Program vrtání superhlubinných vrtů v SSSR a poté v Rusku je projekt vyvinutý poprvé na světě pro komplexní studium zemské litosféry , který získal široké praktické uplatnění při těžbě nerostů a studiu geologických procesy.
Vybudování sítě parametrických vrtů o hloubce 2–3 km po celém Sovětském svazu předpokládal program schválený koncem 50. let [1] . Podle Soros Educational Journal se vrty s návrhovou hloubkou 3 až 7 km v klasifikaci nazývají hluboké, více než 7 km - superhluboké [2] . Současně byl index SG (superdeep) v SSSR přiřazen také několika vrtům, které nedosáhly projektované hloubky (všechny však dosáhly hloubky nejméně 5 km); soudě podle jmen byly podobné případy v jiných zemích.
V letech 1960-1962 byl formulován první komplexní vědecký a technický program na světě „Studium útrob Země a superhluboké vrtání“ [1] . Byl vypracován geologickými organizacemi a vědeckými ústavy a začal být prováděn v květnu 1970, kdy se v Murmanské oblasti, 10 km od města Zapolyarny, uskutečnilo vrtání superhlubokého vrtu Kola s projektovou hloubkou 15 km. začal. V roce 1991 byl její vrt zastaven v hloubce 12 261 m , ale dodnes (k roku 2020) je nejhlubší na světě. Poté, v roce 1977, začalo vrtání vrtu Saatli v Ázerbájdžánu s návrhovou hloubkou 11 km (skutečně vyvrtáno 8324 m) [2] .
Pro koordinaci programu "Studium útrob Země a superhluboké vrtání" v roce 1986 byl v Jaroslavli založen Státní výzkumný a výrobní podnik (GNPP) " Nedra ". Pod jeho vedením bylo provedeno a pokračovalo vyvrtání 10 výzkumných vrtů o hloubce 4 až 9 km. V téže době byly vrtány ultrahluboké vrty v USA ( Bertha Rogers ), v Německu o něco později, v letech 1990-1994, vrt KTB-Oberpfalz v Bavorsku o hloubce 9101 m [2] . Náklady na vrtání ultrahlubokých vrtů jsou poměrně vysoké: například německá vláda utratila 583 milionů marek na KTB-Oberpfalz [ 2 ] a na americkou vývojovou společnost Bert Rogers (která je vrtala při hledání ropy, a ne kvůli vědecké účely) – 15 milionů dolarů [3 ] .
V Ruské federaci se studium a vrtání ultrahlubokých vrtů stalo součástí Státní sítě referenčních geofyzikálních profilů, která je vytvářena od roku 1994 [4] .
Při vrtání konvenčních vrtů hlubokých stovky metrů otáčí nahoře umístěný motor řadou ocelových trubek, na spodním konci této kolony je upevněn vrták vyztužený tvrdými slitinami nebo diamanty. Během rotace se vyřízne válcový sloupec horniny - jádro , které se periodicky odstraňuje z vnitřní (jádrové) trubky, čímž se celá řada vrtných trubek zvedne na povrch pomocí navijáku namontovaného na vrtné soupravě (k tomu musí být dostatečně vysoká). V případě potřeby se při zvedání struny vymění vrták [2] .
Pokud se vrtání provádí bez vzorkování jádra, je hornina uvnitř drcena systémem několika rotujících karbidových kuželů a unášena nahoru spolu se speciálním jílovým roztokem čerpaným do vrtu pro stabilizaci stěn, chlazení nástroje atd. Studny s nestabilními stěnami jsou vyztuženy ocelovými plášťovými trubkami na všem nataženém. Během procesu vrtání se neustále měří fyzikální vlastnosti útvarů: teplota, elektrická vodivost, magnetická susceptibilita, radioaktivita. Tento proces se nazývá protokolování .
Pro ultra hluboké vrtání se používají nekonvenční inženýrská řešení. Například vrtné motory jsou miniturbíny nebo šroubové mechanismy instalované na dně vrtné kolony a poháněné vrtnou kapalinou vstřikovanou pod tlakem do vrtu. Samotný provázek studny se neotáčí. Pro výrobu sloupu, pro snížení jeho hmotnosti, se používají speciální lehké, ale pevné a žáruvzdorné slitiny - hliník (Kola studna) nebo titan. Mohou být 2x i vícekrát lehčí než ocel [2] .
Prvním z nich je rozdíl mezi hydrostatickým tlakem sloupce vrtné kapaliny a litostatickým (horninovým) tlakem horniny. Aby se to vyrovnalo, díky speciálním plnidlům je hustota vrtné kapaliny zvýšena na přibližně 2 g/cm³ [2] .
Vzhledem k tomu, že teplota tvorby ve velkých hloubkách přesahuje 100–200 stupňů, je pro práci na takových vrtech zapotřebí speciální vybavení: kovové části a spoje, maziva, vrtná kapalina, specializovaná měřicí zařízení (konvenční elektronika selhává již při 150 °C). Vodné vrtné kapaliny při teplotách nad 230-250°C ztrácejí své technologické vlastnosti a musí být změněny na roztoky na olejové bázi [2] .
Velké technické potíže způsobuje samovolné zakřivení vrtu v důsledku geologických nehomogenit úseku a dalších důvodů. Dno vrtu Kola v hloubce asi 12 km se tak odchýlilo od svislice o 840 m. Při vrtání KTB-Oberpfalz se německým specialistům díky použití speciální techniky pro udržení vrtu ve svislé poloze podařilo udržet ji svisle do hloubky 7500 m, ale v této hloubce již zařízení dosáhlo vlivem vysoké teploty a tlaku, proto při maximální hloubce 9101 m byla odchylka spodního otvoru od svislice 300 m [2] .
Odhadovaná rychlost vrtání ultrahlubokých vrtů je 1-3 metry za hodinu. Při jednom cyklu vypínání se prohloubí o 6-10 m. Průměrná rychlost zvedání kolony vrtných trubek je 0,3-0,5 m/s. Minimálně 10 % času je věnováno měřením ve studni, která jsou ve skutečnosti účelem výzkumu. Jádra o průměru 5 až 20 cm vytěžená z tloušťky Země jsou pečlivě zdokumentována a uložena ve speciálních místnostech. Do jejich studia se následně zapojují velké vědecké týmy. Materiál získaný při vrtání KTB-Oberpfalz tedy posloužil jako základ pro dva tisíce vědeckých článků asi 400 vědců [2] .
Vysoké teploty a anomální tlaky z velké části znesnadňují podrobné studie, protože přístroje prostě selžou nebo se ztratí v obličeji.
Vznikající komplikace se dělí do dvou skupin.
1) Komplikace způsobené geologickými a geofyzikálními vlastnostmi úseku (vysoké teploty a tlaky, přítomnost vysoce propustných plyno-vodonosných útvarů, napjatý stav hornin a anizotropie jejich fyzikálních vlastností), které znesnadňují používat určité vrtné kapaliny, vrtné motory, geofyzikální nástroje.
2) Procesy a jevy při vrtných operacích ve velkých hloubkách: vícesměrné účinky tlaku vrtné kapaliny na stěny vrtů během vypínacích operací a obnovení cirkulace, prodloužení doby interakce roztoku se stěnami vrtu a času pro splachování.
Kombinace těchto a dalších faktorů prodlužuje dobu výstavby vrtu a riziko rozdílného ulpívání, protože je velmi obtížné řídit pokles tlaku v systému tvorby vrtu a tloušťku jílového koláče ve spádových podmínkách.
Geologický řez předpovídaný před vrtáním ultrahlubokých vrtů se v žádném případě plně nepotvrdil a v některých případech byly nesrovnalosti v předpovědi a skutečnosti radikální. Vědci se domnívají, že současné poznatky o hlubinné stavbě kontinentální kůry zůstávají přibližné, což opět potvrzuje nutnost vytváření hlubinných vědeckých vrtů [2] .
Při vrtání vrtu Krivoj Rog se tedy předpokládalo, že železité křemence , které vycházejí na povrch ve formě pásu dlouhého asi 120 km, klesají do hloubky 6–8 km a poté se ohýbáním opět dostávají na povrch. povrchu a je možné vypočítat, kde přesně, aby se pokračovalo ve vývoji železné rudy v hloubkách, které jsou k tomu dostupné. V hlubinách železnorudné pánve se totiž nenašlo jedno zakřivené vrásnění, ale řada rovnoběžných nakloněných vrstev zasahujících do hloubky více než 10 km [2] .
Výsledky ultrahlubokých vrtů pomohly získat nová data pro interpretaci geofyzikálních dat o struktuře litosféry , stejně jako přehodnotit obecné podmínky pro vznik hluboké hydrosféry Země a vysvětlit jevy, které dříve přetrvávaly. nevysvětlitelné: objevení se hlubokých zón přetlaku, které neodpovídají váze nadložních hornin, odolnost jílovitých vrstev vůči zhutnění při jejich klesání do velkých hloubek, když se přeměňují z tradičních těsných vodáren na porézní ložiska ropy a plynu. Tento poslední faktor pomohl porozumět mechanismu tvorby hlubokých ropných ložisek: nejprve u vrtu Saatlinskaya bylo zjištěno, že podzemní voda může proniknout do původně suchých krystalických hornin z nadložních sedimentárních vrstev (mechanismus sestupné filtrace) a poté na Tyumenskaya no, v hloubkách od 6424 m ke spodnímu otvoru byly obnaženy velmi porézní a mikrofrakturované vrstvy čediče , podobné stářím a složením horninám na povrchu ve východní Sibiři. Při teplotě 60–100°C přechází chemicky a fyzikálně vázaná voda a další těkavé sloučeniny do volného stavu za vzniku hydraulických puklin a částečného rozpouštění hornin. Voda uvolněná při zhutňování nadložních sedimentárních vrstev interagovala s podložními suchými čediči, takže se nakonec změnily v propustné hluboké nádrže, příznivé pro akumulaci plynového kondenzátu a plynových usazenin [2] .
Ukázalo se také, že rudy se mohou vyskytovat ve velmi velkých hloubkách – např. u vrtu Kola byly v hloubce asi 10 km zjištěny anomálně vysoké obsahy zlata a stříbra, což ukázalo, že procesy geochemické migrace s tvorbou tzv. ložiska rud se vyskytují nejen v blízkosti zemského povrchu. Ukázaly to i výsledky geologického průzkumu a poté hlubinných vrtů poblíž největšího světového naleziště zlata Muruntau v poušti Kyzylkum : průmyslová mineralizace zlata zde byla vysledována do hloubky 1100 m a zásoby zlata v hlubokých horizontech lze odhadnout na 3. tisíc tun, i když zatím nelze uznat vytěžitelné [2] .
Vrtání hlubokého vrtu Vorotilovskaya bylo provedeno nejen za účelem objasnění obrazu formování kráteru Puchezh-Katunsky , vytvořeného v důsledku pádu meteoritu před 200 miliony let, ale také za účelem objasnění informací o suterénu mobilního Uralu . pás [2] .
Termofyzikální měření v hlubokých a ultrahlubinných vrtech pomohla pochopit rozložení teplot a velikost hlubokého tepelného toku, což výrazně překonalo odhady získané extrapolací dat z blízké povrchové zóny. Například teplota dna vrtu Kola téměř zdvojnásobila vypočítanou: 212 stupňů místo 120, což souvisí s vlivem radioaktivních hornin, které se tam nacházejí ve velkých hloubkách [2] .
| No jméno | Kód | Umístění | Komplikace [5] | Léta vrtání |
Hloubka, metry |
Hloubka (plán) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Aralsor superdeep | SG-1 | Kaspická nížina | Otevřený otvor v intervalu 6000-6806 m byl sice úspěšně zajištěn pažnicí 127 mm, ale v rámci přípravy na dodatečné opláštění horní části vrtu došlo k narušení instalované kolony s přesazením, po kterém bylo vrtání zastaveno. | 1962-1971 | 6806 | |
| Biikzhalskaya ultra-hluboká | SG-2 | Kaspická nížina | 1962-1971 | 6700 | ||
| Kola Superdeep | SG-3 | Murmanská oblast , 10 km západně od města Zapolyarny ( Baltský štít ). | Zakřivení vrtu, zvýšená drtivost jádra (samozasekávání), kavitace | 1970-1990 | 12262 | 15 000 |
| Ural superdeep [6] [7] | SG-4 | Sverdlovská oblast , 5 km západně od Verkhnyaya Tura | Zakřivení kmene, suťoviny, sesuvy půdy | 1985-2004 | 6015 | 15 000 |
| Timan-Pechora superhluboký | SG-5 | Republika Komi , okres Vuktylsky | Zakřivení trupu | 1984-1993 | 6904 | 7000 |
| Tyumen superdeep [8] | SG-6 | Západní Sibiř, vesnice Korotchaevo (70 km východně od Novy Urengoy ) | Deformace kmene, stěrky, závaly, kavitace, slepení vrtacího nástroje | 1987-1996 | 7502 | 8000 |
| Krivoy Rog ultradeep | SG-8 | Ukrajina, poblíž města Krivoj Rog ( ukrajinský štít ) | 1984-1994 | 5432 | 12 000 | |
| Dněpr-Doněck superhluboký | SG-9 | východní Ukrajina | 1983 – n/a | 5691 | 8000 | |
| Muruntau superhluboká studna | SG-10 | Uzbekistán, poblíž vesnice Muruntau | 1984 – n/a | 3000 | 7000 | |
| Saatly superdeep [9] | SG-1 | Ázerbájdžán, 10 km od města Saatly ( proláklina Kura ) | 1977-1982 | 8324 | 15 000 | |
| Ševčenkovskaja-1 [10] | Karpatská oblast (západní Ukrajina) | 1982-n/a | 7520 | |||
| Novo-Elkhovskaya superdeep [11] | Tatarstán | 1988-n/a | 5881 | 7000 | ||
| Vorotilovskaya hluboký vrt [12] | Oblast Nižnij Novgorod , centrum kráteru Puchezh-Katunsky | 1989-1992 | 5374 |
Vyhláška Výboru Ruské federace o geologii a využití podloží č. 195 ze dne 18.11.1994 se stala výchozím bodem pro vytvoření Státní sítě referenčních geofyzikálních profilů, parametrických a superhlubinných vrtů na území provincií hlavních minerálů. Ruska jako základ pro díla obecného geologického a zvláštního účelu. Od jeho přijetí byl obnoven vědecký i praktický výzkum jak na kontinentu, tak ve vodách Barentsova, Karského, Východosibiřského a Ochotského moře, v hluboké části Severního ledového oceánu. Vytvořená státní síť referenčních profilů je realizována jako propojený rámec rozšířených (více než tisíc kilometrů) hlubokých profilů, založených na hlubinných a ultrahlubinných vrtech a pokrývajících celé území Ruska na souši i na vodách (včetně vnitrozemských). ) [4] .
Potřeba pokračovat ve výzkumu ultrahlubokých vrtů je také diktována potřebami moderní ruské ekonomiky jako země produkující ropu a plyn. Až dosud je vývoj ložisek omezen na relativně malé hloubky. A pro rozvoj nových obzorů je nutné prozkoumat a vyřešit mnoho technických a technologických problémů, především se naučit předcházet komplikacím při otevírání hluboko ležících horizontů, předvídat vrtání studní a naučit se předcházet mimořádným událostem [5] .
| No jméno | Kód | Umístění | Léta vrtání |
Délka, metry | Poznámky |
|---|---|---|---|---|---|
| En-Yakhinskaya superhluboký vrt [13] | SG-7 | Západní Sibiř, 150 km severně od Nového Urengoye . Vrtáno ke studiu zásob plynu a ropy. V průběhu práce docházelo k zakřivení kmene, suti, závalům, lepení. [5] Po dokončení prací byla studna rozebrána a rekultivována. | 2000-2006 | 8250 | plán 6900 |
| Odoptu | NEBO-11 | Pole Odoptu vyvíjené společností Exxon Neftegas . Rekord v délce vodorovné šachty je 11 475 metrů . Vrt byl vybudován za pouhé dva měsíce, v lednu 2011 dosáhl délky 12 345 m [3] . | 2010-2011 | 12 345 | Světový rekord pro překonání dna z vertikály |
| Chayvo | Z-44 | Rosněftská vrtná plošina Orlan na Sachalinském šelfu . Vrt extrémně složité kategorie: index DDI (Directional drilling index) je 8,0 bodů, odchylka od vertikály (ERD - prodloužený dosah vrtání) je 14 129 m [14] . Vertikální hloubka se těžko odhaduje, ale není větší než 1 km. | 2017 | 15 000 | Nový světový rekord v ústupu dně z vertikály |
| Yangiyugan parametrická studna | 45808 | Osada Yangiyugan , Polární Ural , Jamalsko-něnecký autonomní okruh [15] | 2009-2011 (1 etapa) | 2500 | plán 4000 |
| Chumpalovská 1 | Prokhladnensky okres Kabardino-Balkarské republiky . Pro vrtání byla vyvinuta speciální vrtná kapalina, která odolá vysokým teplotám a tlakům a umožňuje jí projít nánosy soli, sádry a odolat vnikání všech potenciálních nečistot. Tato technologie nemá ve světě obdoby. Vrt bude nejhlubší na ruském území Kavkazu [16] . | 2018–2020 | 4850
(1. fáze) |
plán 6250 | |
| Kolvin hluboké parametrické | Nenets Autonomous Okrug, poblíž města Naryan-Mar [17] . To umožnilo stanovit nízké vyhlídky na hlubinné vrty pro těžbu ropy, protože v hloubce více než 6 km se začíná tepelně hroutit [1] . | 7057 | |||
| Novoyakimovskaya parametrická studna N 1 | Jižní svah Novojakimovského výběžku, Krasnojarské území, Zabajkalsko [18] . | 2019 - současnost | 1600
(1. fáze) |
plán 5000 |
Do roku 2016 byly také dokončeny vrtání parametrických vrtů Tyrnyauz (4001 m), Severo-Molokovskaja (3313 m), Voroněž (3000 m) a Onega (3500 m) [4] .
Navzdory novým světovým rekordům v délce vrtu v Rusku zůstává rekord v hloubce v Kola Superdeep.
V západních zemích probíhá výzkum na zlepšení účinnosti ultrahlubokého vrtání. Nové vrtné kapaliny jsou vyvíjeny pomocí nanotechnologií (PYRODRILL, CARBO-DRILL, MAGMA-TEQ aj.), vyrábí se stabilní lehké vrtné trubky ze slitin titanu a vyrábí se nové modifikace PDC bitů. Mezi inovativní metody vrtání se počítá bezkontaktní destrukce hornin plazmou. Ve Spojených státech byl za tímto účelem v roce 2003 přijat národní program „DeepTrek“, jehož jedním z nástrojů je využití vesmírných technologií při ultrahlubokém vrtání [5] .