Jsou lepší hlubší studny?

Země jako objekt geologického výzkumu je přístupná přímému pozorování pouze z povrchu.
Jeho složení a strukturu lze posuzovat pouze nepřímými údaji.
Geologové se proto snaží pomocí vrtů proniknout co nejdále do hlubin Země.
Moderní technologie umožňuje vrtat studny na kontinentech až do hloubky 10–15 kilometrů

Nejčastěji se staví vrty:

• na průzkum ložisek nerostných surovin,
• pro těžbu vody, ropy a plynu z hlubin,
• pro inženýrské průzkumy a jiné aplikované účely;
• řešit základní vědecké problémy moderní geologie. Výsledky vědeckého vrtání byly v mnoha ohledech neočekávané a donutily nás přehodnotit teoretické koncepty, které se dříve zdály samozřejmé a neotřesitelné.

Počátek systematického vědeckého vrtání se datuje do 1960. let minulého století. V roce 1968 byla ve Spojených státech spuštěna speciální vrtná loď a začala realizace mezinárodního programu hlubinných vrtů v oceánech. Během více než třicetileté historie byly ve Světovém oceánu vyvrtány stovky vrtů, které procházely sypkými usazeninami oceánského dna a šly hluboko do podložních bazaltů. Nejhlubší z vrtů byl vyvrtán v Tichém oceánu jižně od pobřeží Kostariky. Jeho hloubka dosáhla 2105 metrů pod oceánským dnem dno oceánu.

Vrtání na zemi

• hluboká (3-7 kilometrů)
• ultrahluboké (více než 7 km).

• schopnosti amerického vybavení a techniky;
• vrtání se provádělo bez odběru vzorků, to znamená bez zvedání vzorků horniny na povrch. Vzorkování jádra vyžaduje spoustu času navíc, ale je naprosto nezbytné pro vědecké vrtání. Z tohoto důvodu mají hluboké a velmi hluboké průzkumné a průzkumné vrty jako zdroje vědeckých informací spíše omezenou hodnotu.

První program systematického ultrahlubokého kontinentálního vrtání pro vědecké účely byl vyvinut a realizován v SSSR. Základy tohoto programu byly formulovány již v letech 1960 – 1962. V květnu 1970 na severu Murmanské oblasti, 10 km od města Zapolyarnyj, začalo vrtání superhlubokého vrtu Kola. Jeho konstrukční hloubka byla stanovena na 15 km. V roce 1991 se vrtání zastavilo v hloubce 12 261 metrů. Studna Kola ale stále zůstává nejhlubší na světě.

Úspěchy Sovětského svazu nemohly jen povzbudit další země. Urychlili jsme vývoj vědeckých kontinentálních vrtných programů v Německu, Francii, USA, Kanadě, Japonsku a Spojeném království. Jeden z nejlepších výsledků dosáhli Němci, kteří provedli ultrahluboký vrt KTB-Oberpfalz v Bavorsku (1990 – 1994), který dosáhl hloubky 9101 metrů.

„Existují různé metody vrtání,“ píše V.S. Popov, A.A. Kremenetsky – Pokud je hloubka vrtů malá (stovky metrů), pak motor umístěný na povrchu otáčí řetězem ocelových vrtných trubek a vrták vyztužený tvrdými slitinami nebo diamanty je připevněn ke spodnímu konci trubky. Otáčením bit vyřízne válcový sloupec horniny, který postupně vyplňuje speciální vnitřní (jádrovou) trubku. Při vrtání bez jader se často používají vrtací hlavy, které jsou soustavou více rotujících kuželů vyztužených tvrdými slitinami. Pokud jsou stěny studny nestabilní, spustí se do ní ocelová plášťová trubka. Během procesu vrtání čerpadlo neustále čerpá do studny speciální jílový roztok, který je nezbytný pro stabilizaci stěn, chlazení nástroje, odstranění malých částic horniny (kal) a pro další účely. Čas od času se šňůra vrtných trubek zvedne na povrch pomocí navijáku instalovaného na vrtacím jeřábu, jádro se v případě potřeby vyloží, opotřebený vrták se vymění za nový a vrták se opět spustí na dno.

Vrtání je doprovázeno měřením fyzikálních vlastností hornin podél vrtu. K tomu se do vrtu spouštějí přístroje pomocí speciálního kabelu a zaznamenávají teplotu, elektrickou vodivost, magnetickou susceptibilitu, radioaktivitu a další vlastnosti hornin. Tento proces se nazývá protokolování studny.”

Zkušenosti s vrtáním v USA a dalších zemích ukázaly následující:

• díky výkonu motorů a tlaku čerpadel, která vstřikují vrtnou kapalinu, jakož i zvýšení nosnosti navijáků a pevnosti ocelových vrtných trubek, lze tímto způsobem vrtat studny až do 9 – hloubka 10 km;
• K vrtání hlubších vrtů jsou zapotřebí jiná nekonvenční inženýrská řešení. A taková řešení byla navržena a implementována během provádění programů ultrahlubokého vědeckého vrtání

Ukázalo se, že v případech, kdy se dno vrtu nachází v hloubce mnoha kilometrů, je vhodné použít spádové motory instalované nikoli na povrchu, ale ve spodní části vrtné kolony, která se sama neotáčí. Ponorné motory jsou miniaturní turbíny nebo šroubové mechanismy, které jsou poháněny do rotace vrtnou kapalinou vstřikovanou pod tlakem do vrtu.

Aby se snížila hmotnost řady vrtných trubek, dosahujících délky několika kilometrů, jsou vyrobeny ze speciálních lehkých, ale poměrně pevných a žáruvzdorných slitin. Hliníkové slitiny použité při vrtání studny Kola byly 2,4krát lehčí než ocel.

Při dosažení velkých hloubek dochází vlivem hmotnosti hornin k výraznému rozdílu mezi hydrostatickým tlakem sloupce vrtné kapaliny a litostatickým (horninovým) tlakem. To může vést k destrukci stěn studny a to zase způsobuje vážné komplikace při vrtání. Pro dosažení rovnováhy tlaku horniny se hustota vrtné kapaliny zvyšuje přidáním speciálních plniv.

Parametry ultrahlubokých vrtů:

• mají teleskopickou konstrukci: vrtání začíná s největším průměrem a poté se přesune na menší Ø. Ve studni Kola se průměr z 92 cm v horní části zmenšuje na 21,5 cm v hloubce 12 262 m V německé studni KTB-Oberpfalz – ze 71 centimetrů na 16,5 cm.
• mechanická rychlost vrtání – 1 – 3 m/hod.
• za 1 cestu mezi zdvihacími operacemi můžete jít o 6 – 10 m hlouběji.
• průměrná rychlost zdvihu kolony vrtných trubek – 0,3 – 0,5 m/s;
• doba vrtání – několik let,
• náklady na vrtání ultrahlubokého vrtu v Německu jsou 583 ml. ;
• způsoby, jak modernizovat design:

— zvýšení výstupu zpod botky předchozích sloupků,

— použití bitů se sníženým a malým Ø;

— použití metody sekčního chodu pažnicových řetězců a upevnění kmenů s mezilehlými vložkovými sloupky;

— použití pažnicových trubek se svařovanými spojovacími prvky a pažnicových trubek bez spojek se speciálními závity při konstrukci mezilehlých a v některých případech výrobních pažnic;

— snížení konečného Ø vrtů a výrobních řetězců.

Ultrahluboké vrtání je založeno na technologii rotačního vrtání a sekvenčního zajištění vrtaných intervalů pažnicovými strunami.

Charakteristické vlastnosti technologie:

• teplota a hydrostatický tlak rostou s hloubkou;
• ztráta stability hornin vlivem rozdílu mezi horninovými a hydrostatickými tlaky;
• zvýšení hmotnosti vrtných strun a pažnice;
• zpomalení rychlosti hloubení v důsledku prodloužení doby spouštění/zvedání vrtné kolony a zhoršující se vrtatelnost hornin;
• zvýšení energetických ztrát při přenosu silových nárazů z hladiny na dno;
• potřeba odběru vzorků z jádra ve velkých objemech a provádění geofyzikálních studií v dolech.

• nosnost až 11 MN (1100 t);
• výkon – až 18 tisíc kW;
• čerpadla (2 – 4 ks) pro pracovní tlak 40-50 MPa o výkonu do 1 600 kW každé;
• elektrický pohon ze zdroje stejnosměrného proudu, který zajišťuje plynulou regulaci chodu hlavních mechanismů;
• Spouštění/výstup vrtné kolony se provádí převážně „svíčkami“ prodlouženými na 37 m s maximální mechanizací a automatizací procesu.

• Uralský závod těžkého strojírenství (UZTM);
• Závod na vrtací zařízení Volgograd (VZBT).

Faktory pro rozdělení vrtných souprav na soupravy pro hluboké a ultra hluboké vrtání:

• technické vlastnosti instalace; zatížení háku, tlak a průtok kalových čerpadel, typ a výkon hlavního pohonu;
• hmotnost pozemního zařízení (v důsledku technických vlastností vrtné soupravy);
• způsob instalace, demontáže a dopravy;
• čas strávený na stavbě vrtné soupravy;
• doba vrtání studny;
• organizace vrtných prací.

Metody ultrahlubokého vrtání:

• rotační – běžnější v západních zemích;
• turbína – v Rusku. Turbínová metoda umožňuje úspěšně používat vrtáky z lehkých (teplovzdorných, hliníkových) slitin (LBT). Podle kritéria přípustných napětí v potrubí umožňuje turbínová metoda v kombinaci s LBT zvýšit hloubku vrtání 1,5-2x ve srovnání s rotační metodou v kombinaci s ocelovými trubkami (SBT) se stejnou nosností. Při vrtání vrtu Kola byl použit kompozitní sloup LBT (dole) a SBT (nahoře), přibližně 2000 m, s použitím hliníkových slitin, které byly 2,4krát lehčí než ocel. Obecný trend v těžbě ropy a plynu ze stále hlubších horizontů lze ilustrovat na následujících číslech. Ještě před 20 lety byla hlavní těžba ropy (66 %) prováděna z nejmladších kenozoických hornin, z hornin druhohor – 19 % ropy, paleozoikum -15 %. Nyní se hlavní ropa vyrábí v druhohorách a paleozoiku.

Prevence ohýbání ultra hlubokých vrtů

Tím je zajištěno úspěšné odeslání. Aby udrželi odporové síly vůči pohybu vrtací kolony a opotřebení pláště v přijatelných mezích, snaží se:

• intenzita zakřivení nepřesáhla 2 – 3° / 1 km při zachování konstantního azimutu zakřivení,
• absolutní hodnota zenitového úhlu nepřesáhla 10 -12°;
• na svislost horní části kmene jsou kladeny přísné požadavky. Pro boj se zakřivením se obvykle používá sestava pevných spodních otvorů (BHA) s centralizátory plné velikosti, a pokud není dosaženo požadovaného efektu, používá se BHA typu kyvadla. V horní části vrtů (do 3-4 km), při vrtání šachty velkého průměru, se úspěšně používají vrtačky s proudovými turbínami.

S rostoucí hloubkou (více než 10 km) nahradí vrtací náhon rotační způsob, což umožňuje realizovat zásadní výhody vrtných trubek ze slitin lehkých kovů na bázi hliníku a titanu. Důraz bude pravděpodobně kladen na tepelně odolnou turbovrtačku s převodovkou.

„Jednou z nejobtížnějších technických výzev,“ píší Popov a Kremenetsky, „je zajistit spolehlivý provoz vrtného zařízení při vysokých teplotách, které existují v ultrahlubokých vrtech. To platí pro kovové díly, jejich spoje, maziva, vrtací kapalinu a měřicí zařízení. Přestože na dně, tedy v nejnižším bodě vrtu Salton Sea v USA v hloubce 3220 metrů, byla zaznamenána teplota 355 °C a v dalším vrtu, vyvrtaném do 1440 metrů v jednom z mladých sopečných struktur na západě USA, naměřená teplota dosáhla 465 °C, moderní technické prostředky neumožňují vrtání ultrahlubokých vrtů při tak vysokých teplotách po dlouhou dobu, jelikož tepelný odpor stávajících vrtných zařízení nepřekračuje 200 – 300 °C. Největší problémy vznikají u měřicího zařízení, zejména u elektroniky, která selhává již při 150°C. Vodné vrtné kapaliny si zachovávají technologické vlastnosti až do 230 – 250°C. Při vyšších teplotách je nutné přejít na roztoky na olejové bázi a používat složitější směsi. Vysoká teplota zemského nitra zůstává jedním z hlavních faktorů omezujících hloubku vědeckých vrtů.

Závažné technické potíže jsou spojeny se samovolným zakřivením hlubinných vrtů během vrtání v důsledku nerovnoměrné destrukce hornin na dně, geologické heterogenity úseku a dalších důvodů. Například dno vrtu Kola v hloubce asi 12 kilometrů se od vertikály odchýlilo o 840 metrů. Existují techniky držení studny ve svislé poloze. Vrt KTB-Oberpfalz v Německu tak zůstal díky úspěšnému návrhu speciálního zařízení nejvertikálnějším vrtem na světě do hloubky 7500 metrů. Hlouběji však toto zařízení vlivem vysoké teploty a tlaku selhalo a studna se vydala vlastní cestou; v důsledku toho se v hloubce 9101 metrů odchýlil od vertikály o 300 metrů.“

Ultrahluboké vrtání si vyžádalo vytvoření speciálního měřicího zařízení, které sleduje podmínky podél vrtu a na dně. Konvenční technologie těžby dřeva se senzory, které se spouštějí do studny na tepelně odolném kabelu, se ukázala jako málo použitelná. V důsledku zdlouhavého pátrání bylo možné vyvinout telemetrická a další elektronická zařízení namontovaná na vrtné soupravě a také autonomní měřicí přístroje, které jsou spouštěny dolů a unášeny proudem vrtného bahna. Nyní mohou být signály snímačů přenášeny nikoli prostřednictvím drátů, ale hydraulicky vytvářením tlakových pulzů ve vrtné kapalině.

Havaruje

Nejčastěji jsou způsobeny mrtvým přilepením vrtací kolony. Řešení nehod zabere spoustu času. Někdy nedovolí pokračovat v práci a my musíme začít vrtat novou šachtu. Dá se pochopit, jak drahý je doslova i obrazný mnohakilometrový jádrový sloup o průměru 5 až 20 centimetrů, který je jedním z hlavních, nikoli však jediným výsledkem vědeckého vrtání. Jádro je pečlivě zdokumentováno a uloženo ve speciálních místnostech. Poté je podrobně studována velkými týmy specialistů. Materiál získaný z vrtání německé ultrahluboké studny tedy zkoumalo asi 400 vědců. Později na jejich základě publikovali 2000 vědeckých prací!

Po dokončení samotného vrtání se práce na ultra hlubokém vrtu nezastaví. Studna se mění na trvalou laboratoř. Odborníci nadále sledují změny režimu zemského podloží podél vrtu i v prostoru kolem vrtu a provádějí různé experimenty. Takové laboratoře byly vytvořeny na základě vrtů Kola a Vorotilovskaya v Rusku a vrtu KTB-Oberpfalz v Německu.