Текст книги "Покорители земных недр"

Автор книги: Геннадий Блинов

Соавторы: Эрнст Махновецкий
сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 11 страниц)

Что дает бурение при поисках месторождений

Каждое месторождение обычно проходит через три вполне определенные стадии: геологическая съемка – поиски – разведка. Постепенно месторождение, подобно автомобилю при его изготовлении на гигантском конвейере, переходит из рук в руки, вес более обрастая новыми деталями – сведениями. И на каждом этапе бурение играет весьма существенную, если не главную, роль.

Первую страницу открывают съемщики. А что такое геологическая съемка, или геологическое картирование? На этот вопрос отвечает член-корреспондент АН СССР Е. Е. Милановский: «У каждой науки есть свой язык, своя терминология, свои исторически сложившиеся формы и приемы фиксации и графического выражения накопленных ею фактов, вскрытых закономерностей. Имеется свой „графический язык“ и у геологии… Геологическая карта».

Большое внимание к составлению геологических карт и значительные средства, выделяемые на проведение геологической съемки, обусловлены не только их огромным научным значением для познания истории и структуры Земли, но и в первую очередь тем, что геологическая съемка и составляемые в ее, процессе карты служат важнейшим средством поисков месторождений полезных ископаемых, выходящих на земную поверхность или залегающих вблизи нее. Карты содержат необходимые данные для научного прогноза вероятного присутствия месторождении в тем или ином районе, на что указывает распространение в его пределах потенциально рудоносных, угленосных, нефтеносных, соленосных горизонтов, тел или других геологических образований.

Составление геологических карт различных масштабов, зародившись в середине XIX века, остается до наших дней основным методом геологических исследований крупных регионов. Методика геологической съемки постепенно совершенствовалась, правила составления геологических карт унифицировались, В частности, были разработаны единая шкала условных цветовых обозначений и система индексов-символов для показа на картах крупнейших геологических образований. Эта шкала была предложена в 1881 г. делегацией русских геологов во главе с А. П. Карпинским на II сессии Международного геологического конгресса (МГК) в Болонье. С незначительными изменениями она используется во всех странах до сих пор.

За полтора века, прошедших со времени появления первых карт, геологическое картирование распространилось на все страны и континенты и проводится все в более широких масштабах. По существу на Земле не осталось участков суши (за исключением Антарктиды и Гренландии, покрытых ледниковыми щитами), не охваченных геологической съемкой и не изображенных на геологических картах.

В последние годы геологические карты стали составляться и для дна морей и океанов, и в первую очередь для их шельфовых), мелководных участков. Так, на геологической карте, подготовленной советскими геологами к XXVII сессии МГК (август 1984 г., Москва), впервые показано геологическое строение не только территории нашей страны, но и дна омывающих ее морей.

В развитии геологического картирования бурение сыграло качественно новую роль. Так, долгое время задачей создания карт оставалось геологическое изображение земной поверхности, а не глубинного строения Земли. В результате научно-технического прогресса последних десятилетий, выразившегося в геологии мощным развитием техники и технологии глубокого бурения; разработкой новых, дистанционных, методов исследований (геофизических, геохимических, аэрокосмических), появилась возможность решать задачи «объемной» геологической съемки. Сущность такой съемки заключается в том, что данные детального геологического картирования земной поверхности, полученные с помощью бурения и геофизических исследований, последовательно распространяются на все большие глубины.

Съемщики работают на больших площадях и приходят, в сущности, на «белый лист»… Нам могут, тут же возразить: что, мол, «белых пятен» давно нет, что вся территория Советского Союза уже покрыта геологической съемкой двухсоттысячного масштаба, что поверхность суши нашей страны полностью исхожена через 1–2 км и, следовательно съемщики выходят не на «белый лист», а на достаточно пестро раскрашенную геологическую карту.

Отсюда правомерен вопрос: зачем переделывать уже проделанную работу? Есть ли смысл в подобном дублировании?

Есть и смысл, есть и необходимость. Во-первых, не следует забывать, что любая геологическая карта со временем морально стареет. Срок ее жизни 15–20 лет. Не более. За это время появляются новые методы исследований: геофизические, геохимические, радиометрические; открываются и ранее не известные полезные ископаемые: редкоземельные, радиоактивные и другие. В результате съемку приходится проводить заново, с новой аппаратурой, с новой оснащенностью, имея па вооружении все современные достижения науки и техники.

А во-вторых, сейчас в корне изменились требования и сам подход к геологической съемке. Если раньше при картировании изучалась только земная поверхность и строение Земли изображалось в одной плоскости, то теперь съемщики исследуют объем, они создают огромные блок-диаграммы, построенные не на домыслах, а на надежных фактических материалах.

Поясним: раньше съемщик ходил по земле (как говорится, – «исхаживал площадь») и тщательно изучал все, что он мог увидеть глазами и обстукать молотком: коренные породы, развалы горных пород, отдельные обломки, и по этим разрозненным данным рисовал геологическую карту. О том, что есть в недрах, на глубине (особенно на площадях, закрытых болотами и мощными наносами), ему приходилось домысливать. Теперь же съемщик не только ходит, но и надолго приостанавливается. Он внимательно рассматривает недра в «подземные перископы» – скважины. С этой целью на узловых участках отбуривают ряды глубоких скважин (так называемые «опорные профили»), а на закрытых площадях – сотни более мелких (здесь уже проводится «бурение по сетке»). В схеме все это выглядит примерно так, как показано на рис. 26.

При двухсоттысячной съемке опорные скважины обычно располагаются на расстоянии 30–40 км одна от другой. Как правило, они вертикальны и глубина их не превышает 400–500 м. Отбуривают эти скважины подвижными установками, смонтированными на автомобиле либо на тракторе. Для бурения мелких картировочных скважин созданы легкие переносные станки с двигателем от мотовелосипеда. Таким станком два человека за одну смену отбуривают несколько скважин, а за весь полевой сезон могут покрыть солидную площадь.

Роль бурения на съемочной стадии, разумеется, не ограничивается только картировочными, познавательными целями. С помощью скважин решаются и более конкретные, сугубо практические задачи. Когда мы говорили о том, что съемщик начинает с «бело! о листа», то подразумевали прежде всего, что он выходит на площадь, где месторождений пока не обнаружено, но они вполне могут быть. Так что основная обязанность съемщика – по ряду косвенных признаков установить, какое и где именно ожидать месторождение. Одним словом, съемщик должен сказать: «копайте здесь!» Собственно, он говорил это и раньше, но тогда добавлял: «здесь может быть», а сейчас он совершенно твердо заявляет: «здесь есть!», ибо сразу же на месте проверяет скважинами все свои догадки и предположения.

Рис. 26. Схема расположения скважин при картировочном бурении.

Рис. 27. Загадка рудной залежи.

Очень часто съемщик в процессе работ кроме аномалий и ореолов обнаруживает и так называемые «прямые признаки»: куски руды и даже коренные выходы цепных пород. Но что это? Случайная находка или первый вестник месторождения? «Останец» ли это или «головка» крупного рудного тела? Раньше съемщики определенного ответа на подобные вопросы не давали (рис. 27). А теперь? Теперь они сразу же отбуривают одну или несколько скважин и однозначно устанавливают, есть рудная залежь или нет, и, если есть, то передают все материалы поисковикам.

У поисковиков задачи более конкретные. Они прежде всего должны выяснить, что собой представляет рудное тело: жилу, шток, линзу или пластовую залежь; какова его форма и примерные размеры; сколько полезных компонентов содержит порода и велика ли ценность сырья.

Для решения всех этих задач поисковики, как правило, поселяются на несколько месяцев в непосредственной близости от своего «объекта» и исследуют его различными способами. Если рудное тело выходит на земную поверхность, то его вскрывают канавами, расчистками, шурфами, а если является «слепым», то бурят скважины. Впрочем, бурить скважины приходится в любом случае.

Что же конкретно делают поисковики?

Прежде всего они прослеживают тело на глубину (точнее, по падению), для чего отбуривают целый профиль скважин (теперь он называется «поисковым»), располагающихся на определенном расстоянии друг от друга. В разрезе это выглядит примерно так, как на рис. 28. Затем тело прослеживается в длину (или по простиранию). С этой целью отбуривается еще один ряд скважин, задаваемых с таким расчетом, чтобы каждая из них пересекла тело на одной и той же глубине, скажем 40–50 м.

Для поисковиков этого вполне достаточно. По канавам и скважинам можно уже довольно определенно судить о форме и размерах месторождения и о его промышленной ценности. Можно дать и одно из двух заключений: надо сворачивать работы из-за бесперспективности объекта либо целесообразно продолжать изучение его на стадии разведки.

Рис. 28. Проверка бурением рудной залежи при поисковых работах.

Разведчики располагаются на объекте всерьез и надолго. Они строят себе поселок и живут в нем постоянно, зимой и летом. У разведчиков задачи еще более конкретные и ответственные – они должны дать горнякам-эксплуатационникам все сведения о месторождении: точные размеры рудного тела, качество сырья, гидрогеологические условия в районе и многое другое. В заключение они должны рассчитать экономическую эффективность будущей отработки месторождения.

Для решения всех этих задач разведчики бурят десятки, сотни скважин. Целую сеть. Так это и называется – «бурение по сетке». Плотность сети, т. е. расстояние между скважинами, зависит от размеров тела и от характера распределения в нем полезных компонентов. На плане земной поверхности буровая разведка в схеме выглядит, как на рис. 29.

Рис. 29. Схема буровой разведки.

По завершении всех этих работ разведчики дают рекомендации: приступать ли к отработке месторождения либо для надежности необходимо пройти еще и подземные горные выработки, т. е. провести детальную разведку. Но и на стадии детальной разведки буровые работы ни в коем случае не прекращаются. Напротив, проводится дальнейшее сгущение разведочной сети и исследуются фланги и глубокие горизонты в районе месторождений. Посмотрим теперь,—

Какие трудности возникают при бурении

На поисковой и разведочной стадиях, как правило, отбуривают наклонные скважины, и основная сложность при бурении состоит в том, что стволы всех этих скважин так или иначе искривляются, уходят or заданного направления. Геометрически ровных и прямолинейных стволов не существует. Причину искривлений объяснить нетрудно: породы земной коры имеют различные плотность, пористость, твердость и рассечены многочисленными трещинами, а буровая коронка старается идти по пути наименьшего сопротивления, по ослабленным зонам. В слоистых толщах она стремится занять положение, перпендикулярное к слоистости либо к напластованиям.

Но все это геологические предпосылки, а основная причина искривления скважин заключается в конструкции бурового снаряда и породоразрушающего инструмента. Несмотря на кажущуюся жесткость бурильной колонны (как-никак стальные трубы), она имеет столь большое отношение общей длины (измеряемой сотнями метров) к диаметру (обычно 50–54 мм), что при работе, тем более под нагрузкой, колонна изгибается подобно тонкому прутику. Однако даже сильное искривление отнюдь не препятствует вращению инструмента, разве что несколько увеличивается трение труб о стенки скважины в точках перегиба. В результате скважина может «выположиться», а может и «выкрутиться» (рис. 30).

Она может и вообще пойти «штопором». Буровики рассказывают, что бывали случаи, правда из числа курьезных, когда скважина в горной местности, сильно изогнувшись, выходила даже па поверхность в сотнях метров от своего устья.

Так что каждая скважина очень своенравна, и предугадать, куда она пойдет в тот или иной момент, на практике весьма трудно. И точных расчетных закономерностей тоже пока не установлено.

Выход из этого один – непосредственно в процессе бурения «вести» скважину в заданном направлении. Для этого надо прежде всего знать, как именно она ведет себя на глубине, куда ушла, как изогнулась. Залезать в скважину пока что не научились, подземная фотосъемка тоже не помогает. Впрочем, измерить углы наклона и азимут (направление) сейчас совсем несложно. Для этого существует специальный геофизический прибор – инклинометр, который передает на поверхность электрические импульсы от миниатюрного компаса и отвеса, опускаемых в специальной гильзе в скважину. По серии измерений на разных глубинах отстраивают фактическую траекторию скважины. Только делать это надо очень оперативно, чтобы при малейшем отклонении от трассы успеть своевременно принять надлежащие меры.

Рис. 30. Выполаживание и выкручивание скважины.

Для борьбы с искривлениями существует множество способов. В частности, если скважина выполаживается, то «ужесточают» снаряд – добавляют к нему жесткие или массивные трубы; если же она выкручивается, то, наоборот, уменьшают жесткость системы. Небольших отклонений в нужном направлении можно добиться регулированием основных параметров бурения: частоты вращения или нагрузки на буровой снаряд.

Искусство бурильщика в том и состоит, чтобы простейшими способами, с минимальным набором имеющихся в его распоряжении средств провести скважину в заданном направлении. Опытный мастер может, например, на километровой глубине попасть скважиной в нужную точку с отклонением не более 10 м. Сделать это далеко не просто.

При сильных и неожиданных искривлениях применяют уже специальные приспособления, в частности, опускают в скважину отклоняющий клин. Конструкция клина элементарно простая. Однако высокой точности с ним получить невозможно, к тому же в любой момент он может провернуться вокруг своей оси, тогда все труды насмарку – забуривай новую скважину.

В последнее время для отклонения скважин созданы особые устройства, так называемые «бесклиновые отклонители». Это, в сущности, специальная приставка к буровому снаряду. Под давлением (т. е. при обычной нагрузке на породоразрушающий инструмент) из его корпуса выступают плашки, которые упираются в стенку скважины и с силой отклоняют буровой снаряд с коронкой в нужную сторону. С появлением такого устройства скважины стали легкоуправляемыми, и хотя буровики говорят, что «скважина – не автомобиль, – сразу не повернешь», но изменять ее направление оказалось возможным на любой глубине и притом довольно существенно. А раз научились отклонять скважину, то, значит, можно извлекать из этого пользу.

Представьте себе ситуацию: необходимо разведать нефтяную залежь под застроенной территорией (рис. 31). Другой случай – небольшое, но богатое месторождение находится на значительной глубине.

Рис. 31. Бурение направленных скважин на нефтяной залежи.

Задача – пересечь его скважинами через короткие интервалы, скажем через 20 м. Раньше это делалось так, как показано на рис. 32, а. А теперь? Бурим один основной ствол. Потом с помощью отклонителя на различной (по строго расчетной) глубине отклоняемся от него и отбуриваем серию дополнительных стволов (рис. 32,6). Вся разведка проводится с одной точки, без переездов и без демонтажа оборудования.

В итоге получаем двойную (как минимум) экономию: в объемах бурения, в сроках проведения работ, в расходе истирающих и других материалов и соответственно в общей стоимости разведки. Все это без ущерба для поставленной геологической задачи. Особо опытные мастера добиваются еще большей экономии. Они могут отвести новый ствол не из основного, а из дополнительного, потом из него еще один… Хотя бы так, как на рис. 32, в. Правда, столь филигранная работа доступна лишь истинным профессионалам, настоящим знатокам своего дела.

Рис. 32. Разведка рудного тела серией наклонных скважин (а)

и многозабойными скважинами (б, в).

Точное проведение скважин, направленные искривления – отнюдь не единственная сложность в работе бурильщиков. Всяческих осложнений существует великое множество, почти все они создают аварийные ситуации, для ликвидации которых от бурильщика требуются быстрая реакция и хорошая смекалка, но главное – опыт и знания. Аварии[7]7
  Авария в скважине – это непредвиденное прекращение бурения, вызванное нарушением нормального состояния скважины или находящегося в ней бурового инструмента,


[Закрыть] при бурении неизбежны, возникают они постоянно и. являются, хоть и не планируемой, но обыденное, чуть ли не закономерной частью производственного процесса.

Особенно неприятны геологические осложнения. Природа на сюрпризы никогда не скупится, и естественно, что далеко не однородные породы, пересекаемые скважиной, могут преподнести любые неожиданности. К примеру, на пути скважины вдруг возникает полость, каверна либо открытая трещина. Коронка начинает биться о стенки этой трещины, и весь станок трясет как в лихорадке. Надо очень быстро убрать нагрузку, иначе буровой снаряд может намертво заклиниться на забое. Бурение при этом замедляется, хлопот бурильщику добавляется, но ничего не поделаешь – осложнение.

Из технических аварий чаще всего происходит обрыв колонны бурильных труб. При тех скручивающих усилиях, которые создаются в процессе бурения, стальные трубы рвутся, если их не контролировать, довольно часто. Тут уж приходится действовать очень оперативно, ибо при обрыве прежде всего нарушается циркуляционная система и шлам, поднимаемый восходящей струей, сразу начинает оседать вниз, на забой. За короткий промежуток времени надо поднять верхнюю часть колонны, поставить на нее ловильный наконечник (обычно применяют либо метчик, либо колокол, которые способны быстро сделать свежую резьбу на гладкой трубе в месте ее обрыва и тут же одновременно навинтить самих себя на нее, снова опустить колонку на сотни метров, нащупать там, «поймать», оборванный конец труб, вцепиться в него и тащить… Задача далеко не из простых. Однако для бурильщика операция по нащупыванию обрыва и вылавливанию труб привычна и потому особых проблем не составляет.

Но не будем останавливаться на всевозможных осложнениях в скважинах. Перечислить их невозможно. Заметим главное: работа бурильщика однообразием отнюдь не отличается. Что ни смена, то головоломка, а чем она сложнее, тем интереснее ее разрешить и тем больше удовлетворения от собственной работы. Здесь постоянно приходится думать, решать, экспериментировать, действовать.

Но дело не только в авариях и осложнениях. Даже обычное, повседневное бурение – это ведь не монотонно стандартизованный труд, не конвейер и не поточная линия. Это труд творческий. Основные процессы при бурении невидимы, скрыты от глаз, и потому бурильщику кроме знаний и практических навыков необходимо иметь богатую фантазию и топкую интуицию – основанный на опыте дар предвидения. А все это – умение плюс фантазия и интуиция – и есть творчество.

И вообще, бурильщик в чем-то подобен врачу – терапевту либо хирургу. И бурильщику и врачу приходится ставить диагноз «вслепую», на слух, на ощупь, по ряду «жалоб» и косвенных признаков. Сопоставив все данные и уяснив для себя характер «недуга», они принимают необходимые меры. Правда, бурильщик, в отличие от хирурга, ко всему прочему и сложнейшие операции вынужден делать тоже «вслепую», опять-таки на слух, на ощупь, имея перед глазами только показания приборов и датчиков. Такова уж особенность его работы.

А каковы условия жизни бурильщика? Где он живет и как трудится? Кто входит в состав бригады и каковы взаимоотношения в ней? Исчерпывающе ответить на эти вопросы применительно ко всем случаям невозможно. Насколько разнообразны виды и способы бурения, настолько многообразны и условия жизни буровиков.

Мы уже говорили, что бурильщик может жить и в крупном городе, и в маленьком поселке, и в благоустроенной квартире, и в палатке либо в передвижном домике – «балке». Если он исследует дорожную трассу, то работает на пару с шофером или с трактористом; если отбуривает глубокую нефтяную скважину, то трудится в огромном коллективе с заводским укладом жизни. Все зависит от того, где именно и для каких целей проводятся работы.

Поэтому мы рассмотрим особенности работы буровиков только в самой распространенной отрасли – в поисково-разведочной геологии. Где и как работают буровики и -