ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Технологические трудности и ограничения

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Глубина. Одно из ограничений по глубине скважин при их буре­нии обычными методами связано с длиной колонны буровых труб, под­нимаемых и вновь опускаемых при смене буровых головок. Известно, что эта длина может превышать 9 км, а при благоприятных геологичес­ких условиях достигать 15 км. Однако эффективность работы труб резко понижается с увеличением глубины, приводя к экспоненциаль­ному росту стоимости бурения.

Температура. Все бурильные операции в настоящее время огра­ничены температурой^зі5°с, так как при приближении к этой темпе­ратуре буровые и цементные растворы становятся неустойчивыми, а измерительная аппаратура быстро выходит из строя и дает искажен­ные показания. В некоторых случаях были достигнуты температуры до 370° С.

Диаметр скважины. Диаметр скважин при бурении обычно неве­лик, но он должен быть достаточным, для установки колонн обсадных труб, способных выдержать высокое поровое и пластовое давления. Чем глубже скважина, тем более разнообразны литологические пока­затели по ее длине, тем больше существует различных зон давле­ния и тем больший диаметр скважины требуется в начале бурения.

Способность стенок скважины противостоять сдавливающему дей­ствию статического давления зависит от отношения диаметра обсад­ных труб к толщине их стенок, а также от качества стали, из которой они изготовлены (фиг. 2.5). Чтобы избежать смятия в зонах высоко­го давления в породах различного типа, может потребоваться несколь­ко колонн толстостенных обсадных труб. Но это может привести, к то­му, что диаметр на забое скважины может уменьшиться до нуля.

Если скважина заполнена относительно тяжелым буровым раст­вором, то он может легко уравновесить поровое и пластовое давле­ния. Но при замене тяжелого бурового раствора водой или газами давление может стать угрожающим. Например, ни одна из обычно применяемых обсадных труб в случае, если она не заполнена раст­вором, не может выдержать поровое давление, равной 138 МПа. Исключение составляет высококачественная сталь V-150 при отноше-

8 Зак. 14650 нии диаметра к толщине стенки, равном 13. Для более распространен­ной стали Р-110 потребуется величина этого отношения, равная (фиг. 2.5), но таких соотношений обычно нельзя получить. (Фирма "Юнайтед стейтс стил", например, продает трубы из стали марки Р-110 с отношением диаметра к толщине стенки 20:13 при наружных диаметрах (114-340 мм.)

Так как на глубинахл/15 км для скважин в осадочных породах следует ожидать давлений до 344 МПа, то требования большого диа­метра скважины, необходимости удаления из нее бурового раствора и обеспечения сопротивления смятию вступают в противоречие друг с другом, создавая основную проблему в выборе подходящего диамет­ра скважин.

Давление. Аналогично тому, как температура и геотермический градиент ограничивает глубину скважины, так и давление сказывает­ся на ее диаметре. Высокие давления при современном уровне техно­логии способны выдержать лишь обсадные трубы малого диаметра (Ml0 мм). Разрез одной из таких скважин показан, например, на фиг. 2.6. На глубинах 3 — 4,9 км поровые и пластовые давления воз­растают с глубиной, в связи с чем требуется установка нескольких колонн обсадных труб, соединенных замками. На глубинах 4,9—7,3 км высокие давления практически не изменяются. На таких глубинах проходка скважины может происходить при использовании тяжелого бурового раствора с плотностью 2,16 кг/л, чтобы противостоять вы­соким давлениям. Ниже 7,3 км поровые пластовые давления понижа­ются до величины, эквивалентной удельному весу бурового раствора 1,56 кг/л. Здесь бурение может проводиться обычными способами. Считаются, что аномально высокие давления встречаются почти всег­да при бурении в осадочных породах.

Такие давления приводят к ограничению диаметра скважин при роторном бурении и заставляют принимать специальные меры пре­досторожности. Методы защиты от высоких давлений в скважинах большого диаметра и при выемке грунта только начинают разрабаты­ваться. В частности, исследуются строительные пластмассы с повы­шенными механическими свойствами. Кроме того, поскольку полага­ют, что высокие пластовые давления существуют лишь в осадочных породах, продолжается исследование бурения в вулканических породах.

Вид породы. Высокое пластовое давление в осадочных формаци­ях в настоящее время порождает технологические трудности. До тех пор пока не будут разработаны методы сопротивления давлению в газонаполненных скважинах, глубокое бурение или выемка грун­та будут приурочены к изверженным породам.

Геологоструктурные барьеры. В изверженных породах основные осложнения на любой глубине связаны с трещиноватостью и раздроб­ленностью пород. Практически невозможно встретить монолитный массив гранита мощностью до 15 км. Тем не менее вода, движущая­ся в трещинах таких систем под действием конвекции, представляет собой выгодный источник геотермальной энергии при ее извлечении через глубокую скважину, хотя ее присутствие и усложняет проведе­ние бурения.

Экономические барьеры. При любом процессе выемки грунта имен­но назначение данного сооружения определяет допустимые затраты. Например, затраты на сооружение геотермальной скважины не долж­ны быть очень высокими, поскольку при этом стоимость получаемой электроэнергии будет также слишком высокой. Однако при многоце­левом назначении сооружения, например для исследования и разра­ботки методов бурения, для систем связи и для удовлет­ворения специальных военных нужд, можно привлечь дополнительные средства на это сооружение.

Технологические барьеры. Прочность сталей, применяемых при бурении, определяется как требованиями самой буровой промышлен­ности, так и возможностями современной технологии. Хотя в настоя­щее время длина стальных буровых труб - v 9 км представляется пре­дельной, поскольку трубы обрываются под действием собственного веса, некоторые специалисты по бурению полагают, что при благо­приятных геологических условиях бурение можно производить на глу­бине до 15 км. И хотя, по-видимому, не глубина является основным ограничивающим фактором в настоящее время, тем не менее о каких - либо планах бурения на глубине более 15 км неизвестно. В Советс­ком Союзе и в ряде европейских стран ведутся работы по созданию новых сплавов, но пока эти сплавы не превосходят по своим свойст­вам стали, используемые при бурении.

Допустимые напряжения в обсадных трубах ограничены характе­ристиками обычных обсадных труб, используемых в нефтяной и га­зовой промышленности. Сопротивление разрыву, или прочность об­садки, определяется по отношению наружного диаметра к толщине стенок. Это отношение обычно ограничено пределом 10-40, причем наиболее принято отношение 20. Однако, чтобы скважины были прой­дены в условиях очень высоких пластовых давлений, имеющих мес­то при сверхглубоком бурении, требуется отношение менее 10. Та­кие обсадки технологически выполнимы, но их можно изготовить только по специальному заказу, что требует времени и значитель­ных расходов. В настоящее время не предпринимается попыток изме,- нить такое положение.

Нагрузка на крюке современных буровых установок ограничива­ет максимальный вес обсадки до^450 т. Эта нагрузка по мере созда­ния нового и специализированного оборудования будет постепенно по­вышаться.

Температурные ограничения для буровых растворов остаются не­преодолимыми. Обсуждения, проведенные в ведущих научно-исследо - вательских лабораториях штатов Техас и Оклахома, показывают, что каких-либо изменений не предвидится. В настоящее время все буро­вые растворы на водной или масляной основе становятся неработо­способными при температурах выше 315°С.

То же самое относится и к цементу. В настоящее время надеж­ное цементирование при температурах выше 315° С не представляет­ся возможным. При таких температурах вода в цементе вскипает и испаряется до начала его затвердевания. Цементный порошок после этого выносится из скважины паром. Имеется успешный опыт цемен­тирования нескольких скважин в шт. Калифорния при температурах выше 370° С. Цемент при этом насыщали специальными химическими реагентами. Тем не менее использование этого метода на больших глубинах при неизбежной задержке между подготовкой цементного раствора и процессом цементирования весьма сомнительно.

Приборостроительная промышленность, изготавливающая аппа­ратуру для исследования скважин-, предприняла попытки обеспечить ее надежность при температурах 260-315°С. Сообщалось, что рабо­та при температурах до 650° С, по крайней мере в течение несколь­ких часов, становится возможной.

Другие трудности, связанные с оборудованием, такие, как пере­дача энергии на забой и стоимость бурения, требуют дальнейшего изучения и разработок. В настоящее время с ростом глубины энергия передаваемая на забой, понижается, в то время как расходы на буре­ние экспоненциально возрастают.

Не следует ожидать, что устранение указанных технологических ограничений произойдет быстро или без учета нужд бурильной про­мышленности. Что же касается непосредственно освоения геотермаль ных ресурсов, то наилучшим решением представляется подход, при котором учитывается современный уровень технологии и проводится тщательный выбор расположения, глубины и состава пород.