Supersyvien kaivojen porausohjelma Neuvostoliitossa ja sittemmin Venäjällä on ensimmäistä kertaa maailmassa maapallon litosfäärin kattavaan tutkimukseen kehitetty hanke , joka on saanut laajan käytännön sovelluksen mineraalien louhinnassa ja geologisessa tutkimuksessa. prosessit.
1950-luvun lopulla hyväksytyssä ohjelmassa [1] suunniteltiin 2–3 kilometrin syvyisten parametristen kaivojen verkon rakentamista koko Neuvostoliiton alueelle . Soros Educational Journal -lehden mukaan kaivoja, joiden suunnittelusyvyys on luokituksessa 3-7 km, kutsutaan syviksi, yli 7 km - supersyviksi [2] . Samaan aikaan SG-indeksi (superdeep) Neuvostoliitossa määritettiin myös useille kaivoille, jotka eivät saavuttaneet suunnittelusyvyyttä (kaikki ne saavuttivat kuitenkin vähintään 5 km:n syvyyden); nimistä päätellen vastaavia tapauksia oli muissa maissa.
Vuosina 1960-1962 laadittiin maailman ensimmäinen kattava tieteellinen ja tekninen ohjelma "Maan suoliston tutkimus ja supersyvät poraukset" [1] . Sen suunnittelivat geologiset organisaatiot ja tieteelliset laitokset, ja se aloitettiin toukokuussa 1970, kun Murmanskin alueella, 10 km:n päässä Zapolyarnyn kaupungista, porattiin Kuolan supersyvä kaivo , jonka suunnittelusyvyys oli 15 km. alkoi. Vuonna 1991 sen poraus lopetettiin 12 261 metrin syvyyteen , mutta tähän päivään (vuodesta 2020 lähtien) se on maailman syvin. Sitten vuonna 1977 aloitettiin Saatli-kaivon poraus Azerbaidžanissa, jonka suunnittelusyvyys oli 11 km (todellisesti porattu 8324 m) [2] .
Vuonna 1986 Jaroslavliin perustettiin valtion tutkimus- ja tuotantolaitos (GNPP) " Nedra " koordinoimaan ohjelmaa "Maan suoliston tutkimus ja erittäin syvä poraus". Hänen johdollaan tehtiin ja jatkettiin 10 tutkimuskaivon poraamista, joiden syvyys oli 4-9 km. Samaan aikaan USA:ssa porattiin ultrasyviä kaivoja ( Bertha Rogers ), ja Saksassa hieman myöhemmin, vuosina 1990-1994, Baijerissa porattiin KTB-Oberpfalzin kaivo, jonka syvyys oli 9101 m [2] . Erittäin syvien kaivojen porauskustannukset ovat suhteellisen korkeat: esimerkiksi Saksan hallitus käytti 583 miljoonaa markkaa KTB-Oberpfalziin [ 2 ] ja amerikkalaiseen Bert Rogers -kehitysyhtiöön (joka porasi sen öljyn etsimiseksi, ei tieteellisiin tarkoituksiin) - 15 miljoonaa dollaria [3] .
Venäjän federaatiossa ultrasyvien kaivojen tutkimuksesta ja porauksesta on tullut osa valtiollista geofysikaalisten vertailuprofiilien verkostoa, joka on perustettu vuodesta 1994 [4] .
Porattaessa perinteisiä kaivoja satojen metrien syvyyteen, päällä oleva moottori pyörittää teräsputkia, jonka alapäähän kiinnitetään kovilla seoksilla tai timanteilla vahvistettu poranterä. Pyörityksen aikana leikataan ulos lieriömäinen kivipylväs - ydin , joka poistetaan ajoittain sisemmästä (sydän)putkesta nostaen koko poraputkisarjan pintaan porauslaitteistoon asennetun vinssin avulla (tätä varten sen on oltava riittävän korkea). Tarvittaessa narua nostettaessa poranterä vaihdetaan [2] .
Jos poraus suoritetaan ilman näytteenottoa, kivi murskataan sisällä useista pyörivistä kovametallikartioista koostuvan järjestelmän avulla ja kuljetetaan ylös erityisellä saviliuoksella, joka pumpataan kaivoon seinien stabiloimiseksi, työkalun jäähdyttämiseksi jne. Kaivot, joissa on epävakaat seinät on vahvistettu teräsvaippaputkilla kaikessa venymässä. Porausprosessin aikana muodostumien fysikaalisia ominaisuuksia mitataan jatkuvasti: lämpötila, sähkönjohtavuus, magneettinen herkkyys, radioaktiivisuus. Tätä prosessia kutsutaan kirjaamiseksi .
Erittäin syväporauksessa käytetään epätavanomaisia teknisiä ratkaisuja. Esimerkiksi porausreikämoottorit ovat miniturbiineja tai ruuvimekanismeja, jotka on asennettu porasarjan pohjalle ja joita käytetään porausnesteellä, joka ruiskutetaan paineen alaisena kaivoon. Itse kaivon merkkijono ei pyöri. Pylvään valmistukseen sen painon vähentämiseksi käytetään erityisiä kevyitä, mutta vahvoja ja lämmönkestäviä seoksia - alumiinia (Kola-kaivo) tai titaania. Ne voivat olla vähintään 2 kertaa kevyempiä kuin teräs [2] .
Ensimmäinen niistä on porausnestepylvään hydrostaattisen paineen ja kallion litostaattisen (kivi)paineen välinen ero. Sen tasapainottamiseksi erityisten täyteaineiden ansiosta porausnesteen tiheys nostetaan noin 2 g/cm³:iin [2] .
Koska muodostumislämpötila suurissa syvyyksissä ylittää 100-200 astetta, tarvitaan tällaisten kaivojen työskentelyyn erikoislaitteita: metalliosat ja liitokset, voiteluaineet, porausneste, erikoismittauslaitteet (perinteinen elektroniikka pettää jo 150°C:ssa). Vesipitoiset porausnesteet yli 230-250°C:n lämpötiloissa menettävät teknologiset ominaisuutensa ja ne on vaihdettava öljypohjaisiin liuoksiin [2] .
Suuria teknisiä vaikeuksia aiheuttaa porausreiän spontaani kaarevuus, joka johtuu osan geologisista epähomogeenisuudesta ja muista syistä. Näin Kuolan kaivon pohjareikä noin 12 km syvyydessä poikkesi pystysuorasta 840 m. KTB-Oberpfalzia porattaessa saksalaiset asiantuntijat onnistuivat kaivon pystyasennossa pitämisen erityistekniikoiden käytön ansiosta. pitämään sen pystysuorassa 7500 m syvyyteen, mutta tällä syvyydellä laitteisto on jo saavuttanut korkean lämpötilan ja paineen vuoksi, joten maksimisyvyydellä 9101 m pohjareiän poikkeama pystysuorasta oli 300 m [2] .
Ultrasyvien kaivojen porausnopeus on arvioitu 1-3 metriä tunnissa. Yhdellä laukaisujaksolla ne syvenevät 6-10 m. Keskimääräinen porausputkien nostonopeus on 0,3-0,5 m/s. Vähintään 10 % ajasta käytetään kaivon mittauksiin, mikä itse asiassa on tutkimuksen tarkoitus. Maan paksuudesta irrotetut ytimet, joiden halkaisija on 5–20 cm, dokumentoidaan huolellisesti ja varastoidaan erityishuoneissa. Myöhemmin suuret tieteelliset ryhmät ovat mukana tutkimuksessaan. Siten KTB-Oberpfalzin porauksen aikana saatu materiaali toimi noin 400 tutkijan kahden tuhannen tieteellisen artikkelin perustana [2] .
Korkeat lämpötilat ja epänormaalit paineet tekevät yksityiskohtaisista tutkimuksista suurimmaksi osaksi vaikeita, koska instrumentit yksinkertaisesti epäonnistuvat tai katoavat kasvoihin.
Syntyvät komplikaatiot jaetaan kahteen ryhmään.
1) Leikkauksen geologisista ja geofysikaalisista ominaisuuksista (korkeat lämpötilat ja paineet, erittäin läpäisevien kaasua ja vettä sisältävien muodostumien esiintyminen, kivien jännittynyt tila ja niiden fysikaalisten ominaisuuksien anisotropia) johtuvat komplikaatiot, jotka vaikeuttavat käytä tiettyjä porausnesteitä, porausmoottoreita, geofysikaalisia instrumentteja.
2) Prosessit ja ilmiöt porauksen aikana suurilla syvyyksillä: porausnesteen paineen monisuuntaiset vaikutukset kaivojen seiniin laukaisuoperaatioiden ja kierron palautumisen aikana, liuoksen vuorovaikutusajan pidentyminen kaivon seinien kanssa ja aika huuhtelua varten.
Näiden ja muiden tekijöiden yhteisvaikutus lisää kaivon rakentamisaikaa ja erottumisen riskiä, koska kaivonmuodostusjärjestelmän painehäviötä ja savikakun paksuutta on erittäin vaikea hallita porausrei'issä.
Ennen ultrasyvien kaivojen poraamista ennustettu geologinen leikkaus ei missään tapauksessa täysin vahvistunut, ja joissain tapauksissa ennusteen ja todellisuuden erot olivat radikaaleja. Tutkijat uskovat, että nykyinen tieto mannerkuoren syvärakenteesta on likimääräistä, mikä vahvistaa jälleen kerran tarpeen luoda syviä tieteellisiä kaivoja [2] .
Niinpä Krivoy Rog -kaivoa porattaessa oletettiin, että rautapitoiset kvartsiitit , jotka tulevat pintaan noin 120 km:n pituisena kaistaleena, vajoavat 6–8 km:n syvyyteen ja taivuttavat sitten jälleen pintaan, ja on mahdollista laskea missä tarkalleen, jotta rautamalmin kehitystä voidaan jatkaa tähän saavutettavissa olevissa syvyyksissä. Itse asiassa rautamalmialtaan syvyyksistä ei löydetty yhtä kaarevaa laskosta, vaan sarja yhdensuuntaisia kaltevia kerroksia, jotka ulottuivat yli 10 kilometrin syvyyteen [2] .
Ultrasyvän porauksen tulokset auttoivat saamaan uutta tietoa litosfäärin rakennetta koskevien geofysikaalisten tietojen tulkitsemiseen sekä miettimään uudelleen maan syvän hydrosfäärin muodostumisen yleisiä olosuhteita ja selittämään aiemmin säilyneitä ilmiöitä. selittämätön: syvien ylipainevyöhykkeiden ilmaantuminen, jotka eivät vastaa päällä olevien kivien painoa, savikerrosten tiivistymiskestävyys niiden uppoamisen aikana suuriin syvyyksiin, kun ne muuttuvat perinteisistä tiiviistä vesistöistä huokoisiksi öljy- ja kaasusäiliöiksi. Tämä viimeinen tekijä auttoi ymmärtämään syvän öljyesiintymien muodostumismekanismia: Ensin Saatlinskaja-kaivossa havaittiin, että pohjavesi voi tunkeutua alun perin kuiviin kiteisiin kiviin yläpuolella olevista sedimenttikerroksista (laskeva suodatusmekanismi) ja sitten Tyumenskayasta . 6424 metrin syvyydessä pohjareikään asti paljastui erittäin huokoisia ja mikromurtuneita basalttikerroksia , jotka olivat iältään ja koostumukseltaan samanlaisia kuin Itä-Siperian pinnalla paljastuneita kiviä. 60–100°C:n lämpötilassa kemiallisesti ja fysikaalisesti sitoutunut vesi ja muut haihtuvat yhdisteet siirtyvät vapaaseen tilaan, jolloin muodostuu hydraulisia rakoja ja kivien osittainen liukeneminen. Yllä olevien sedimenttikerrosten tiivistymisen aikana vapautunut vesi vuorovaikutti alla olevien kuivien basalttien kanssa niin, että ne lopulta muuttuivat läpäiseviksi syviksi varastoiksi, jotka ovat edullisia kaasukondensaatin ja kaasukerrostumien kerääntymiselle [2] .
Kävi myös ilmi, että malmeja voi esiintyä erittäin suurissa syvyyksissä - esimerkiksi Kuolan kaivossa, noin 10 km:n syvyydessä, löydettiin poikkeuksellisen korkea kulta- ja hopeapitoisuus, mikä osoitti, että geokemialliset vaellusprosessit muodostuvat malmiesiintymiä ei esiinny vain lähellä maan pintaa. Tämän osoittivat myös Kyzylkumin autiomaassa sijaitsevan maailman suurimman kultaesiintymän Muruntaun lähellä tehdyn geologisen tutkimuksen ja sen jälkeen tehdyn syväporauksen tulokset : teollinen kullan mineralisaatio jäljitettiin siellä 1100 metrin syvyyteen, ja kultavarannot syvillä horisonteilla voidaan arvioida 3 tuhat tonnia, vaikka sitä ei vielä voida tunnistaa hyödynnettäväksi [2] .
Vorotilovskajan syväkaivon poraus tehtiin paitsi selventääkseen kuvaa Puchezh-Katunsky-kraatterin muodostumisesta, joka muodostui meteoriitin putoamisen seurauksena 200 miljoonaa vuotta sitten, vaan myös selventääkseen tietoja Ural-mobiililaitteen kellarista. hihna [2] .
Lämpöfysikaaliset mittaukset syvissä ja ultrasyvissä kaivoissa auttoivat ymmärtämään lämpötilajakaumaa ja syvän lämpövirran suuruutta, mikä ylitti merkittävästi pinnanläheiseltä vyöhykkeeltä ekstrapoloimalla saadut arviot. Esimerkiksi Kuolan kaivon pohjareiän lämpötila lähes kaksinkertaistui lasketun: 212 astetta 120 asteen sijaan, mikä liittyy sieltä suurilta syvyyksiltä löytyneiden radioaktiivisten kivien vaikutukseen [2] .
| No nimi | Koodi | Sijainti | Komplikaatiot [5] | Vuosien porausta |
Syvyys, metriä |
Syvyys (suunnitelma) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Aralsor supersyvä | SG-1 | Kaspian alanko | Vaikka välissä 6000-6806 m oleva avoin reikä varmistettiin onnistuneesti 127 mm:n vaippanauhalla, porausreiän yläosan lisävaippausta valmisteltaessa häirittiin asennettua lankaa siirtymällä, jonka jälkeen poraus lopetettiin. | 1962-1971 | 6806 | |
| Biikzhalskaya erittäin syvä | SG-2 | Kaspian alanko | 1962-1971 | 6700 | ||
| Kuolan supersyvä | SG-3 | Murmanskin alue , 10 km länteen Zapolyarnyn kaupungista ( Baltic Shield ). | Poranreiän kaarevuus, lisääntynyt ytimen murskattuvuus (itsejumittuminen), kavitaatio | 1970-1990 | 12262 | 15 000 |
| Ural supersyvä [6] [7] | SG-4 | Sverdlovskin alue , 5 km Verkhnyaya Turasta länteen | Rungon kaarevuus, tasot, maanvyörymät | 1985-2004 | 6015 | 15 000 |
| Timan-Pechora supersyvä | SG-5 | Komin tasavalta , Vuktylsky-alue | Rungon kaarevuus | 1984-1993 | 6904 | 7000 |
| Tyumen supersyvä [8] | SG-6 | Länsi-Siperia, Korotchaevon kylä (70 km itään Novy Urengoystä ) | Rungon vääntyminen, tasot, romahdukset, kavitaatio, poraustyökalun tarttuminen | 1987-1996 | 7502 | 8000 |
| Krivoy Rog erittäin syvä | SG-8 | Ukraina, lähellä Krivoy Rogin kaupunkia ( Ukrainalainen kilpi ) | 1984-1994 | 5432 | 12 000 | |
| Dnepri-Donetsk supersyvä | SG-9 | Itä-Ukraina | 1983-n/a | 5691 | 8000 | |
| Muruntau supersyvä kaivo | SG-10 | Uzbekistan, lähellä Muruntaun kylää | 1984-n/a | 3000 | 7000 | |
| Saatly superdeep [9] | SG-1 | Azerbaidžan, 10 km Saatlyn kaupungista ( Kuran masennus ) | 1977-1982 | 8324 | 15 000 | |
| Shevchenkovskaya-1 [10] | Karpaattien alue (Länsi-Ukraina) | 1982-n/a | 7520 | |||
| Novo-Elkhovskaya supersyvä [11] | Tatarstan | 1988-n/a | 5881 | 7000 | ||
| Vorotilovskaja syvä kaivo [12] | Nižni Novgorodin alue , Puchezh-Katunsky-kraatterin keskus | 1989-1992 | 5374 |
Venäjän federaation geologiaa ja maaperän käyttöä käsittelevän komitean asetuksesta nro 195, 18.11.1994, tuli lähtökohta geofysikaalisten vertailuprofiilien, parametristen ja supersyvien kaivojen valtion verkoston luomiselle tärkeimpien mineraaliprovinssien alueelle. Venäjän perustana yleisgeologisiin ja erityisiin tarkoituksiin liittyville teoksille. Sen käyttöönoton jälkeen tieteellistä ja käytännön tutkimusta on aloitettu uudelleen sekä mantereella että Barentsin, Karan, Itä-Siperian ja Okhotskinmeren vesillä Jäämeren syvällä alueella. Luotu valtion vertailuprofiiliverkko toteutetaan laajennettujen (yli tuhat kilometriä) syvien profiilien yhteenliitetynä kehyksenä, joka perustuu syviin ja erittäin syviin kaivoihin ja joka kattaa koko Venäjän alueen maalla ja vesillä (mukaan lukien sisämaassa). ) [4] .
Tarve jatkaa ultrasyvien kaivojen tutkimustyötä on sanelee myös nykyaikaisen Venäjän talouden tarpeet öljyn ja kaasun tuottajamaana. Tähän asti esiintymien kehitys on rajoittunut suhteellisen matalille syvyyksille. Ja uusien horisonttien kehittämiseksi on tarpeen tutkia ja ratkaista monia teknisiä ja teknologisia ongelmia, erityisesti oppia estämään komplikaatioita syvällä sijaitsevia horisontteja avattaessa, ennustamaan kaivon porausta ja oppia estämään hätätilanteita [5] .
| No nimi | Koodi | Sijainti | Vuosien porausta |
No pituus, metriä | Huomautuksia |
|---|---|---|---|---|---|
| En-Yakhinskaya supersyvä kaivo [13] | SG-7 | Länsi-Siperia, 150 km pohjoiseen Novy Urengoysta . Porattu kaasu- ja öljyvarantojen tutkimiseksi. Työn aikana ilmeni rungon kaarevuutta, tasoa, romahduksia, takertumista. [5] Töiden päätyttyä kaivo purettiin ja viljeltiin uudelleen. | 2000-2006 | 8250 | Suunnitelma 6900 |
| Odoptu | TAI-11 | Exxon Neftegasin kehittämä Odoptu - kenttä . Vaakakuilun pituuden ennätys on 11 475 metriä . Kaivo rakennettiin vain kahdessa kuukaudessa, ja sen pituus oli 12 345 metriä tammikuussa 2011 [3] . | 2010-2011 | 12 345 | Vertikaalista pohjan nousun maailmanennätys |
| Chayvo | Z-44 | Rosneftin Orlanin porausalusta Sahalinin hyllyllä . Erittäin monimutkaisen luokan kaivo: DDI-indeksi (Directional drilling index) on 8,0 pistettä, poikkeama pystysuorasta (ERD - laajennettu ulottuvuus poraus) on 14 129 m [14] . Pystysuoraa syvyyttä on vaikea arvioida, mutta se on enintään 1 km. | 2017 | 15 000 | Uusi maailmanennätys pohjareiän vetäytymisessä pystysuorasta |
| Yangiyugan parametrinen hyvin | 45808 | Yangiyuganin asutus , Napa-Urals , Jamal-Nenetsien autonominen piirikunta [15] | 2009-2011 (1 vaihe) | 2500 | Suunnitelma 4000 |
| Chumpalovskaja 1 | Prokhladnenskyn alue Kabardino-Balkarian tasavallassa . Porausta varten on kehitetty erityinen porausneste, joka kestää korkeita lämpötiloja ja paineita ja antaa sen läpäistä suolakertymiä, kipsiä ja kestää kaikkien mahdollisten epäpuhtauksien sisäänpääsyn. Tekniikalla ei ole analogia maailmassa. Kaivo tulee olemaan Venäjän Kaukasuksen alueen syvin [16] . | 2018-2020 | 4850
(Vaihe 1) |
Suunnitelma 6250 | |
| Kolvin syvä parametrinen | Nenetsien autonominen piirikunta, lähellä Naryan-Marin kaupunkia [17] . Se mahdollisti öljyntuotannon syväporauksen alhaiset näkymät, koska yli 6 km:n syvyydessä se alkaa termisesti romahtaa [1] . | 7057 | |||
| Novoyakimovskaya parametrinen kaivo N 1 | Novoyakimovin nousun etelärinne, Krasnojarskin alue, Transbaikalia [18] . | 2019 - nykyinen | 1600
(Vaihe 1) |
suunnitelma 5000 |
Vuoteen 2016 mennessä saatiin myös päätökseen Tyrnyauzin (4001 m), Severo-Molokovskajan (3313 m), Voronežin (3000 m) ja Onegan (3500 m) parametrikaivojen poraus [4] .
Huolimatta uusista Venäjällä kaivon pituuden maailmanennätyksistä, syvyysennätys säilyy Kuolan supersyvyydessä.
Länsimaissa tutkitaan parhaillaan ultrasyvän porauksen tehokkuutta. Uusia porausnesteitä kehitetään nanoteknologian avulla (PYRODRILL, CARBO-DRILL, MAGMA-TEQ jne.), titaaniseoksesta valmistetaan vakaat kevytporaputket ja PDC-kärkien uusia modifikaatioita. Innovatiivisten porausmenetelmien joukossa harkitaan kivien kosketuksetonta tuhoamista plasmalla. Yhdysvalloissa vuonna 2003 tätä tarkoitusta varten otettiin käyttöön kansallinen DeepTrek-ohjelma, jonka yhtenä työkaluna on avaruusteknologian käyttö erittäin syväporauksessa [5] .