超深井钻井。发明和生产的历史

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地球作为地质研究的对象，只能从地表直接观察。它的组成和结构只能通过间接数据来判断。这就是为什么地质学家在钻探的帮助下努力尽可能深入地球深处的原因。现代技术使得在大陆上钻探深达 10-15 公里的井成为可能。

钻孔最常用于勘探矿床，用于从肠道中提取水、石油和天然气，以及用于工程测量和其他应用目的。此外，自 1970 年代以来，钻井越来越多地被用作解决现代地质学基本科学问题的一种方法。顺便说一句，科学钻探的结果在许多方面都出乎意料，因此有必要修改以前似乎显而易见且不可动摇的理论概念。

系统科学钻探的开始可以追溯到 1960 年代。 1968年，美国下水了一艘特殊的钻井船，在大洋开始了国际深海钻井计划。三十多年的历史，在海洋中钻了数百口井，这些井穿过海底松散的沉积物，深入到下伏的玄武岩中。最深的井是在哥斯达黎加海岸以南的太平洋上钻的。它的深度达到海底以下2105米。海洋钻探打开了地质学的新一页，因为以前几乎没有关于海底结构的准确数据。

超深井钻井
钻井船全视图：1-船； 2-货物起重机； 3 - 直升机停机坪； 4 - 钻机

现在关于陆上钻探。大陆上的科学钻井一般分为深井（3-7 公里）或超深井（超过 7 公里）。在这方面，它们只能与美国为寻找、勘探和开发深层油气田而钻的井相提并论。其中最深的一口井——Bertha Rogers（9583 米）于 1973-1974 年仅用了 502 天就钻了出来。这种高渗透率是由于两个因素。首先是美国技术的能力。第二次钻孔是在没有岩心取样的情况下进行的，即没有将岩石样品提升到地表。岩心取样需要很多额外的时间，但对于科学钻探来说是绝对必要的。因此，深井和超深探井作为科学信息来源的价值相当有限。

第一个用于科学目的的系统化超深大陆钻探计划是在苏联开发和实施的。该计划的基础早在 1960-1962 年就已制定。 1970 年 1991 月，在摩尔曼斯克地区北部，距扎波利亚尔内市 12261 公里处，开始在科拉超深井上钻探。其设计深度确定为 XNUMX 公里，但无法到达，XNUMX 年在 XNUMX 米的深度停止钻探。尽管如此，科拉井仍然是世界上最深的井。

超深井钻井
科拉超深井

苏联的成功不能不刺激其他国家。我们在德国、法国、美国、加拿大、日本和英国加快了科学大陆钻井项目的发展。德国人在巴伐利亚（1990-1994 年）钻探了超深井 KTB-Oberpfalz，取得了最好的成果之一，该井的深度达到了 9101 米。

“有不同的钻井方法，”V.S. Popov 和 A.A. Kremenetsky 在索罗斯教育杂志上写道，“如果井的深度很小（数百米），那么位于地面上的发动机就会使钢钻杆柱旋转钻头用硬质合金或金刚石加固的钻头附在管子的下端。旋转时，钻头切出圆柱状岩石，逐渐填充特殊的内（芯）管。在不取芯的情况下钻孔时，通常使用钻头，这是一个由几个旋转锥体组成的系统，经过加固如果井壁不稳定，则将钢套管下放。在钻井过程中，泵不断将特殊的粘土溶液泵入井中，这是稳定井壁所必需的, 冷却工具, 去除小岩石颗粒 (污泥) 和其他目的. 时间, 钻杆柱在绞盘的帮助下被提升到地面安装在钻机上，取出岩心，如有必要，用新钻头更换磨损的钻头，然后再次将钻头降低到底部。

钻井伴随着沿井筒的岩石物理特性的测量。为此，仪器通过一根特殊的电缆被放入井中，记录岩石的温度、电导率、磁化率、放射性和其他特性。这个过程称为测井。

美国和其他国家的钻井经验表明如下。由于发动机的动力和注入钻井液的泵的压力，以及绞车的承载能力和钢钻杆的强度的提高，可以钻深达 9-10 公里的井这边走。钻探更深的井需要其他非常规工程解决方案。而这样的解决方案是在实施超深科学钻探计划的过程中提出并实施的。

事实证明，在井底位于数公里深处的情况下，建议使用不安装在地面上的井下电机，而是安装在本身不旋转的钻柱下部。井下马达是微型涡轮机或螺旋机构，由在压力下注入井中的钻井液驱动。

为了减轻长达数公里的钻杆柱的重量，它们由特殊的轻质但足够坚固且耐热的合金制成。用于钻科拉井的铝合金比钢轻 2,4 倍。

当到达较大深度时，由于岩石的重量，钻井液柱的静水压力与岩石静压（岩石）压力之间存在显着差异。这会导致井壁的破坏，进而导致钻井过程中出现严重的并发症。为了达到岩石压力的平衡，钻井液的密度通过添加特殊的填料来增加。

“最困难的技术挑战之一，”Popov 和 Kremenetsky 写道，“是确保钻井设备在超深井中存在的高温下可靠运行。这适用于金属部件、它们的连接、润滑剂、钻井液和测量设备。虽然在底部，即美国索尔顿海井的最低点，深度 3220 米，但记录到了 355 摄氏度的温度，而在另一口钻到 1440 米的井中，美国西部年轻的火山构造，实测温度达到465度，现代技术手段不允许在如此高温下长时间钻超深井，因为现有钻井设备的热稳定性不超过200- 300 度。最大的问题出现在测量设备上，尤其是电子设备，它们在 150 度时就已经失效了。含水钻井液保留高达 230-250 度的技术特性。在更高的温度下，有必要改用油基溶液并使用更复杂的混合物。地球内部的高温仍然是限制科学钻探深度的主要因素之一。

由于井底岩石破坏不均、断面地质不均匀等原因，深井在钻井过程中自发弯曲存在严重的技术难题。例如，Kola 井在 12 公里左右深度的井底偏离垂线 840 米。有一些技术可以将井保持在垂直位置。因此，由于特殊装置的成功设计，德国的 KTB-Oberpfalz 井仍然是世界上垂直度最高的井，深度达 7500 米。然而，更深的这个夹具因高温高压而失效，井走上了自己的路；结果，在9101米的深度，它偏离了垂直方向300米。

超深钻井需要创建特殊的测量设备来控制沿井筒和底部的条件。传统的测井技术通过耐热电缆将传感器降低到井中，结果证明几乎没有用处。经过长期探索，有可能开发出安装在钻柱上的遥测和其他电子设备，以及由钻井液流下沉和上升的自主测量仪器。现在，通过在钻井液中产生压力脉冲，传感器信号可以通过液压而不是电线传输。

需要注意的是，深井和超深井采用伸缩式设计。钻孔从最大的直径开始，然后移动到较小的直径。因此，在科拉井中，直径从上部的 92 厘米减少到 21,5 厘米。而在 KTB-Oberpfalz 井中 - 从 71 厘米到 16,5 厘米。

钻超深井的机械速度为每小时1-3米。对于往返之间的一趟，您可以深入6-10米。提升钻杆柱的平均速度为每秒0,3-0,5米。一般来说，钻一口超深井需要数年时间，而且非常昂贵。例如，在德国钻一口超深井的成本为 583 亿德国马克。我国超深钻的成本也不低。

当然，在钻深井时，也不是没有事故。大多数情况下，它们是由钻柱的死杆引起的。故障排除需要很长时间。有时他们不允许你继续工作，你必须开始钻一个新的竖井。一个直径为 5 至 20 厘米的多公里岩心柱无论从字面上还是比喻上都可以理解是多么昂贵，这是科学钻探的主要成果之一，但不是唯一的成果。核心被仔细记录并存储在特殊的房间中。然后由大型专家团队对其进行详细研究。因此，大约 400 名科学家研究了通过钻探德国超深井获得的材料。他们后来基于他们发表了 2000 篇科学论文！

实际钻井完成后，超深井的工作并没有停止。这口井变成了一个永久性的实验室。专家们继续监测地球内部沿井筒和近井筒空间的变化，并进行各种实验。这些实验室是在俄罗斯的 Kola 和 Voritilovskaya 井以及德国的 KTB-Oberpfalz 井的基础上创建的。

作者：Musskiy S.A.

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