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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Forage de puits super profond. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent La terre en tant qu'objet de recherche géologique n'est disponible pour l'observation directe qu'à partir de la surface. Sa composition et sa structure ne peuvent être jugées que par des données indirectes. C'est pourquoi les géologues s'efforcent de pénétrer le plus profondément possible dans la Terre à l'aide de forages. La technologie moderne permet de forer des puits sur les continents à une profondeur de 10 à 15 kilomètres. Les forages sont le plus souvent réalisés pour l'exploration de gisements minéraux, pour l'extraction d'eau, de pétrole et de gaz des entrailles, ainsi que pour des études d'ingénierie et à d'autres fins appliquées. De plus, depuis les années 1970, le forage est de plus en plus utilisé comme méthode de résolution des problèmes scientifiques fondamentaux de la géologie moderne. Soit dit en passant, les résultats mêmes des forages scientifiques se sont révélés inattendus à bien des égards et ont rendu nécessaire la révision de concepts théoriques qui semblaient auparavant évidents et inébranlables. Le début des forages scientifiques systématiques remonte aux années 1960. En 1968, un navire de forage spécial a été lancé aux États-Unis et un programme international de forage en haute mer a commencé dans les océans. Pendant plus de trente ans d'histoire, des centaines de puits ont été forés dans les océans, qui ont traversé les sédiments meubles du fond de l'océan et pénétré profondément dans les basaltes sous-jacents. Le plus profond des puits a été foré dans l'océan Pacifique au sud de la côte du Costa Rica. Sa profondeur a atteint 2105 mètres sous le fond de l'océan. Le forage océanique a ouvert une nouvelle page en géologie, car il n'y avait pratiquement aucune donnée précise sur la structure du fond de l'océan auparavant.
Parlons maintenant du forage à terre. Les puits de forage scientifiques sur les continents sont généralement classés comme profonds (3-7 kilomètres) ou ultra-profonds (plus de 7 kilomètres). À cet égard, ils ne peuvent être comparés qu'à des puits forés pour la recherche, l'exploration et l'exploitation de gisements de pétrole et de gaz profonds aux États-Unis. Le puits le plus profond d'entre eux - Berta Rogers (9583 mètres) a été foré en 1973-1974 en seulement 502 jours. Ce taux de pénétration élevé est dû à deux facteurs. Le premier est les capacités de la technologie américaine. Le second - le forage a été effectué sans carottage, c'est-à-dire sans soulever d'échantillons de roche à la surface. Le carottage nécessite beaucoup de temps supplémentaire, mais il est absolument nécessaire pour le forage scientifique. Pour cette raison, les puits de prospection et d'exploration profonds et ultra-profonds ont une valeur plutôt limitée en tant que sources d'informations scientifiques. Le premier programme de forage continental ultra-profond systématique à des fins scientifiques a été développé et mis en œuvre en URSS. Les fondements de ce programme ont été formulés dès 1960-1962. En mai 1970, dans le nord de la région de Mourmansk, à dix kilomètres de la ville de Zapolyarny, le forage du puits super profond de Kola a commencé. Sa profondeur de conception était fixée à quinze kilomètres, mais il n'a pas été possible de l'atteindre, en 1991 le forage a été arrêté à une profondeur de 12261 XNUMX mètres. Néanmoins, le puits de Kola reste le plus profond du monde.
Les succès de l'Union soviétique ne pouvaient que stimuler d'autres pays. Nous avons accéléré le développement de programmes de forage continental scientifique en Allemagne, en France, aux États-Unis, au Canada, au Japon et au Royaume-Uni. L'un des meilleurs résultats a été obtenu par les Allemands qui ont foré le puits ultra-profond KTB-Oberpfalz en Bavière (1990-1994), qui a atteint une profondeur de 9101 mètres. "Il existe différentes méthodes de forage", écrivent V.S. Popov et A.A. Kremenetsky dans le Soros Educational Journal. "Si la profondeur des puits est faible (des centaines de mètres), alors le moteur situé à la surface fait tourner un train de tiges de forage en acier une perceuse un foret renforcé d'alliages durs ou de diamants est fixé à l'extrémité inférieure du tuyau. En tournant, le foret découpe une colonne cylindrique de roche, qui remplit progressivement un tuyau intérieur spécial (noyau). Lors du forage sans carottage, des têtes de forage sont souvent utilisées , qui sont un système de plusieurs cônes rotatifs, renforcés Si les parois du puits sont instables, un tube de tubage en acier est abaissé. Pendant le forage, la pompe pompe en permanence une solution d'argile spéciale dans le puits, ce qui est nécessaire pour stabiliser les parois, refroidir l'outil, enlever les petites particules de roche (boues) et à d'autres fins, le train de tiges de forage est soulevé à la surface à l'aide d'un treuil installé sur la plate-forme de forage, le noyau est déchargé, si nécessaire, le trépan usé est remplacé par un nouveau et le train de forage est à nouveau abaissé au fond. Le forage s'accompagne de mesures des propriétés physiques des roches le long du puits de forage. Pour ce faire, des instruments sont descendus dans le puits sur un câble spécial, qui enregistre la température, la conductivité électrique, la susceptibilité magnétique, la radioactivité et d'autres propriétés des roches. Ce processus est appelé diagraphie de puits. L'expérience de forage aux États-Unis et dans d'autres pays a montré ce qui suit. En raison de la puissance des moteurs et de la pression des pompes qui injectent le fluide de forage, ainsi que d'une augmentation de la capacité de charge des treuils et de la résistance des tiges de forage en acier, des puits jusqu'à 9-10 kilomètres de profondeur peuvent être forés dans Par ici. Le forage de puits plus profonds nécessite d'autres solutions d'ingénierie non conventionnelles. Et de telles solutions ont été proposées et mises en œuvre dans le cadre de la mise en œuvre de programmes de forage scientifique ultra-profond. Il s'est avéré que dans les cas où le trou de fond est situé à une profondeur de plusieurs kilomètres, il est conseillé d'utiliser des moteurs de fond de trou installés non pas en surface, mais dans la partie inférieure du train de forage, qui lui-même ne tourne pas. Les moteurs de fond de trou sont des turbines miniatures ou des mécanismes à vis entraînés par un fluide de forage injecté sous pression dans le puits. Pour réduire le poids du train de tiges de forage, atteignant une longueur de plusieurs kilomètres, ils sont constitués d'alliages spéciaux légers, mais suffisamment solides et résistants à la chaleur. Les alliages d'aluminium utilisés pour le forage du puits de Kola étaient 2,4 fois plus légers que l'acier. Lorsqu'une grande profondeur est atteinte, il existe une différence significative entre la pression hydrostatique de la colonne de fluide de forage et la pression lithostatique (roche) due au poids des roches. Cela peut entraîner la destruction des parois du puits, ce qui, à son tour, entraîne de graves complications lors du forage. Pour atteindre l'équilibre de la pression de la roche, la densité du fluide de forage est augmentée en y ajoutant des charges spéciales. "L'un des défis techniques les plus difficiles", écrivent Popov et Kremenetsky, "est d'assurer le fonctionnement fiable des équipements de forage à des températures élevées qui existent dans les puits ultra-profonds. Cela s'applique aux pièces métalliques, leurs connexions, les lubrifiants, le fluide de forage et Bien qu'au fond, c'est-à-dire au point le plus bas du puits Salton Sea aux États-Unis à une profondeur de 3220 mètres, une température de 355 degrés Celsius a été enregistrée, et dans un autre puits foré à 1440 mètres dans l'un des les jeunes structures volcaniques de l'ouest des États-Unis, la température mesurée a atteint 465 degrés, les moyens techniques modernes ne permettent pas de forer des puits ultra-profonds à des températures aussi élevées pendant longtemps, car la stabilité thermique des équipements de forage existants ne dépasse pas 200- 300 degrés.Les plus gros problèmes surviennent avec les équipements de mesure, en particulier avec l'électronique, qui échouent déjà à 150 degrés. conserver les propriétés technologiques jusqu'à 230-250 degrés. A plus haute température, il faut passer à une solution à base d'huile et utiliser des mélanges plus complexes. La température élevée de l'intérieur de la Terre reste l'un des principaux facteurs limitant la profondeur des forages scientifiques. De sérieuses difficultés techniques sont associées à la courbure spontanée des puits profonds pendant le forage en raison de la destruction inégale des roches au fond du trou, des inhomogénéités géologiques de la section et d'autres raisons. Par exemple, le trou de fond du puits de Kola à une profondeur d'environ 12 kilomètres s'est écarté de la verticale de 840 mètres. Il existe des techniques pour maintenir le puits en position verticale. Ainsi, grâce à la conception réussie d'un dispositif spécial, le puits KTB-Oberpfalz en Allemagne est resté le puits le plus vertical au monde jusqu'à une profondeur de 7500 mètres. Cependant, plus profondément, cet appareil a échoué en raison de la température et de la pression élevées, et le puits a suivi son propre chemin; en conséquence, à une profondeur de 9101 mètres, il s'est écarté de la verticale de 300 mètres. Le forage ultra-profond a nécessité la création d'un équipement de mesure spécial qui contrôle les conditions le long du puits de forage et au fond. La technologie de diagraphie conventionnelle avec des capteurs qui sont descendus dans le puits sur un câble résistant à la chaleur s'est avérée peu utile. À la suite de recherches de longue haleine, il a été possible de développer des équipements de télémétrie et d'autres équipements électroniques montés sur une colonne de forage, ainsi que des instruments de mesure autonomes qui descendent et sont entraînés par le flux de fluide de forage. Désormais, les signaux des capteurs peuvent être transmis non pas par des fils, mais par des moyens hydrauliques en créant des impulsions de pression dans le fluide de forage. Il convient de noter que les puits profonds et ultra-profonds ont une conception télescopique. Le forage commence par le plus grand diamètre, puis passe aux plus petits. Ainsi, dans le puits Kola, le diamètre de 92 centimètres dans la partie supérieure a diminué à 21,5 centimètres. Et dans le puits KTB-Oberpfalz - de 71 centimètres à 16,5 centimètres. La vitesse mécanique de forage de puits ultra-profonds est de 1 à 3 mètres par heure. Pour un voyage entre les allers-retours, vous pouvez aller en profondeur de 6 à 10 mètres. La vitesse moyenne de levage du train de tiges de forage est de 0,3 à 0,5 mètre par seconde. En général, forer un seul puits ultra-profond prend des années et coûte très cher. Par exemple, le forage d'un puits ultra-profond en Allemagne a coûté 583 millions de DM. Le coût du forage ultra-profond dans notre pays n'était pas moindre. Lors du forage de puits profonds, bien sûr, ce n'est pas sans accidents. Le plus souvent, ils sont causés par le bâton mort du train de tiges. Le dépannage prend beaucoup de temps. Parfois, ils ne vous permettent pas de continuer à travailler et vous devez commencer à forer un nouveau puits. On peut comprendre à quel point, au propre comme au figuré, coûte cher une colonne centrale de plusieurs kilomètres d'un diamètre de 5 à 20 centimètres, qui est l'un des principaux, mais pas le seul résultat du forage scientifique. Le noyau est soigneusement documenté et stocké dans des salles spéciales. Ensuite, il est étudié en détail par de grandes équipes de spécialistes. Ainsi, le matériau obtenu lors du forage d'un puits super profond allemand a été étudié par environ 400 scientifiques. Ils ont ensuite publié 2000 XNUMX articles scientifiques basés sur eux ! Lorsque le forage proprement dit est terminé, les travaux sur le puits ultra-profond ne s'arrêtent pas. Le puits se transforme en laboratoire permanent. Les spécialistes continuent de surveiller le changement du régime de l'intérieur de la Terre le long du puits de forage et dans l'espace proche du puits de forage, et mènent diverses expériences. De tels laboratoires ont été créés sur la base des puits Kola et Vorotilovskaya en Russie et du puits KTB-Oberpfalz en Allemagne. Auteur : Musskiy S.A.
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