и в то же время прочен, чтобы не ломаться о них. Наибольшую известность и распространение получили буровые долота шарошечного типа.

Вопреки распространенному мнению, шарошки (подвижные зубчатые элементы) вращаются не отдельным двигателем, а просто механически перекатываются по дну скважины при вращении бура. Форма шарошек подобрана таким образом, чтобы при вращении они очищали друг друга от налипшего грунта и раздробленных пород — в противном случае зубья забивались бы за считанные минуты и бурильную колонну слишком часто приходилось бы поднимать для очистки, что в случае бурения на больших глубинах может занимать несколько часов.

Буровые долота сделаны из специальных твердых сплавов — как правило, на основе карбида вольфрама. Карбид вольфрама — это соединение WC (Wolfram + Carbon), имеющее очень высокую твердость по Роквеллу (80–90 HRA), которое под нагрузкой способно проявлять небольшие пластические свойства. Изделия из карбида вольфрама получают методами порошковой металлургии: порошок из WC под действием высокой температуры (близкой к температуре плавления сплава) и приложенного давления спекается в единую массу. Полученные таким образом изделия обладают очень высокой твердостью и прочностью.

Самым известным сплавом на основе карбида вольфрама является победит — материал, полученный в СССР еще в 1929 году для производства режущих инструментов и буровых долот. Этот сплав карбида вольфрама и кобальта продемонстрировал высокие качества, а удачное название запомнилось, так что и сегодня в России все современные сверла для перфораторов и буров называют победитовыми, хотя они сделаны на основе других сплавов.

Но сверхтвердые сплавы имеют один серьезный недостаток — они слишком хрупкие. По этой причине изготаваливать буровое долото из карбида вольфрама целиком нецелесообразно, разумнее делать из него только режущие зубцы, которые соединяются с основой инструмента пайкой или винтами (последний вариант делает возможной замену поврежденных и сточенных зубцов).

Изначально на большинстве скважин буровое долото вращалось только под действием момента силы, приложенного к верхней части колонны. Но по мере увеличения длины бурильной колонны вращать ее целиком становится трудно, особенно если ствол скважины отклонялся от вертикали. Чтобы преодолеть это затруднение, был изобретен турбобур — в последнем сегменте колонны размещалась осевая турбина, которая раскручивалась буровым раствором, проходившим через полую внутреннюю часть колонны. Раствор при этом подавался мощными насосами, расположенными у устья скважины. Длина такой турбины может составлять несколько десятков метров. Другой способ, позволяющий вести глубокое бурение, связан с установкой электродвигателя, который вращает долото.

Буровой раствор — неотъемлемая часть современного процесса бурения. В ходе экспериментов выяснилось, что при подаче жидкости через буровую колонну на дно скважины она эффективно выносит раздробленную породу, смазывает и предохраняет от износа буровое оборудование, укрепляет стенки скважины и надежно охлаждает долото.

В 30-е годы была освоена технология наклонного направленного  бурения, чтобы, например, добывалать нефть из месторождений, расположенных непосредственно под городами или под «трудными» породами. Изначально скважина бурилась вертикально вниз, после чего начиналось постепенное отклонение от вертикали с помощью жесткого наклона сегментов бурильной колонны. Появление технологий бурения под углом сделало возможным так называемое «кустовое бурение», при котором несколько скважин имеют общее устье, — это позволяет с большей эффективностью добывать нефть и газ из небогатых месторождений или из нескольких месторождений сразу.

Развитием этой технологий является технология горизонтального бурения, без которой была бы невозможна добыча трудноизвлекаемых сланцевых нефти и газа. В этом случае вертикальный ствол скважины на определенном уровне начинает загибаться и выходит на горизонталь, в то время как бур продолжает двигаться параллельно поверхности земли. Благодаря такому способу бурения значительная часть длины скважины проходит горизонтально по сланцевому пласту, увеличивая площадь поверхности, через которую в скважину поступает нефть или газ. Это важно именно для сланцевых пород, пористость которых значительно меньше, чем у традиционных нефтеносных пластов.

Бурильная колонна должна быть достаточно прочной, чтобы выдерживать свой собственный вес. У современных глубоких скважин длина колонны может достигать 5-6 километров, а масса — нескольких сотен тонн. При этом все это огромное сооружение вращается, скручивается и испытывает множество видов механических нагрузок.

Бурильные трубы изготавливают из сталей разных категорий прочности или легких прочных сплавов. Последние более дорогие, но позволяют существенно уменьшить вес бурильной колонны, что снижает риск ее обрыва от собственной тяжести. Легкие трубы для глубокого бурения делают из алюминиевых сплавов, как правило, из Д16 (дюраль, аналог зарубежного Al2024). Этот сплав широко применяется в авиационной промышленности и относится к категории сплавов, упрочняемых старением. При высокой температуре легирующие элементы (медь, магний и др.) хорошо растворяются в алюминии, а после закалки (резкого охлаждения) сплав подвергают старению — длительное время выдерживают при температуре 100–200 градусов Цельсия. При этой температуре в материале начинают формироваться микрокристаллы из интерметаллидов, придающих сплаву прочность.

Тем не менее, в ходе бурения нередко происходят обрывы колонны. Это серьезное и опасное происшествие: когда многотонная конструкция при отрыве обрушивается вниз, высвобождаются огромные силы натяжения, которые воздействуют на верхнюю часть колонны и на саму вышку, на которой могут работать люди. Поэтому рядом с устьем скважины в ходе работ по правилам безопасности людей быть не должно.

В случае обрыва колонны та часть скважины, куда обрушился бур, оказывается заблокированной. Бурильную колонну пытаются «поймать» и вытащить специальным метчиком, который «врезается» в оборванную часть трубы, а если это не удается, эту ветвь скважины оставляют и начинают бурить в новом направлении.

Отдельной главой в истории изучения нашей планеты стоит сверхглубокое бурение. Абсолютный рекорд в этой области до сих пор принадлежит Кольской сверхглубокой скважине, разработку которой начали в 1970-м, а закончили в 1992 году.

«Бурение скважин — это неотъемлемая часть всех геологических работ, выполняемых как с целью научных исследований, так и добычи всех видов полезных ископаемых. Человечество на сегодняшний день изучает внутреннее строение нашей планеты исключительно косвенными методами, несмотря на то, что земная кора имеет относительно малую мощность, ее до сих пор не удалось пробурить полностью. Разработка новых и совершенствование существующих технологий бурения позволит, в том числе, проходить новые сверхглубокие скважины для изучения внутреннего строения Земли с целью уточнения существующих моделей, разработки методов освоения геосфер и повышения ресурсного потенциала», — рассказал нам заместитель директора Горного института НИТУ «МИСиС», к.т.н., доцент кафедры «Геология и маркшейдерское дело» Василий Ческидов.

Это бурение производили с сугубо исследовательскими целями — на выбранном участке породы магматического и метаморфического происхождения под крутым углом выходили на поверхность, так что при бурении можно было сравнить породы, поднятые с глубины, с породами из того же слоя, но выходящими на поверхность. По результатам исследований было получено полное совпадение между ними.

Зато результаты по другим направлениям исследования указали на целый ряд противоречий с существующими моделями строения Земли. Геологи считали, что при бурении Кольской сверхглубокой они обнаружат границу между базальтами и гранитами, но на деле все 12 километров скважины проходили через гранит. Вопреки прогнозам, трещиноватость породы с ростом глубины только росла. Рост температуры пород с глубиной также был выше ожидаемого (20 градусов на километр против 16 прогнозируемых).

При этом подъем кернов (цилиндрических столбиков породы) с такой глубины был существенно затруднен. Из-за огромного давления на глубине и большого количества трещин в породе удавалось достать только самые твердые и прочные образцы в виде отдельных слоев — не более 30 процентов от цельного керна.

Образцы тщательно исследовались и проверялись на наличие радиоактивных изотопов, свидетельствующих о распаде нестабильных ядер в недрах Земли, — этот процесс обеспечивает планету внутренним теплом. Результаты замеров показали, что тепло планеты на 50 процентов имеет радиогенную природу.

Скважину бурили, преодолевая большие трудности. Проходка до глубины 7263 метров заняла 4 года. Спуск и подъем колонны для смены бура при такой глубине проходил почти 18 часов, притом что одного бурового долота (в форме коронки) хватало всего на 7–10 метров скважины, после чего оно стачивалось. Буровая колонна изнашивалась так сильно, что на последние пять километров скважины было потрачено почти 50 километров труб из алюминиевого сплава — стальная колонна просто не выдержала бы своего веса. До отметки 12 километров скважину бурили почти 10 лет. Самое удивительное, что при бурении на такую чудовищную глубину геологи использовали самое обычное буровое оборудование, каким разрабатывают скважины под нефть и газ, — стандартные буровые долота и сегменты буровой колонны, и этот факт очень впечатлил западных специалистов, которые узнали про Кольскую сверхглубокую в 1983 году на геологическом конгрессе, во время которого бурение скважины было приостановлено.

Эта остановка была ошибкой. При попытке возобновить бурение в 1984 году произошел прихват колонны — бурильная колонна прилипла к стенке скважины, и попытка вытащить ее завершилась обрывом. Пять километров бурильной колонны остались лежать на дне скважины. Подцепить и вытащить их не удалось (попытки спасти оборудование длились почти семь месяцев), поэтому для возобновления работ пришлось сформировать ответвления от скважины на глубине семи километров.

В ходе дальнейшего бурения Кольской сверхглубокой скважины бурильная колонна обрывалась еще несколько раз, так что теперь скважина имеет 12 отводных стволов, в некоторых из которых лежат оторванные части колонн. Шесть лет ушло на то, чтобы побить прошлый рекорд скважины — и в 1990 году была достигнута глубина 12 262 метра. До сих пор Кольская сверхглубокая является самой глубокой искусственной скважиной на планете. В 1992 году работы на ней окончательно остановили, и сегодня эта по-настоящему прорывная скважина находится в полном запустении.

С помощью скважин можно добывать не только нефть или газ. Некоторые металлы и руды также извлекают на поверхность через скважины методом выщелачивания. Для такого способа добычи необходимо пробурить как минимум две скважины: одну для того, чтобы закачивать в недра химические реагенты для растворения пород, содержащих полезные ресурсы, и другую для того, чтобы выкачивать раствор для дальнейшего извлечения ресурса.

Такая методика позволяет добывать ценные металлы из глубин, на которых добыча другими способами (открытым или шахтным) нерентабельна или невозможна. При этом почвенный покров почти не нарушается, а на поверхности не образуется отвалов и «хвостов». Но существует определенный риск того, что химические реагенты, используемые при этом процессе, начнут неконтролируемо расходиться по грунтовым водам и отравлять их. Чтобы такого не происходило, скважины опрессовывают, а процесс выщелачивания проходит под строгим контролем.

Технология выщелачивания была независимо открыта и разработана учеными США и СССР в 1970-х годах для добычи урана из водонасыщенных проницаемых пород, где обычные способы добычи были невозможны. Теоретически, схожая методика может быть использована для добычи полезных ресурсов с очень больших глубин. Известно, например, что концентрация золота в земной коре растет по мере удаления от поверхности, но его добыча с глубины нескольких километров при текущем уровне развития технологий невозможна.

Впрочем, современное бурение располагает методами, которые были недоступны еще несколько десятилетий назад. Появляются новые материалы, новые методики расчетов, новые технологии контроля за процессом. И одновременно с этим истощаются традиционные залежи ресурсов, которые современной цивилизации требуются во все большем количестве. Поэтому можно прогнозировать, что технологии бурения останутся востребованными на протяжении еще очень долгого времени.

Сергей Иванов