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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Supertiefe Brunnenbohrung. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Die Erde als Gegenstand geologischer Forschung ist nur von der Oberfläche aus direkt beobachtbar. Seine Zusammensetzung und Struktur kann nur durch indirekte Daten beurteilt werden. Deshalb streben Geologen an, mit Hilfe von Bohrungen möglichst tief in die Erde vorzudringen. Moderne Technik ermöglicht es, auf den Kontinenten bis zu 10-15 Kilometer tiefe Brunnen zu bohren. Bohrlöcher werden am häufigsten zur Exploration von Mineralvorkommen, zur Gewinnung von Wasser, Öl und Gas aus den Eingeweiden sowie für technische Vermessungen und andere angewandte Zwecke durchgeführt. Darüber hinaus wird das Bohren seit den 1970er Jahren zunehmend als Methode zur Lösung grundlegender wissenschaftlicher Probleme der modernen Geologie eingesetzt. Übrigens stellten sich die Ergebnisse der wissenschaftlichen Bohrungen in vielerlei Hinsicht als unerwartet heraus und zwangen uns, theoretische Konzepte zu überdenken, die zuvor offensichtlich und unerschütterlich schienen. Die Anfänge des systematischen wissenschaftlichen Bohrens reichen bis in die 1960er Jahre zurück. 1968 wurde in den Vereinigten Staaten ein spezielles Bohrschiff vom Stapel gelassen, und in den Ozeanen begann ein internationales Tiefsee-Bohrprogramm. In mehr als dreißig Jahren Geschichte wurden Hunderte von Brunnen in den Ozeanen gebohrt, die die losen Sedimente des Meeresbodens durchquerten und tief in die darunter liegenden Basalte gingen. Der tiefste der Brunnen wurde im Pazifischen Ozean südlich der Küste von Costa Rica gebohrt. Seine Tiefe erreichte 2105 Meter unter dem Meeresboden. Ozeanbohrungen eröffneten eine neue Seite in der Geologie, da es zuvor praktisch keine genauen Daten über die Struktur des Meeresbodens gab.
Nun zum Bohren an Land. Wissenschaftliche Bohrungen auf den Kontinenten werden normalerweise als tief (3-7 Kilometer) oder ultratief (mehr als 7 Kilometer) klassifiziert. Mit ihnen sind in dieser Hinsicht nur Bohrungen zu vergleichen, die zur Suche, Exploration und Ausbeutung tiefer Öl- und Gasfelder in den Vereinigten Staaten gebohrt werden. Der tiefste Brunnen von ihnen - Berta Rogers (9583 Meter) wurde 1973-1974 in nur 502 Tagen gebohrt. Diese hohe Penetrationsrate ist auf zwei Faktoren zurückzuführen. Das erste sind die Fähigkeiten der amerikanischen Technologie. Die zweite Bohrung wurde ohne Kernprobenahme durchgeführt, dh ohne Gesteinsproben an die Oberfläche zu heben. Die Kernprobenentnahme erfordert viel zusätzliche Zeit, ist aber für wissenschaftliche Bohrungen absolut notwendig. Aus diesem Grund sind tiefe und ultratiefe Prospektions- und Explorationsbohrungen als Quellen für wissenschaftliche Informationen von eher begrenztem Wert. Das erste Programm systematischer ultratiefer kontinentaler Bohrungen für wissenschaftliche Zwecke wurde in der UdSSR entwickelt und durchgeführt. Die Grundlagen dieses Programms wurden bereits 1960-1962 formuliert. Im Mai 1970 begann im Norden der Region Murmansk, zehn Kilometer von der Stadt Zapoljarny entfernt, die Bohrung des supertiefen Kola-Bohrlochs. Seine Entwurfstiefe wurde auf fünfzehn Kilometer festgelegt, aber es war nicht möglich, sie zu erreichen, 1991 wurde die Bohrung in einer Tiefe von 12261 Metern eingestellt. Trotzdem ist der Kola-Brunnen immer noch der tiefste der Welt.
Die Erfolge der Sowjetunion konnten andere Länder nur anspornen. Wir beschleunigten die Entwicklung von Programmen für wissenschaftliche kontinentale Bohrungen in Deutschland, Frankreich, den USA, Kanada, Japan und Großbritannien. Eines der besten Ergebnisse wurde von den Deutschen erzielt, die die ultratiefe Bohrung KTB-Oberpfalz in Bayern (1990-1994) bohrten, die eine Tiefe von 9101 Metern erreichte. „Es gibt verschiedene Bohrmethoden“, schreiben V. S. Popov und A. A. Kremenetsky im Soros Educational Journal, „wenn die Tiefe der Brunnen gering ist (Hunderte von Metern), dreht der an der Oberfläche befindliche Motor eine Stahlschnur um einen Bohrer Am unteren Ende des Rohres wird ein mit Hartlegierungen oder Diamanten verstärkter Bohrer befestigt. Rotierend schneidet der Meißel eine zylindrische Gesteinssäule heraus, die nach und nach ein spezielles Innenrohr (Kernrohr) füllt. Beim Bohren ohne Kernbohren werden häufig Bohrköpfe verwendet, die ein System aus mehreren rotierenden Kegeln sind, verstärkt Bei instabilen Brunnenwänden wird ein Stahlmantelrohr eingelassen. Während des Bohrvorgangs pumpt die Pumpe ständig eine spezielle Tonlösung in den Brunnen, die zur Stabilisierung der Wände notwendig ist, Kühlen Sie das Werkzeug, entfernen Sie kleine Gesteinspartikel (Schlamm) ua Der Bohrgestängestrang wird mit Hilfe einer Winde an die Oberfläche gehoben auf der Bohranlage installiert, der Kern entladen, ggf. die verschlissene Meißel durch eine neue ersetzt und der Bohrstrang wieder auf den Grund abgesenkt. Das Bohren wird von Messungen der physikalischen Eigenschaften von Gesteinen entlang des Bohrlochs begleitet. Dazu werden an einem Spezialkabel Instrumente in den Brunnen hinabgelassen, die Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, magnetische Suszeptibilität, Radioaktivität und andere Eigenschaften des Gesteins aufzeichnen. Dieser Vorgang wird Bohrlochprotokollierung genannt. Bohrerfahrungen in den USA und anderen Ländern haben folgendes gezeigt. Aufgrund der Kraft der Motoren und des Drucks der Pumpen, die die Bohrspülung injizieren, sowie einer Erhöhung der Tragfähigkeit von Winden und der Festigkeit von Stahlbohrgestängen können Bohrlöcher mit einer Tiefe von bis zu 9-10 Kilometern gebohrt werden Hier entlang. Das Bohren tieferer Brunnen erfordert andere unkonventionelle technische Lösungen. Und solche Lösungen wurden im Zuge der Durchführung von ultratiefen wissenschaftlichen Bohrprogrammen vorgeschlagen und umgesetzt. Es stellte sich heraus, dass es in Fällen, in denen sich das untere Loch in einer Tiefe von vielen Kilometern befindet, ratsam ist, Bohrlochmotoren zu verwenden, die nicht an der Oberfläche, sondern im unteren Teil des Bohrstrangs installiert sind, der sich selbst nicht dreht. Bohrlochmotoren sind Miniaturturbinen oder Schraubenmechanismen, die von Bohrflüssigkeit angetrieben werden, die unter Druck in das Bohrloch eingespritzt wird. Um das Gewicht des mehrere Kilometer langen Bohrrohrstrangs zu reduzieren, werden sie aus speziellen leichten, aber ausreichend festen und hitzebeständigen Legierungen hergestellt. Die beim Bohren des Kola-Bohrlochs verwendeten Aluminiumlegierungen waren 2,4-mal leichter als Stahl. Wenn eine große Tiefe erreicht wird, gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen dem hydrostatischen Druck der Bohrschlammsäule und dem lithostatischen (Gesteins-)Druck aufgrund des Gewichts der Felsen. Dies kann zur Zerstörung der Bohrlochwände führen, was wiederum zu ernsthaften Komplikationen beim Bohren führt. Um ein Gleichgewicht des Gebirgsdrucks zu erreichen, wird die Dichte der Bohrspülung durch Zugabe spezieller Füllstoffe erhöht. „Eine der schwierigsten technischen Herausforderungen“, schreiben Popov und Kremenetsky, „besteht darin, den zuverlässigen Betrieb von Bohrgeräten bei hohen Temperaturen zu gewährleisten, die in ultratiefen Bohrlöchern herrschen. Dies gilt für Metallteile, ihre Verbindungen, Schmiermittel, Bohrflüssigkeit und Obwohl am Boden, also am tiefsten Punkt der Salton Sea-Bohrung in den USA in einer Tiefe von 3220 Metern, eine Temperatur von 355 Grad Celsius gemessen wurde, wurde in einer weiteren Bohrung bis 1440 Meter Tiefe gebohrt Die jungen vulkanischen Strukturen im Westen der Vereinigten Staaten, die gemessene Temperatur erreichte 465 Grad, moderne technische Mittel erlauben es nicht, lange Zeit ultratiefe Brunnen bei so hohen Temperaturen zu bohren, da die thermische Stabilität vorhandener Bohrgeräte 200 nicht überschreitet. 300 Grad.Die größten Probleme treten bei Messgeräten auf, insbesondere bei der Elektronik, die schon bei 150 Grad versagt Wässrige Bohrspülungen behalten technologische Eigenschaften bis zu 230-250 Grad. Bei einer höheren Temperatur ist es notwendig, auf eine ölbasierte Lösung umzusteigen und komplexere Mischungen zu verwenden. Die hohe Temperatur des Erdinneren bleibt einer der Hauptfaktoren, die die Tiefe wissenschaftlicher Bohrungen begrenzen. Ernsthafte technische Schwierigkeiten sind mit der spontanen Krümmung von Tiefbohrungen während des Bohrens aufgrund ungleichmäßiger Zerstörung des Gesteins an der Bohrlochsohle, geologischen Inhomogenitäten des Abschnitts und anderen Gründen verbunden. Beispielsweise weicht das Grundloch der Kola-Bohrung in einer Tiefe von etwa 12 Kilometern um 840 Meter von der Vertikalen ab. Es gibt Techniken, um den Brunnen in einer vertikalen Position zu halten. So blieb die KTB-Oberpfalz-Bohrung in Deutschland dank der gelungenen Konstruktion einer Spezialvorrichtung bis zu einer Tiefe von 7500 Metern die senkrechtste Bohrung der Welt. Je tiefer diese Vorrichtung jedoch aufgrund hoher Temperaturen und Drücke versagte, und der Brunnen ging seinen eigenen Weg; Infolgedessen wich er in einer Tiefe von 9101 Metern um 300 Meter von der Vertikalen ab. Ultratiefe Bohrungen erforderten die Schaffung spezieller Messgeräte, die die Bedingungen entlang des Bohrlochs und am Boden kontrollieren. Herkömmliche Logging-Technik mit Sensoren, die an einem hitzebeständigen Kabel in den Brunnen abgesenkt werden, erwies sich als wenig brauchbar. Als Ergebnis langjähriger Suche war es möglich, Telemetrie- und andere elektronische Geräte zu entwickeln, die an einem Bohrstrang montiert sind, sowie autonome Messinstrumente, die nach unten gehen und vom Bohrschlammfluss nach oben getragen werden. Jetzt können die Sensorsignale nicht per Kabel, sondern hydraulisch übertragen werden, indem Druckimpulse in der Bohrspülung erzeugt werden. Es ist zu beachten, dass tiefe und ultratiefe Brunnen ein Teleskopdesign haben. Das Bohren beginnt mit dem größten Durchmesser und geht dann zu kleineren über. So verringerte sich im Kola-Brunnen der Durchmesser von 92 Zentimetern im oberen Teil auf 21,5 Zentimeter. Und zwar im KTB-Oberpfalz – von 71 Zentimeter auf 16,5 Zentimeter. Die mechanische Geschwindigkeit beim Bohren ultratiefer Brunnen beträgt 1-3 Meter pro Stunde. Für eine Fahrt zwischen Rundfahrten können Sie 6-10 Meter tief gehen. Die durchschnittliche Geschwindigkeit beim Anheben des Bohrgestänges beträgt 0,3 bis 0,5 Meter pro Sekunde. Im Allgemeinen dauert das Bohren eines einzigen ultratiefen Brunnens Jahre und ist sehr teuer. 583 Millionen Mark kostete zum Beispiel die Bohrung eines ultratiefen Brunnens in Deutschland. Die Kosten für ultratiefe Bohrungen in unserem Land waren nicht geringer. Beim Bohren von Tiefbrunnen geht es natürlich nicht ohne Unfälle. Meistens werden sie durch den toten Stock des Bohrstrangs verursacht. Die Fehlersuche dauert lange. Manchmal können Sie nicht weiterarbeiten und müssen einen neuen Schacht bohren. Man kann verstehen, wie teuer sowohl wörtlich als auch im übertragenen Sinne eine mehrere Kilometer lange Kernsäule mit einem Durchmesser von 5 bis 20 Zentimetern ist, die eines der wichtigsten, aber nicht das einzige Ergebnis wissenschaftlicher Bohrungen ist. Der Kern wird sorgfältig dokumentiert und in speziellen Räumen gelagert. Dann wird es von großen Spezialistenteams im Detail untersucht. So wurde das beim Bohren eines deutschen Supertiefbrunnens gewonnene Material von etwa 400 Wissenschaftlern untersucht. Später veröffentlichten sie 2000 wissenschaftliche Abhandlungen auf ihrer Grundlage! Wenn die eigentliche Bohrung abgeschlossen ist, hört die Arbeit an der ultratiefen Bohrung nicht auf. Der Brunnen verwandelt sich in ein permanentes Labor. Spezialisten überwachen weiterhin die Veränderung des Regimes im Erdinneren entlang des Bohrlochs und in der Nähe des Bohrlochs und führen verschiedene Experimente durch. Solche Laboratorien wurden auf der Grundlage der Brunnen Kola und Vorotilovskaya in Russland und des Brunnens KTB-Oberpfalz in Deutschland geschaffen. Autor: Musskiy S.A.
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