Чистяков В.К. 

Санкт-Петербургский государственный
горный институт, С.-Петербург, РФ

 

ТРЕБОВАНИЯ К НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ ПРОМЫВОЧНЫМ ЖИДКОСТЯМ, ПРИМЕНЯЕМЫХ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ, И ПРОБЛЕМЫ ГЕОЭТИКИ

 

 

V.K. Chistyakov

Saint Petersburg State Mining Institute, St. Petersburg, Russia

 

THE REQUIREMENTS TO LOW TEMPERATURES HOLE FLUIDS

USED FOR DRILLING IN ICES AND GEOETHICS

(ABSTRACT)

Deep boreholes in polar ice sheets have to be filled with a liquid in order to prevent hole closure due to the overburden pressure of the ice. In Antarctica, at ice temperatures of -50ºC (st. Vostok), a depth of 952 m has been obtained in an open hole (1972). Since the borehole liquid should have density close to that of ice. Secondarily it provides a readily pumped liquid transport medium for ice cuttings, allowing them to be trapped within the drill and removed from the borehole with the ice core. The fluid also contributes to higher core quality in ways which are not entirely understood.

Long-term practice of deep drilling in ice sheets shows that hole liquid should satisfy the following criteria: a) controlled density (900-950 kg/m3); b) frost resistance (freezing point have to be less than -55ºC); c) low viscosity at the temperature of ice (less than 5-7 cSt at -55ºC in order to expedite drill movements); d) be non-aggressive to the ice hole wall in order to preserve hole diameter: e) be non-aggressive to drill and cable components; f) be environmentally acceptable and non-toxic in order to safeguard drill operators; i) be stability, inexpensive and available in bulk quantities.

Most effective of used now at drilling in ice low temperature fluids are mixes light hydrocarbons liquids (jet and diesel fuels, various hydrophobic solvents) with Chloro Fluoro Carbon (CFC) as densifier and viscosity reducing agent. However these drilling fluids are ecologically not safe because of them light hydrocarbons basis and CFC densifiers is limited to the special International Agreements.

The decision of this environmental problem can become use at drilling holes in glaciers of new industrial HCFC products and new class of silicone oil liquids. To our knowledge, not all of these requirements can be satisfied today. Some severe compromises have to be made in the selection of a suitable drilling fluid and needs new views on Environmental and Geoethics problems.

 

 

 

 

 

 

* * * *

В настоящее время одним из основных факторов, определяющих эффективность бурения глубоких скважин, является обоснованный выбор промывочных сред и их параметров, позволяющий оптимизировать технологию промывки скважины [6]. Процесс промывки предполагает выполнение довольно большого количества функций, основными из которых являются: очистка забоя и ствола скважины от бурового шлама (разрушенной на забое горной породы); закрепление и поддержание в устойчивом состоянии ствола скважины; охлаждение породоразрушающего инструмента (при механическом способе бурения) и обеспечение качества отбираемой при бурении пробы (керна). От качественных показателей промывки скважины зависят все основные качественные и количественные показатели бурения, а также безопасность проведения работ и степень их влияния на окружающую природную среду.

Особенность бурения скважин в областях распространения ледников и ледниковых покровов, помимо самых неблагоприятных природных и организационно-технических условий их проведения, заключается в специфических физико-механических и теплофизических свойствах ледовых толщ, определяющихся их строением, структурой, текстурой, температурой, давлением, а также продолжительностью, величиной и скоростью нарастания в них напряжений [7].

Высокая чувствительность ледовых толщ к нарушению их температурного и агрегатного состояния, а также влияние аккумулированного льдом холода на протекающие в скважине процессы являются причинами частых, разнообразных по природе и тяжелых по последствиям осложнений. Наибольшее влияние на характер и интенсивность протекания этих процессов оказывают физико-химические, теплофизические и реологические свойства промывочных сред, а также характер и температурный режим их циркуляции в скважине.

Специфические особенности льда как нелинейной реологической среды, обладающей текучестью даже при небольших напряжениях, вызывают необходимость использования промывочных жидкостей с плотностью, достаточной для создания в скважине необходимого гидростатического давления, которое будет полностью или частично компенсировать боковое горное давление на ее стенки в течение всего времени ее бурения и исследования.

Как показали результаты многочисленных исследований, проведенных в нашей стране и за рубежом [2, 3, 8], эффективное бурение скважин в ледниках возможно при использовании сжатого воздуха, газожидкостных промывочных смесей и специальных жидкостей, к которым предъявляются следующие требования:

1) плотность в рабочем диапазоне температур (0 - -50) °C от 900 до 950 кг/м3;

2) вязкость не более 5 мм2/с в рабочем диапазоне температур;

3) морозостойкость (температура замерзания или начала структурообразования не должна быть ниже температуры ледовой толщи);

4) высокая стабильность, инертность к материалам бурового инструмента и оборудования;

5) компоненты жидкости должны быть относительно дешевыми, транспортабельными и выдерживающими длительное хранение;

6) быть безопасной для окружающей среды и отвечать всем требованиям технической, пожарной и санитарной безопасности.

В настоящее время при бурении скважин в ледниках в качестве промывочных сред наиболее широкое применение получили следующие низкотемпературные жидкости: водные растворы минеральных солей, спиртов и эфиров; растворы на углеводородной основе (легкие нефтепродукты и растворители) с добавками утяжелителя; n-бутилацетат с добавками анизола.

Наиболее эффективной из применяемых промывочных сред является смесь легких углеводородных жидкостей (авиационных и низкотемпературных дизельных топлив) с фреонами. Эти низкотемпературные промывочные жидкости отвечают почти всем вышеприведенным требованиям и позволяют эффективно проводить бурение при экстремально низких температурах (до –600С), регулируя в необходимых пределах гидростатическое давление в скважине с целью предупреждения неконтролируемого сужения ее ствола.

С использованием данного класса жидкостей пробурен целый ряд глубоких скважин тепловым и механическим способами с полным отбором керна в ледниках и ледниковых покровах, в том числе и самая глубокая во льдах скважина - 3623 м на станции Восток в Антарктиде [7, 8].

Однако до последнего времени возможность загрязнения окружающей среды при использовании данного класса жидкостей оставалась основной причиной, сдерживающей их дальнейшее применение. Действительно, их углеводородная основа содержит в своем составе до 20-22% ароматических углеводородов, которые относятся к токсичным и быстродействующим соединениям. Даже при малых концентрациях они оказывают отравляющее действие на низшие формы жизни. Однако в условиях ограниченного объема скважины и призабойной системы циркуляции залитой в нее жидкости степень возможного загрязнения окружающей среды при ее использовании на порядки меньше, чем при использовании в тех же условиях при эксплуатации дизель-электрических станций, наземного и воздушного транспорта, обогревательных и др. устройств.

Для уменьшения потерь компонентов заливочной жидкости в окружающую среду предполагается поддержание уровня ее в скважине ниже границы проницаемой снежно-фирновой толщи и тщательный сбор ее остатков, которые выносятся на поверхность грузонесущим кабелем и буровым снарядом при проведении спускоподъемных операций. Имеющиеся в настоящее время технические средства и технологии позволяют такие потери минимизировать [1, 3].

            Вторым источником возможного загрязнения ОПС является добавляемые в жидкость утяжелители – фреоны (хлорфторуглероды Chloro Fluoro Carbon) CFC-11, CFC-113 и др. Хлорфторуглероды являются относительно безвредными по отношению к организму человека соединениями с предельно допустимой концентрацией в 3800-5600 мг/м3 в воздухе рабочих помещений (в соответствии с различными нормативными актами). В середине 1970-х гг. Ш. Роуленд и М. Молина (США) установили, что эти вещества способствуют разрушению озонового слоя Земли [4]. Несмотря на то, что существует значительные группы ученных, опровергающих техногенно-фреоновую гипотезу разрушения озонового слоя, международным сообществом в 1987 г. (Монреаль) и в 1990 г. (Лондон) были приняты Протоколы, согласно которым производство и использование озоноопасных фреонов должно быть сокращено до 50% к 1995 г. и до 15% к 2000 г., а к 2005 г. полностью прекращено.

            Для оценки степени опасности фреонов для ОПС были разработаны специальные показатели: потенциал истощения озонового слоя ODP (Ozone Depletion Potential) и потенциал глобального потепления GWP (Global Warming Potential) Оба показателя для CFC-11 приняты за единицу (табл. 1).

 

Таблица 1

Экологические свойства фреонов

Наименование

Период распада, годы

ODP

GWP

CFC-11,

100

1,00

1,00

CFC-113

100

1,07

1,40

HCFC -141b

9,4

0,11

0,09

HCFC -123

1,7

0,02

0,02

HCFC -225

2,7

0,02

0,04

HCFC -235

7,4

0

0,18

HCFC -365

10,8

0

0,18

 

            Это потребовало проведение дополнительных исследований для определения возможности использования более безопасных утяжелителей жидкости.

Менее озоноопасными утяжелителями оказались вещества из группы водородхлорфторуглероды HCFC. Однако, по основным технологическим показателям (плотность и вязкость) они значительно уступают ранее используемым, а стоимость новой продукции в несколько раз и даже на порядок выше. Кроме того, применение фреона HCFC -141b, уже используемого при бурении самой глубокой скважины на ст. Восток, как не полностью озонобезопасного разрешено только до 2005 г. Применение остальных фреонов из группы HCFC в соответствии с Протоколом, принятым в 1992 г. в Копенгагене, должно быть полностью прекращено к 2030 г.

Поэтому в настоящее время и отечественные, и зарубежные исследователи, занимающиеся бурением глубоких скважин в Антарктиде и в Гренландии, испытывают серьезные затруднения при разработке экологически безопасных и эффективных технологий исследования ледниковых покровов Земли.

В связи с этим решение геоэкологических проблем, по нашему мнению, не возможно без рассмотрения возникающих при этом проблем геоэтики, главная из которых заключается в объективности и достоверности принимаемых тех или иных ограничений в условиях недостаточной информации о природе сложных процессов, протекающих на нашей планете. К таким сложным, изученным только на уровне отдельных гипотез, процессам относится проблема сохранения вокруг нашей планеты озонового слоя. Сенсационные сообщения об озоновой «дыре» над Антарктикой конца 80-х годов прошлого столетия выдвинули как первопричину этого явления антропогенную гипотезу, связанную с влиянием галогеносодержащих продуктов (прежде всего хлорсодержащих) на процессы изменения озоносодержащего слоя в стратосфере Земли. Однако, как считают многие ученые, появление озоновой «дыры» в Антарктике может свидетельствовать о существовании длительных (с периодом несколько десятилетий) циклов в Мировом океане и атмосфере. Эти циклы способны серьезно повлиять на климат и проявляться в погодных аномалиях и стихийных бедствиях (ураганах, тайфунах, торнадо) в различных районах Земного шара. Таким циклам легче проявить себя именно в стратосфере, а не в атмосфере, на характеристики которой влияют самые разные (часто случайные) факторы. Антропогенное же воздействие на атмосферу представляется сильно преувеличенным. К сожалению, наблюдения за изменениями в стратосфере пока слишком непродолжительны, чтобы окончательно выделить одну причину озоновой "дыры" в Антарктике. Однако уже сейчас очевидно, что, рассматривая проблемы озонового слоя и изменений климата Земли, необходимо учитывать не только антропогенные факторы, но и долговременные естественные изменения во взаимодействующей системе "океан-атмосфера" [5]. Следует обратить внимание на то, как изменились в количественном и качественном отношении сообщения об озоновом слое Земли уже в 90-х годах прошлого столетия и в наше время.

Уже принятые в соответствии с вышеприведенными Протоколами ограничения потребовали значительных финансовых затрат на разработку новой более дорогостоящей продукции и затронули экономические интересы международных ее производителей и еще в большей степени многочисленных ее потребителей. Экономические аспекты этой проблемы намного очевиднее экологических.

То же самое можно сказать и об ограничениях, связанных с Проблемой глобального потепления. Могут ли эти ограничения на данном уровне изучения этой проблемы быть достаточно объективными и действенными, если далеко не все в мировом сообществе одинаково воспринимают причины и следствия этой проблемы? Не преобладают ли и здесь экономические проблемы над природоохранными? О чем свидетельствует процесс подписания Киотского Протокола об ограничениях выброса веществ, активно влияющих на изменение температуры нашей атмосферы?

И еще одна проблема должна решаться как проблема Геоэтики. Правомочно ли предъявлять одни и те же требования, связанные с экологией и охраны окружающей среды, к технологиям, связанных с производством товаров и услуг массового применения, и технологиям для проведения научных исследований, имеющих крайне ограниченные пространственные и временные масштабы использования?

От правильных постановок и решения этих проблем в рамках Геоэтики зависит не только эффективность, но и сама возможность выполнения очень интересных и важных научных программ.

Так, наиболее остро интерес к этим проблемам стал проявляться в связи с открытием в Центральной Антарктиде подледниковых озер, в том числе и самого крупного озера, расположенного в районе российской антарктической станции Восток. По данным геофизических исследований, проведенных в 1994 2000 гг., при мощности ледникового покрова в 3750 м глубина этого подледникового озера составляет непосредственно в районе станции составляет 670 м, длина достигает 230 км, ширина – 50-60 км, а площадь – порядка 14.000 км2. По мнению ряда исследователей, в полностью изолированных в течение длительного времени подледниковых озерах могут существовать реликтовые формы жизни, что придает особое значение их изучению [9].

В настоящее время бурение глубокой скважины на ст. Восток приостановлено на отметке 3623 м приблизительно в 130-150 м от поверхности подледникового озера до разработки проекта его безопасного вскрытия и исследования. Решением этой проблемы может стать использование при бурении и исследовании глубоких скважин в ледниках в качестве основы низкотемпературных промывочных жидкостей нового класса жидкостей, а именно кремнийорганических жидкостей. 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 стенках скважины. В качестве утяжелителя возможно использование новых озонобезопасных промышленных фторорганических продуктов, например, хладона-141В, применение которого разрешено международными конвенциями.

Конкретный состав новой низкотемпературной промывочной жидкости на кремнийорганической основе будет определен после уточнения термобарических характеристик ее основных свойств: плотности и вязкости, и согласования всех тех ограничений, которые сделают технологию ее применения не только эффективной, но и экологически безопасной для решения поставленных задач исследования.

 

 

Литература (References)

1.      Chistyakov V.K. et al. Behavior of a deep hole drilled in ice at Vostok station. Mem. Natl. Inst. Polar Res., Spec. Issue, 49, 247-255, 1994

2.      Chistyakov V.K. Selection of low temperature filler for deep holes in the Antarctic ice sheet. CRREL Spec. Rep., 84-83, 1984, p. 137-138

3.      Chistyakov V.K., Talalay P.G. Hole liquids for drilling up to sub glacier lake Vostok. Lake Vostok Study: Scientific Objectives and Technological Requirements: Int. Workshop. Abstracts, St.-Petersburg: AARI, 88-89, 1998

4.      Данилов А.Д., Кароль И.Л. Атмосферный озон – сенсации и реальность. – Л.: Гидрометеоиздат. 1991.

5.      Жадин Е.А. Озоновые «дыры»: новый взгляд. Экология и жизнь. №4, 1999.

6.      Литвиненко В.С., Талалай П.Г., Чистяков В.К. Промывочные жидкости для бурения скважин в криолитозоне и льдах. - СПб.: СПГГИ, 1996, 69с

7.      Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко В.С. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. -Л.: Недра, 1991, 295с.

8.      Kudryashov B.B., Vasiliev N.I., Chistyakov V.K. et al. Drilling equipment and technology for deep ice-coring in Antarctica. Proc. Of the 7-th SCALOP Symp. On Ant. Logist. And Oper. Cambridge, Brit. Antarc. Serv., 205-212, 1998

9.      Siegert M.J., Ellis-Evans J.C., Tranter M. et. al. Physical, chemical and biological processes in Lake Vostok and other Antarctic sub glacial lakes. Nature| Vol. 414| 603-609| 6 December 2001