В. К. Чистяков

Санкт-Петербургский государственный горный институт, Россия

Экологические проблемы бурения скважин

в ледниках и в подледниковых толщах

Одним из наиболее информативных и эффективных методов изучения ледников и подледниковых отложений нашей планеты как уникальных объектов исследований для целого ряда естественных наук и потенциальной сферы их практического освоения в ближайшем будущем является бурение скважин с отбором керна и проведением комплексных исследований отобранных проб и окружающего скважин пространства.

Специфические свойства льда; состав, строение и динамика ледников и ледниковых покровов; геологические, природно-климатические, экологические и организационно-технические условия проведения работ требуют совершенствования существующих и разработки новых нетрадиционных способов бурения скважин с использованием ресурсосберегающих и экологически безопасных технологий.

Одним из перспективных направлений решения этих задач является разработка замкнутой безотходной технологии бурения скважин с использованием полуавтономных колонковых буровых снарядов на грузонесущем кабеле. Безопасное внедрение в подстилающие ледники толщи воды или водо(льдо)содержащих пород возможно при создании в призабойной зоне скважины условий, исключающих взаимодействие заполняющих скважину технологических растворов с подледниковыми жидкостями. Такая технология позволяет на порядок и более уменьшить массу и габариты необходимых бурения технических средств, трудовые, энергетические и материальные затраты на сооружение и исследование скважин. Это на порядок и более сократит стоимость и сроки проведения работ и существенно облегчит решение проблемы экологической безопасности их воздействия на окружающую природную среду (ОПС).

Экологическая безопасность при проведении буровых работ - это отсутствие недопустимого риска, связанного с возможностью нанесения ущерба объектам ОПС технологиями бурения скважин и их элементами. Потенциальными источниками загрязнения среды или объектами оценки экологической безопасности при бурении скважин различного назначения являются:

- все виды технических средств (оборудование, механизмы, устройства, инструменты и т.д.), используемые в любых технологических операциях;

- материалы, реагенты, очистные агенты, тампонажные композиции и другие вещества, применяемые в основных и вспомогательных технологических процессах и операциях, а также различные производственные отходы, сточные воды и пр.;

- технологические и иные операции, являющиеся составными частями проведения буровых работ;

- технологии бурения скважин.

Загрязнению подвергаются поверхностные участки суши или водных акваторий, где располагаются буровое, вспомогательное и исследовательское оборудование, необходимая инфраструктура для проведения работ: поверхностные и подземные воды: атмосфера, а также связанные с ними биосистемы, Особенно сложно при оценке уровня экологической безопасности определение качественных и количественных показателей воздействия источников загрязнения на объекты окружающей среды.

Наибольшую опасность для ОПС из приведенного перечня источников загрязнения представляют широко используемые в технологиях бурения скважин многокомпонентные очистные агенты и тампонажные композиции. По результатам экспериментальных и производственных исследований установлено, что важнейшим фактором, определяющим экологическую опасность ОП при бурении скважин в ледниках, является интенсивность физико-химического взаимодействия этих агентов и композиций со льдом. По этому фактору при бурении скважин в криолитозоне и ледниках существует следующая последовательность очистных агентов по нарастанию степени их экологической опасности: сжатый воздух, газо-жидкостные смеси (ГЖС), органические гидрофобные жидкости, полимерглинистые растворы, водные растворы полимеров и поверхностно-активных веществ (ПАВ), бентонитовые растворы, техническая вода, солевые растворы.

До сих пор не решенными остаются проблемы разработки экологически безопасной низкотемпературной заливочной жидкости, способной обеспечить длительную устойчивость ствола скважины, как в ледяном массиве, так в подледниковых толщах. Практически не решенной остается задача безопасного внедрения в подстилающий ледник горные породы при условии, что между ними может находиться обширный замкнутый водный бассейн.

Исследования, выполненные в СПГГИ по программе глубокого бурения на станции Восток в Антарктиде, позволяют сформулировать требования к основным технологическим и экологическим параметрам, заполняющим скважину низкотемпературным жидкостям, и обосновать их выбор для конкретных условий проведения работ. Эти жидкости должны отличаться низкой отрицательной температурой замерзания (структурообразования); достаточной для создания необходимого гидростатического давления плотностью; низкой вязкостью, обеспечивающую их эффективную циркуляцию в системе буровой снаряд-скважина в диапазоне отрицательных температурах; хорошей стабильностью и минимальным физико-химическим взаимодействием со льдом, буровым инструментом и аппаратурой для исследования скважин. Компоненты жидкостей должны быть доступными, относительно недорогими, транспортабельными и допускающими длительное хранение. Их использование должно отвечать соответствующим нормам санитарной, технической и экологической безопасности.

Для уменьшения потерь заливочной жидкости в окружающую среду предполагается поддержание уровня ее в скважине ниже границы проницаемой снежно-фирновой зоны и использование призабойная циркуляция для очистки забоя скважины от продуктов его разрушения в процессе бурения. Безопасное бурение в проницаемой нижней части ледникового массива, и внедрение в подстилающие толщи воды или водосодержащих пород возможно при поддержании необходимого отрицательного дифференциального давления в призабойной зоне скважины и заполнении ее для предупреждения взаимодействия с подледниковыми жидкостями специальным буферным раствором.

Наиболее эффективными из применяемых в настоящее время при бурении в ледниковых толщах низкотемпературных промывочных сред являются смеси легких углеводородных жидкостей (авиационных и дизельных топлив, различных гидрофобных растворителей) с фреонами (хладонами) в качестве утяжелителей и понизителей вязкости. Эти низкотемпературные жидкости позволяют эффективно бурить скважины как тепловым, так и механическим способами при экстремально низких температурах льда (до -60⁰С), а также дают возможность создавать необходимое гидростатическое давление в скважине, обеспечивая длительную устойчивость ее ствола. С использованием данного класса жидкостей пробурен целый ряд глубоких скважин в ледниках и ледниковых покровах, в том числе и самая глубокая во льдах скважина - 3623 м на станции Восток в Антарктиде.

Однако эти промывочные жидкости являются экологически не безопасными из-за их углеводородной основы и озоноопасных утяжелителей, применение которых ограничено специальными международными соглашениями.

Решением этой экологической проблемы может стать использование при бурении глубоких скважин в ледниках нового класса жидкостей, а именно кремнийорганических. Эти жидкости являются гидрофобными, экологически безопасными и инертными к биологическим формам жизни; их вязкость незначительно изменяется в широком диапазоне отрицательных температур, плотность позволяет компенсировать отрицательное горное давление на стенки скважины. В качестве регулятора плотности и вязкости возможно использование новых озонобезопасных промышленных фторорганических продуктов, например, хладона-141В и др., применение которых разрешено международными соглашениями.

В качестве буферной жидкости могут быть использованы низко концентрированные водные растворы этанола. Они экологически безопасные и могут быть созданы за счет растворения ледяного шлама концентрированными растворами этанола, эффективность процесса очистки забоя при этом существенно повышается. Изменяя концентрацию активного компонента в буферной жидкости, можно регулировать их плотность, что позволяет существенно ограничить и даже практически исключить взаимодействие проникающей в скважину подледниковой жидкости со скважинной. Существенным резервом возможного уменьшения допустимой плотности жидкости является разгрузка напряженно-деформированного околоствольного массива проходкой опережающего ствола меньшим диаметром или разбуривание пройденных интервалов с удалением из скважины какой-то части деформированного ледяного массива.

Для надежного обоснования экологически безопасного способа вскрытия и опробования с помощью скважин такой уникальной и изолированной системы, как подледниковое озеро Восток, необходимо уточнить состав, физические свойства, реологические параметры и температурный режим глубоких горизонтов ледниковой и подледниковой толщ в этом районе, а также экологические и другие требования к используемым низкотемпературным жидкостям,.