elektronik sigara Разработка новых технологий исследовательского бурения в Арктике

A+ A A-

Разработка новых технологий исследовательского бурения в Арктике

Оцените материал
(0 голосов)

РАЗРАБОТКА НОВЫХ «ПОДВОДНО-ПОДЛЕДНЫХ» ТЕХНОЛОГИЙ

исследовательского бурения в Арктике

Начало XXI века ознаменовано бурным освоением Арктического региона. В  мире предпринимаются беспрецедентные меры по созданию арктических программ, включающих разработку стратегий и  создание научных центров, реализуются шельфовые проекты, создаются объекты арктической морской техники, развивается транспортное арктическое сообщение. Всплеск интереса к  этой провинции таких стран, как Канада, США, Норвегия, Дания, Россия и др., в первую очередь обусловлен ее экономическим потенциалом и  обострившейся борьбой за минеральные ресурсы.

Следует отметить, что техногенные процессы в  Арктике, так или иначе, зависят от  получения новых фундаментальных знаний об  этом регионе, таких как генезис земной коры и  условия ее формирования, структура и  вещественный состав ложа Северного Ледовитого океана, флора и фауна, а также климатические и глобальные экологические изменения. Несмотря на  то, что активные исследования Арктики начались более века назад, на  сегодняшний день она остается одним из малоизученных участков нашей планеты. Связано это с тем, что проведение исследований в  центральных районах Северного Ледовитого океана затруднено и небезопасно.

Отсутствие достоверных данных о  природе происхождения земной коры в  пределах ЦентральноАрктических поднятий на  сегодняшний день является главным спорным вопросом в  дискуссии ученых всего мира. Ответ на этот вопрос, какая же она — континентальная или океаническая, имеет принципиальное значение для дальнейшего мирового освоения Арктики.

Дело в  том, что согласно Конвенции ООН по  морскому праву страны имеют юридическое право претендовать на  участки морского дна за  пределами 200мильной зоны своих территориальных вод, если докажут их геологическую связь с  континентом. Для установления юридических прав и  зон экономических интересов странам арктического бассейна требуется определить внешние границы своих континентальных шельфов (рис. 1).

str-53

К примеру, Россия имеет максимальную протяженность границ в  Арктике и  все основания претендовать на 1,2 млн. кв. км морского дна, где могут находиться около 5 млрд. тонн углеводородов, а также месторождения марганца, золота, олова, свинца, никеля и  других твердых полезных ископаемых. Однако неоднократные заявки РФ в  ООН были отклонены за  недостаточностью доказательной базы. Самым важным и  последним источником информации в научном определении типа коры и ее принадлежности к континенту является фактический материал. С применением существующих технологий получить его невероятно трудно, так как требуется с  поверхности океана, покрытой паковыми  льдами произвести глубоководное бурение скважин с  отбором керна на  хребте им.  М. В. Ломоносова и поднятии им. Д. И. Менделеева.

Традиционные технологии морского бурения основанные на использовании надводных судов в условиях низких температур и тяжелой ледовой обстановки для решения этой задачи оказались неэффективными.

К традиционным технологиям бурения дна Мирового океана в  данном случае относится бурение с  плавучих платформ и  специальных буровых судов. Для исследовательского бурения неглубоких скважин исследаветельского бурения в Арктике применяются погружные дистанционно-управляемые буровые установки, обитаемые и  необитаемые аппараты, базирующиеся на  многоцелевых исследовательских судах. Все они опускаются на морское дно с борта надводного судна на открытой воде. И получается, что такие технологии не позволяют в  полной мере приступить к  изучению Арктического шельфа, являющегося для России районом стратегических интересов.

Здесь можно констатировать, что особую актуальность в  научных исследованиях Арктики как первого этапа ее освоения приобретают задачи создания новых подводноподледных технологий и технических средств для глубоководного бурения.

Наиболее перспективным направлением, открывающим неограниченный доступ России для геологических изысканий в центральных районах Арктики с тяжелой ледовой обстановкой, является создание технологии бурения на  базе автономных подводных носителей. В  качестве такого носителя при определенных условиях может быть использована подводная лодка.

Предложение использовать подводную лодку как средство доставки и постановки технологического оборудования на  морское дно и  выполнения придонных инженернотехнических операций само по себе не ново. За  последние десятилетия было разработано множество концептуальных проектов подводных транспортных, буровых и  добычных комплексов, в  том числе и для работы на Арктическом шельфе. Однако ни  один из  них на  сегодняшний день не реализован. Связано это, в первую очередь, с необходимостью больших и долгосрочных капиталовложений в постройку новых подводных технических средств и их обеспечивающую инфраструктуру.

Наиболее оправданным в  существующих экономических условиях подходом может стать создание бурового комплекса на  базе уже существующих в  России подводных технических средств.

ЗАО «ЦНИИ СМ» совместно с  ведущими Конструкторскими Бюропроектантами подводной техники провело работу по определению технической возможности создания комплекса для подводноподледного бурения на  базе существующего подводного носителя. В  результате этой работы была подтверждена потенциальная возможность применения для этих целей научноисследовательских подводных лодок (НИПЛ), эксплуатируемых в РФ.

Конструкция НИПЛ позволяет произвести ее дооснащение оборудованием бурового комплекса, а  по  своим техникоэксплуатационным характеристикам может в  автономном режиме обеспечить выполнение специальных задач в любых районах Арктики. Среди основных характеристик НИПЛ следует отметить:

— отсутствие ограничений по  району плавания;

— возможность взятия на  борт и выгрузки на морское дно бурового оборудования (бурового станка);

— автономность выполнения буровых операций, без использования надводных технических средств;

— непрерывность  технологического цикла проведения работ (совокупная), без выхода в надводное положение;

— обеспечение энергопитания комплекса от энергосистемы НИПЛ с атомной энергетической установкой;

— высокую навигационную точность определения координат доставки бурового оборудования в районы проведения работ;

В рамках проводимой опытноконструкторской работы (ОКР) на  сегодняшний день разработана конструкция бурового комплекса на базе НИПЛ.

В состав комплекса входят:

— Буровой станок забортного размещения. Выполнен в виде сменного модуля и размещается в межбортном пространстве носовой части НИПЛ (непосредственно в морской среде). В его состав входит оборудование, обеспечивающее выполнение всех технологических операций бурения.

— Бортовая аппаратура системы управления и питания. Осуществляет дистанционное управление рабочими процессами бурения.

С учетом последних данных о  геологической обстановке в  предполагаемых районах применения бурового комплекса, для дальнейшей разработки принята концепция с выгружаемым буровым станком.

Он опускается на дно при помощи спускоподъемного устройства. Электропитание и  управление станком осуществляется по грузонесущему кабелю. НИПЛ при этом находится в  нескольких десятках метров от поверхности дна.

К достоинствам такой модели использования НИПЛ можно отнести возможность постановки бурового станка на  поверхности морского дна со сложным рельефом. Это актуально при бурении на  крутых склонах подводных хребтов (эскарпах), где выход коренных пород обнажается на  небольших горизонтальных участках расположенных по  склону на  различных батиметрических уровнях.

Анализ отобранных на таких участках кернов позволит ученым построить сводный геологический разрез склона.

str-54

Конструкция бурового станка (рис.  2) включает в себя все основные узлы и механизмы, осуществляющие технологические операции бурения: вращатель, механизм подачи, накопитель бурильных труб, накопитель съемных керноприемников, забурочноустьевой блок, манипулятор подачи на ось скважины бурильных труб, манипулятор подачи керноприемников, буровой насос и т. д.

Для наблюдения за процессом бурения в  буровом станке предусмотрены осветительные приборы и несколько видеокамер, позволяющие в режиме реального времени наблюдать за процессом бурения и работой механизмов.

Буровой модуль оснащен датчиками, показания которых выводятся на  панель управления и  позволяют оператору отслеживать и, при необходимости, корректировать рабочие режимы в процессе бурения.

Панель управления размещена в  прочном корпусе НИПЛ. Управление буровым комплексом осуществляется одним оператором. Выполнение основных операций по  бурению скважины автоматизировано, но  предусматривается возможность прямого управления механизмами в ручном режиме.

Постановка на  грунт и  выравнивание станка в  рабочее положение осуществляется при помощи выдвижных телескопических опор устройства горизонтирования на участках морского дна с уклонами до 15°. Выравнивание станка осуществляется автоматически по  показаниям инклинометра. Опоры имеют гидравлический привод и механические стопора.

Разработка конструкции бурового комплекса сопряжена с  необходимостью решения важных технических вопросов, которые будут во многом определять успех создания бурового комплекса для НИПЛ.

К таким первоочередным вопросам относятся:

1. Обеспечение коррозионной стойкости конструкций бурового модуля и  бурового инструмента (бурильных и  колонковых труб, съемных керноприемников, породоразрушающих коронок и  др.) в  условиях длительного нахождения в морской воде.

Существующие бурильные и  колонковые трубы и  керноприемники изготавливаются из углеродистых и низколегированных марок сталей (20, 45, 40 Х, 38 ХНМ, 36 Г2 С, 30 ХГСА по ГОСТ 8731–78). Так как время нахождения в  морской воде существующих погружных буровых установок невелико, то  вопрос коррозионной стойкости буровых труб и  бурового инструмента ранее остро не стоял.

К числу общих негативных факторов относится длительное (до  нескольких месяцев) нахождение бурового комплекса в  морской среде, при котором создаются весьма тяжелые, с  точки зрения обеспечения работоспособности, условия работы материалов деталей и  узлов механизмов комплекса, а также использование морской воды в качестве промывочной жидкости.

Анализ конструкции и  материалов деталей существующего бурового инструмента позволил сделать вывод, что они, при длительном нахождении в  морской воде в  течение похода без использования специальных мер защиты, могут разрушиться и  потерять потребительские свойства ещё до начала использования.

В ряду средств защиты от  коррозии наиболее надежным способом её предотвращения является изоляция деталей и узлов из углеродистой стали от контакта с морской водой, где это возможно по условиям работы материалов, и  изготовление их из нержавеющих сплавов.

2. Обеспечение стабильного (устойчивого) положения бурового станка в  процессе выполнения буровых операций на  грунтах различной плотности и  различных уклонах поверхности дна.

По имеющимся научным данным, арктический бассейн в своей глубоководной части имеет большую мощность донных отложений. Распределение донных осадков в пределах этой области определяется рельефом дна. Основными типами поверхностного слоя являются илы и глинистые илы. В различных районах толщина осадков дна может варьироваться от  нескольких сантиметров до нескольких десятков метров.

В таких условиях местности постановка бурового станка на зыбкое основание может привести во  время бурения к  изменению его положения. Смещение привода относительно оси скважины приведет к заклинке бурильной колонны. В условиях невозможности обслуживания буровой установки такая аварийная ситуация недопустима, так как может грозить прекращением работ и даже потерей бурового оборудования.

Кроме того, значительная мощность осадков на  плоских участках морского дна является серьезным препятствием для получения проб коренных пород. Коренные породы, имеющие первостепенную важность для определения природы земной коры, могут быть максимально приближены к  поверхности дна на  поднятиях, и  обнажаться на эскарпах. Для бурения на сложном рельефе морского дна комплекс должен иметь техническую возможность постановки на неровные поверхности дна с уклонами 10…15 º и выше.

В этой связи требуется разработка технических решений, обеспечивающих надежную постановку и  удержание бурового оборудования на грунтах с различной плотностью и углами наклона.

3. Обеспечение максимального отбора керна и его сохранения.

Целью создания комплекса является получение структурно сохраненного кернового материала для его последующего лабораторного изучения. Это достижимо при создании эффективных технологических методов и технических средств отбора проб, их сохранения при транспортировке и извлечения на дневную поверхность. Здесь важно понимать, что непосредственный отбор проб будет проводиться в  условиях высокого гидростатического давления.

Кроме того, характеристика производительности отобранного фактического материала определяется не только его количественным выходом, но  и  его качеством, к которому относится геологическая информативность пород.

Описанный буровой комплекс на  базе НИПЛ мировых аналогов не имеет. Разрабатываемая технология проведения геологоразведочных работ с  использованием подводного носителя относиться к новому классу «подводноподледных» технологий и  является инновационной. Колонковое бурение может быть использовано для решения широкого спектра задач — от инженерногеологических исследований грунтов и  пород дна, до  получения керна пород под конкретную геологическую задачу в  ранее не доступных районах глубоководной части Арктики.

Успешная реализация проекта позволит решить актуальную задачу расширения внешней границы континентального арктического шельфа РФ.

А. А. Асташов,

начальник отдела ЗАО «ЦНИИ СМ»

Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Войти or Регистрация

Войти

Регистрация

User Registration
Отмена