RU2779170C1 - Способ бурения скважин в ледниковом покрове - Google Patents
Способ бурения скважин в ледниковом покрове Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779170C1 RU2779170C1 RU2022107673A RU2022107673A RU2779170C1 RU 2779170 C1 RU2779170 C1 RU 2779170C1 RU 2022107673 A RU2022107673 A RU 2022107673A RU 2022107673 A RU2022107673 A RU 2022107673A RU 2779170 C1 RU2779170 C1 RU 2779170C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ice
- well
- pressure
- fluid
- drilling
- Prior art date
Links
- 238000005553 drilling Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 4
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 4
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 4
- URZHQOCYXDNFGN-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trimethyl-2,4,6-tris(3,3,3-trifluoropropyl)-1,3,5,2,4,6-trioxatrisilinane Chemical compound FC(F)(F)CC[Si]1(C)O[Si](C)(CCC(F)(F)F)O[Si](C)(CCC(F)(F)F)O1 URZHQOCYXDNFGN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N Simethicone Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 9
- 239000011435 rock Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 210000003128 Head Anatomy 0.000 description 7
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 6
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 5
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000001186 cumulative Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000001174 ascending Effects 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 2
- 230000035832 Lag time Effects 0.000 description 1
- 230000035648 Lag-time Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 238000007710 freezing Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000005184 irreversible process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 231100000817 safety factor Toxicity 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 230000001131 transforming Effects 0.000 description 1
- 230000003245 working Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области бурения скважин в ледниковых покровах с помощью струи жидкости под высоким давлением, конкретно – к бурению глубоких скважин во льдах Арктики и Антарктики для изучения подледниковых горных пород и водоемов. Для осуществления способа бурения скважин в ледниковом покрове устанавливают обсадную колонну в фирн и заполняют обсадную колонну кремнийорганической жидкостью. Производят спуск в скважину на грузонесущем кабеле гидронасоса высокого давления с закрепленной на нём поворотной режущей гидроструйной головкой. Устанавливают головку на расстоянии от 3 до 10 мм от забоя. Струей жидкости высокого давления от 50 МПа до 100 МПа разрезают лед по контуру скважины. Соблюдают заданный диаметр скважины и разрушают лед в забое, ледяной шлам под давлением заливочной кремнийорганической жидкости выносится по скважине наверх. Подают смесь шлама с кремнийорганической жидкостью шламовым погружным насосом в сепаратор. Отделяют шлам и сбрасывают его в емкость. Очищенную кремнийорганическую жидкость возвращают по трубе в скважину. Достигается технический результат – повышение эффективности процесса бурения скважин во льду с обеспечением заданного диаметра по глубине скважины и сохранением природных температурных условий окружающего льда. 1 ил., 2 табл.
Description
Изобретение относится к области бурения скважин в ледниковых покровах с помощью струи жидкости под высоким давлением, конкретно – к бурению глубоких скважин во льдах Арктики и Антарктики для изучения подледниковых горных пород и водоемов.
Известен способ гидроструйной резки (патент RU № 2552512, опубликован 10.06.2015), включающий гидроструйную резку материала с охлаждением рабочей жидкости (воды) до образования в режущей струе льда путем ее охлаждения в теплообменнике до полного замораживания и последующего адиабатического сжатия до рабочего давления с получением двухфазной взвеси «жидкость-лед», которую подают в сопло, посредством которого обеспечивают формирование режущей струи, сопровождающейся падением давления, достаточным для обратного превращения ядра формирующейся струи в лед, и поддержание давления резания 1000-3500 бар.
Недостатком способа является замерзание рабочей жидкости – воды, при бурении льда с отрицательной температурой и низкая эффективность резания льда в скважине ввиду нарушения адиабатического процесса при изменении давления с увеличением глубины скважины. Также ограниченное время использования скважины во льду и необходимость соблюдения непрерывности процесса бурения льда, поскольку вода замерзает в скважине.
Известен способ проходки буровых скважин во льду (патент SU 369753, опубликован 08.11.1973), включающий растапливание льда в нижней части скважины путем подвода тепла к полой буровой головке с режущей кромкой и частичным отводом талой воды с охлаждением стенки скважины подачей охлаждающего агента до образования ледяной оболочки, ограничивающей буровую скважину. Управление процессом таяния и охлаждения в нижней части скважины производят с помощью токопроводящих элементов Пельтье с учетом изменений температуры и расширения водяного котла в донной части скважины.
Недостатками способа являются установка буровых штанг с двойными стенками по длине скважины и отвод избыточной талой воды по внутренней трубе, которая может замерзнуть при большой глубине скважины, несоблюдение температурных условий природной среды при подводе тепла и плавлении льда.
Известен способ образования скважин и выработок в осадочных горных породах и мерзлых грунтах (патент RU № 2225931, опубликован 20.03.2004), включающий операции по разупрочнению и разрушению мерзлого грунта на забое струями рабочего агента под давлением, удаление бурового шлама из зоны бурения и полости скважины к ее устью одновременно с разупрочнением и разрушением мерзлого грунта на забое, формирование стенок скважины путем воздействия на отходящий от забоя поток бурового шлама нормально ориентированным по отношению к этому потоку потоком рабочего агента, при этом на поток рабочего агента, ориентированный к отходящему от забоя потоку бурового шлама, накладывают акустические колебания и одновременно часть отходящих от поверхности забоя частиц грунта внедряют в стенку проходимой скважины, а другую часть частиц грунта, восходящих от забоя в потоке бурового шлама, подвергают воздействию восходящего потока сжатого газа, часть которого подают в призабойную зону скважины за пределами корпуса автономного бурильного аппарата за счет подачи этого сжатого газа по коаксиальной магистрали, внутреннюю магистраль которой соединяют с источником сжатого газа, а другую часть сжатого газа периодически подают в полость скважины для создания восходящего потока к устью скважины, которым ведут продувку полости скважины без совмещения процесса продувки с процессом проходки скважины.
Недостатками способа являются высокая энергоемкость бурения скважины ввиду применения двух процессов: бурения автономным бурильным аппаратом и выдача шлама подачей сжатого газа по коаксильной магистрали.
Известен способ образования скважины в геологических структурах (патент RU № 2178506, опубликован 20.01.2002), включающий автономный бурильный агрегат, воздействующий на разрушаемую среду энергией струй рабочего агента, истекающих под давлением из рабочего органа агрегата. На забой скважины воздействуют комплексными нагрузками от последовательно прикладываемых кольцевых кумулятивных струй, формируемых из импульсно расходуемых компонентов топливного вещества, подаваемого порционно в рабочий орган бурильного агрегата. При этом, последовательно на забой направляют кумулятивную кольцевую струю, ось которой ориентирована к центру забоя, на центр забоя с заданным временем отставания подают нормально ориентированную струю, за этим на забой подают кольцевую кумулятивную струю, ось которой ориентирована к периферии забоя, и по кольцу эту струю ограничивают нормально ориентированной к диаметральной плоскости забоя кольцевой струей рабочего агента, причем оси первой пары струй пересекают в структуре среды забоя, так же, как и оси второй пары струй пересекают в структуре среды, а место приложения обоих кумулятивных кольцевых струй на плане диаметральной плоскости забоя выбирают совпадающим с учетом времени приложения и углубления забоя от последовательного воздействия таких согласованных пар струй, вслед за которыми на забой воздействуют нормально и под углом к устью ориентированными кольцевыми струями рабочего агента, формируя стенки скважины.
Недостатками способа являются низкая эффективность процесса бурения из-за засорения скважины буровым шламом при увеличении ее глубины, а также уменьшение диаметра и потеря работоспособности скважины за короткий промежуток времени из-за неуравновешенного давления окружающей скважины среды.
Известен способ бурения ледниковых скважин (патент RU № 2751030, опубликован 07.07.2021), принятый за прототип, включающий бурение подледниковых скважин горячей жидкостью, подаваемой под давлением через сопло на конце гибкого трубопровода на забой вертикальной скважины. При этом гибкий трубопровод опускают до поверхности льда через обсадную колонну, помещенную в фирн, а в качестве горячей жидкости используют диметилполисилоксановую жидкость, которая после окончания бурения не замерзает в скважине и может впоследствии из нее извлекаться.
Недостатками способа являются необходимость нагрева диметилполисилоксановой жидкости до высокой температуры ввиду ее низкой теплоемкости, в 2,3 раза ниже воды и несоблюдение заданного диаметра скважины в процессе бурения плавлением льда и температурных природных условий окружающего льда.
Техническим результатом является повышение эффективности процесса бурения скважин во льду с обеспечением заданного диаметра по глубине скважины и сохранением природных температурных условий окружающего льда.
Технический результат достигается тем, что заполняют обсадную колонну кремнийорганической жидкостью, а затем производят спуск в скважину на грузонесущем кабеле гидронасоса высокого давления, на котором закреплена поворотная режущая гидроструйная головка, и устанавливают его на расстоянии от 3 до 10 мм от забоя, далее струей жидкости высокого давления от 50 МПа до 100 МПа разрезают лед по контуру скважины, при этом соблюдают заданный диаметр скважины и разрушают лед в забое, ледяной шлам под давлением заливочной кремнийорганической жидкости выносится по скважине наверх, а оттуда смесь шлама с кремнийорганической жидкостью шламовым погружным насосом подается в сепаратор, в котором отделяют шлам – сбрасывают в емкость, а очищенную кремнийорганическую жидкость возвращают по трубе в скважину.
Способ поясняется следующей фигурой:
фиг. 1 – схема бурения скважины в ледниковом покрове, где:
1 – лебедка;
2 – грузонесущий кабель;
3 – шкиф;
4 – сепаратор;
5 – труба со шламом;
6 – шламовый насос погружной;
7 – обсадная колонна;
8 – фирн;
9 – емкость с ледовым шламом;
10 – заливочная кремнийорганическая жидкость;
11 – скважина;
12 – ледник;
13 – гидронасос высокого давления;
14 – режущая гидроструйная головка;
15 – забой скважины;
16 – труба.
Способ осуществляется следующим образом. Производят установку обсадной колонны 7 (фиг. 1) в слое фирна 8 и заполняют ее заливочной кремнийорганической жидкостью 10, например, полидиметилсилоксановая марки ПМС-5, с вязкостью от 5,5 до 6,6 сСт и температурой застывания не выше -65ºС. Производят спуск в скважину 11 на грузонесущем кабеле 2 с помощью лебедки 1 через шкиф 3 гидронасоса высокого давления 13 с установленной поворотной режущей гидроструйной головкой 14. Устанавливают режущую гидроструйную головку 14 на расстоянии от 3 до 10 мм от забоя скважины 15 в леднике 12 и перекачивают гидронасосом высокого давления 13 заливочную кремнийорганическую жидкость 10 под давлением от 50 до 100 МПа, подавая ее на режущую гидроструйную головку 14. Струей жидкости высокого давления от 50 до 100 МПа разрезают лед по контуру скважины с соблюдением заданного диаметра скважины и разрушают лед в забое скважины 11. Образовавшийся ледяной шлам выносится под давлением заливочной кремнийорганической жидкости по скважине наверх ввиду меньшего объемного веса ледяного шлама, откуда смесь шлама с кремнийорганической жидкостью 10 шламовым погружным насосом 6 подается в сепаратор 4, в котором шлам отделяется и сбрасывается через трубу 5 в емкость 9. Очищенная кремнийорганическая жидкость возвращается по трубе 16 в скважину 11.
Способ поясняется следующими примерами
Экспериментально установлено, что минимальное давление жидкости в гидронасосе для резания льда должно превышать предел прочности льда на сжатие, который составляет в среднем 35 МПа при температуре -50ºС и 15 МПа и температуре -10ºС, с коэффициентом запаса 1,4 давление жидкости составит 50 МПа.
Экспериментально установлено, что для сохранения условий природной среды и предотвращения необратимых процессов в структуре белков температура не должна превышать 60 ºС. При увеличении давления в гидронасосе согласно эффекту Джоуля-Томпсона повышается температура жидкости при продавливании через сопло гидроструйной головки, данные представлены в таблице 1. Предельное давление в гидронасосе по условию сохранения природной среды не должно превышать 100 МПа.
Таблица 1 – Зависимость температуры жидкости при продавливании через сопло гидроструйной головки от давления
Перепад давления, Мпа | 50 | 75 | 100 | 125 | 150 |
Повышение температуры, град. | 27 | 40,3 | 54,4 | 68,1 | 81,7 |
Экспериментально установлены рациональные расстояния от среза сопла гидроструйной головки до поверхности забоя скважины, которые находятся в диапазоне (3-10)*10-3 м, данные представлены в таблице 2. При расстояниях менее 3*10-3 м еще не происходит формирование режущей струи, а при расстояниях более 10*10-3 м происходит значительное расширение режущей струи, что приводит к уменьшению глубины реза.
Таблица 2 – зависимость глубины реза льда при температуре -25ºС от расстояния между срезом сопла и поверхностью забоя скважины
Расстояние между срезом сопла и поверхностью забоя скважины, м*10-3 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 |
Глубина реза, м*10-3 | 40 | 50 | 65 | 73 | 67 | 60 | 57 | 55 | 50 | 48 | 47 |
Способ позволяет выдерживать заданный диаметр скважины за счет резки льда по контуру скважины струей жидкости высокого давления из режущей гидроструйной головки, а также сохранять природный температурный режим окружающего льда за счет холодного характера резки и отсутствия термического влияния на зону резки и обеспечивать работоспособность скважины длительное время при отрицательных температурах за счет применения заливочной кремнийорганической жидкости, не застывающей при температурах выше -65ºС.
Claims (1)
- Способ бурения скважин в ледниковом покрове, включающий установку обсадной колонны в фирн и подачу под давлением через сопло на забой вертикальной скважины диметилполисилоксановой жидкости, отличающийся тем, что заполняют обсадную колонну кремнийорганической жидкостью, а затем производят спуск в скважину на грузонесущем кабеле гидронасоса высокого давления, на котором закреплена поворотная режущая гидроструйная головка, и устанавливают его на расстоянии от 3 до 10 мм от забоя, далее струей жидкости высокого давления от 50 МПа до 100 МПа разрезают лед по контуру скважины, при этом соблюдают заданный диаметр скважины и разрушают лед в забое, ледяной шлам под давлением заливочной кремнийорганической жидкости выносится по скважине наверх, а оттуда смесь шлама с кремнийорганической жидкостью шламовым погружным насосом подается в сепаратор, в котором отделяют шлам – сбрасывают в емкость, а очищенную кремнийорганическую жидкость возвращают по трубе в скважину.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2779170C1 true RU2779170C1 (ru) | 2022-09-05 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2804095C1 (ru) * | 2023-04-24 | 2023-09-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | Способ бурения скважин в континентальном льду |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU369753A3 (ru) * | 1969-07-19 | 1973-02-08 | ||
RU2168532C1 (ru) * | 2000-03-10 | 2001-06-10 | Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (Технический университет) | Промывочная жидкость для бурения скважин в ледовых отложениях |
RU2178506C1 (ru) * | 2001-04-18 | 2002-01-20 | Азизов Азиз Мустафаевич | Способ образования скважин в геологических структурах |
RU2225931C1 (ru) * | 2002-07-30 | 2004-03-20 | Плугин Александр Илларионович | СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН И ВЫРАБОТОК В ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ И МёРЗЛЫХ ГРУНТАХ |
CN106988680A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-07-28 | 湖南科技大学 | 冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝方法 |
CN109798071A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-05-24 | 吉林大学 | 一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法 |
RU2751030C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-07-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт"-ПИЯФ) | Способ бурения ледниковых скважин |
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU369753A3 (ru) * | 1969-07-19 | 1973-02-08 | ||
RU2168532C1 (ru) * | 2000-03-10 | 2001-06-10 | Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (Технический университет) | Промывочная жидкость для бурения скважин в ледовых отложениях |
RU2178506C1 (ru) * | 2001-04-18 | 2002-01-20 | Азизов Азиз Мустафаевич | Способ образования скважин в геологических структурах |
RU2225931C1 (ru) * | 2002-07-30 | 2004-03-20 | Плугин Александр Илларионович | СПОСОБ ОБРАЗОВАНИЯ СКВАЖИН И ВЫРАБОТОК В ОСАДОЧНЫХ ГОРНЫХ ПОРОДАХ И МёРЗЛЫХ ГРУНТАХ |
CN106988680A (zh) * | 2017-05-27 | 2017-07-28 | 湖南科技大学 | 冰粒磨料射流辅助机械钻孔及煤层割缝方法 |
CN109798071A (zh) * | 2019-03-29 | 2019-05-24 | 吉林大学 | 一种极地冰川用超声波热水钻进装置及方法 |
RU2751030C1 (ru) * | 2020-12-16 | 2021-07-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" (НИЦ "Курчатовский институт"-ПИЯФ) | Способ бурения ледниковых скважин |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2804095C1 (ru) * | 2023-04-24 | 2023-09-26 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | Способ бурения скважин в континентальном льду |
RU2808806C1 (ru) * | 2023-10-25 | 2023-12-05 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский горный университет" | Термогидравлический буровой снаряд |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6347675B1 (en) | Coiled tubing drilling with supercritical carbon dioxide | |
US1342780A (en) | Method and apparatus for shutting water out of oil-wells | |
US4498543A (en) | Method for placing a liner in a pressurized well | |
US4189184A (en) | Rotary drilling and extracting process | |
JPH0144878B2 (ru) | ||
US7059403B2 (en) | Electroacoustic method and device for stimulation of mass transfer processes for enhanced well recovery | |
RU2393340C1 (ru) | Способ и система для управления давлением в подземных формациях | |
Vasiliev et al. | Deep drilling at Vostok station, Antarctica: history and recent events | |
WO1996003566A2 (en) | Improvements in or relating to drilling with gas liquid swirl generator hydrocyclone separation combustion thermal jet spallation | |
JP7299643B2 (ja) | 海域天然ガスハイドレートの筒式採掘装置およびその方法 | |
NO326050B1 (no) | Nedihulls boreinnretning og fremgangsmate for indusering av loft i borefluid ved hjelp av uavhengig stalepumpe | |
US9022139B2 (en) | Gas cutting borehole drilling apparatus | |
US7117946B2 (en) | In-situ evaporation | |
US3439953A (en) | Apparatus for and method of mining a subterranean ore deposit | |
WO2001014688A1 (en) | Method and system for processing of drilling fluid | |
RU2779170C1 (ru) | Способ бурения скважин в ледниковом покрове | |
US20060201715A1 (en) | Drilling normally to sub-normally pressured formations | |
CN106401463A (zh) | 一种提高冻土层钻井效率的钻井系统及其方法 | |
RU2449915C2 (ru) | Плавающая платформа для бурения и эксплуатации морских скважин в водных пространствах морей и океанов и в арктических условиях | |
US1530221A (en) | Process and apparatus for increasing the recovery of petroleum from wells | |
US3507540A (en) | Method and apparatus for cutting large diameter bore holes | |
CN110344801A (zh) | 用于可燃冰开采的压裂作业方法、开采方法和开采系统 | |
CA1067819A (en) | Mining and extracting process and apparatus | |
GB2571338A (en) | Extraction of hydrocarbons | |
RU2700143C1 (ru) | Тепловой снаряд для бурения плавлением |