Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
Известия Уральского государственного горного университета. 2021. Вып. 3 (63). С. 80–88
УДК 622.243.23 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-80-88
Предотвращение образования эмульсии при вскрытии
подледниковых водоемов
Данил Васильевич СЕРБИН1*
Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация
Актуальность работы. В феврале 2012 г. российскими учеными было проведено первое вскрытие
подледникового озера Восток в Антарктиде, затем в январе 2015 г. осуществлено повторное вскрытие.
Первоочередной целью дальнейших исследований реликтового озера является взятие чистых проб озерной
воды и донных отложений. Для этого необходимо прямое проникновение (in situ). Невозможно дальнейшее
проведение исследований озера с использованием скважины чистого доступа на буровом комплексе «Восток»
без соблюдения экологической безопасности, одним из критериев которой является образование эмульсии
в момент вскрытия.
Цель работы состоит в исследовании истечения и подъема озерной воды в скважину, залитой
низкотемпературной жидкостью, при вскрытии подледниковых водоемов, в частности озера Восток.
Методология исследования. Для исследования истечения озерной воды в скважину при вскрытии
подледникового водоема, исключающего перемешивание заливочной жидкости и озерной воды, были
использованы законы гидродинамики (уравнение Бернулли и уравнение неразрывности потока жидкости),
при этом была выведена новая формула для минимального диаметра канала сообщения скважина–
подледниковое озеро.
Результаты. Разработана методика расчета для технологии экологически безопасного вскрытия
подледникового озера Восток, которая количественно позволяет оценить основные влияющие факторы
образования эмульсии, такие как создание недокомпенсации горного давления заливочной жидкостью,
расширение нижнего участка скважины и создание гидравлического канала сообщения скважина–
подледниковое озеро расчетного диаметра, а также позволит обеспечить контролируемый подъем озерной
воды с заданной скоростью на необходимую высоту.
Выводы. Подготовка перед вскрытием подледникового озера Восток, включающая уменьшение
дифференциального давления с 0,2 до 0,1 МПа, расширение нижнего участка скважины в три раза
и образование канала сообщения озеро–скважина диаметром d0 ≤ 0,0173 м, приводит к общему уменьшению
скорости подъема озерной воды в скважину в 738 раз.
Ключевые слова: Антарктида, подледниковое озеро Восток, вскрытие подледникового озера Восток,
гидродинамика, бурение льда.
Введение
Исследование самых недоступных мест нашей плане- Ученые предполагают, что жизнь в этой уникальной эко-
ты всегда вызывает интерес ученых всех стран. Мировое системе является возможным аналогом жизни, которая,
достижение по бурению глубокой скважины 5Г во льду в вполне вероятно, существует подо льдом некоторых спут-
Антарктиде до глубины 3769,3 м и последующее вскры- ников планет-гигантов, а также под ледяными шапками
тие подледникового озера Восток стало возможным бла- Марса [1, 5].
годаря почти полувековым (1967–2012) исследованиям Первые результаты вскрытия в 2012 г. позволили
ученых кафедры бурения скважин Санкт-Петербургско- уточнить термобарические условия на контакте ледовый
го горного университета, разработавшим основы теории массив–подледниковое озеро и являются основой для
теплового и механического разрушения льда и рыхлых проектирования новой технологии вскрытия [6–10].
отложений, а также технологии и технические средства Наиболее целесообразным и эффективным для из-
бурения скважин методами плавления и механического учения подледникового озера Восток является бурение
разрушения [1–3]. новой глубокой скважины чистого доступа на станции
Полное отсутствие света, высокое давление «Восток», где в настоящее время ведутся исследова-
(до 40 МПа), специфический газовый и химический со- ния, направленные на отработку технологии вскрытия
став воды в подледниковом озере Восток, а также его и поддержания в рабочем состоянии нижнего участка
продолжительная изоляция предполагают возможность скважины на время изучения подледникового озера, что
возникновения и развития форм жизни, существенно позволит не только получить абсолютно уникальную
отличающихся от известных современной науке [4, 5]. информацию по различным научным дисциплинам,
danil.serbin@yandex.ru
https://orcid.org/0000-0002-9855-7178
80 СЕНТЯБРЬ 2021 | ВЫПУСК 3 (63) ИЗВЕСТИЯ УРАЛЬСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА
D. V. Serbin / News of the Ural State Mining University, 2021, issue 3(63), pp. 80–88 EARTH SCIENCES
но и в немалой степени укрепит престиж России в антар- вывод, что наиболее рациональной является следующая
ктических исследованиях [10]. последовательность операций (рис. 1):
Особенности технологии вскрытия подледникового 1. Бурение скважины останавливается за 1 м до
озера Восток поверхности озера (рис. 1, a);
Технологии бурения сквозь ледовый массив опреде- 2. Выполняется расширение участка на высоту 9 м
ляют способность использования существующих техно- механическим расширителем с периодическим извлече-
логий вскрытия подледниковых водоемов [1, 10, 11–15]. нием шлама на поверхность (рис. 1, б);
Бурение скважины чистого доступа к подледниковому 3. Вскрытие озера проводится тепловым снарядом
озеру Восток будет осуществляться с применением уже с узлом расширения без подъема расплавленной воды
проверенной технологии бурения льда с полным отбором на поверхность (рис. 1, в, г) [13].
керна по всей скважине и последующим вскрытием под- 4. После вскрытия тепловым снарядом проводится
ледникового озера, а также непосредственного проникно- калибровка нижнего метрового участка;
вения в него для выполнения научно-исследовательских 5. В скважину спускаются каверномер и телекамера
работ, таких как отбор проб озерной воды и донных от- для оценки состояния расширенного участка;
ложений [16]. 6. При удовлетворительном состоянии участка выхода
Технология бурения скважины чистого доступа к в озеро выполняются намеченные исследования.
подледниковому озеру Восток подразумевает на первом Образование эмульсии при вскрытии подледнико-
этапе бурение тепловыми снарядами и последующий вого озера Восток
спуск и установку обсадной колонны на расчетную глу- Вскрытие подледниковых водоемов базируется на
бину для перекрытия снежно-фирнового слоя (по данным принципе недокомпенсации давления, которая представ-
скв. 5Г, глубина обсадной колонны 120 м), на втором этапе ляет собой разницу между горным давлением Рг (давление
колонковое бурение тепловыми снарядами с последую- столба льда) и гидростатическим Ргст (давление столба за-
щим переходом на электромеханические [8, 10, 16]. При ливочной жидкости). Горное давление должно быть боль-
реализации технологии на втором этапе скважина залита ше гидростатического Рг > Ргст, соблюдение данного усло-
низкотемпературной экологически безопасной кремний- вия обеспечивает при вскрытии подъем воды из озера в
органической жидкостью (полиметилсилоксан) малой скважину. При реализации данного принципа вода под-
вязкости [9–11]. нимается в скважину за счет недокомпенсации давления,
Подледниковое озеро Восток является уникальной и ее истечение продолжается до момента, пока не насту-
природной системой [6], проведение дальнейших иссле- пит баланс давлений скважина–водоем (озеро) [5, 9].
дований которой невозможно без соблюдения ряда важ- В момент вскрытия струя озерной воды, поступаю-
нейших условий [3, 5, 10, 17–19]: щая в скважину, активно перемешивается с заливочной
– экологическая безопасность проведения буровых жидкостью, образуя эмульсию. Причем чем выше зна-
и научно-исследовательских работ; чение дифференциального давления, тем больше перво-
– устойчивость и целостность стенок скважины, начальная скорость струи и, соответственно, скорость
заполненной озерной водой; и высота подъема заливочной жидкости в скважину.
– исключение примерзания доставочного снаряда Эмульсия представляет собой смесь воды и более холод-
к стенками скважины; ной заливочной жидкости, что может привести к ее более
– обеспечение необходимого чистого входа в озеро быстрому замерзанию, чем чистой воды, а также приве-
на время проведения в нем исследований; дет к загрязнению озерной воды в скважине, что не по-
– предотвращение образования эмульсии при исте- зволит отобрать чистые пробы. По результатам работ по
чении озерной воды в скважину и извлечении бурового вскрытию подледникового озера, при дифференциальном
оборудования; давлении 0,2 МПа вода поднимается в скважину на 30 м в
– надежность и безотказность работы всех механиз- кольцевом зазоре между поверхностью снаряда и стенка-
мов и систем устройства доставки научно-исследователь- ми скважины и обгоняет его, поднимаясь выше снаряда
ской аппаратуры в озеро. примерно на 15 м. В процессе подъема воды в кольцевом
Учеными Санкт-Петербургского горного университе- зазоре происходит активное перемешивание воды с зали-
та разработана новая технология подготовки скважины, вочной жидкостью, что приводит к образованию эмуль-
залитой экологически безопасной низкотемпературной сии. При диаметре бурения 132–135 мм диаметр исполь-
жидкостью (полидиметилсилоксановая жидкость), с по- зуемой колонковой трубы в буровом снаряде составляет
следующим вскрытием озера Восток [9, 10]. Разработан- 127 мм, соответственно зазор между буровым снарядом и
ная технология предусматривает расширение нижнего стенкой скважины составляет 2,5–4 мм. В основном жид-
участка скважины, что создаст условия для контролируе- кости перемешиваются в момент вскрытия и при подъеме
мого подъема озерной воды и позволит существенно сни- на участке между верхним торцом насоса и нижним тор-
зить колебания уровня воды в скважине при проведении цом электроотсека колонкового электромеханического
спуско-подъемных операций, а также исключит загрязне- снаряда (КЭМС). В этой зоне наружный диаметр на 19 мм
ние озера при проведении работ и примерзание к стенкам меньше, чем диаметр колонковой трубы и шламосборного
скважины доставочного снаряда с модулем, оснащенным отсека. Кроме того, имеется несколько участков с диаме-
научно-исследовательской аппаратурой, предупредит об- тром около 50 мм. Когда подъем воды замедляется, буро-
разование эмульсии во время подъема снаряда [10]. вой снаряд проходит через воду и эмульсию, находящие-
Оценка рисков при проведении расширения участка ся выше него, еще сильнее перемешивая их. Кроме того,
скважины вблизи поверхности озера позволяет сделать из-за большой поверхности контакта воды с заливочной
Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021. 81
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88НАУКИ О ЗЕМЛЕ Д. В. Сербин / Известия УГГУ. 2021. Вып. 3(63). С. 80–88
а б в г
1
2
3
Рисунок 1. Технология вскрытия подледникового озера Восток
Figure 1. Technology of opening the subglacial Lake Vostok
жидкостью создаются условия для быстрого образования снаряда для бурения с одновременным расширением на
большого количества твердых гидратов фреона (при усло- финальной стадии [11, 13]. В процессе бурения с одновре-
вии, что заливочная жидкость представляет собой смесь менным расширением тепловым снарядом ледового мас-
авиационного керосина и фреона) [5, 9, 16]. сива образуется талая вода, которая является буферным
Мероприятия по предотвращению образования слоем между заливочной жидкостью и озерной водой.
эмульсии при вскрытии подледникового озера Этот буферный слой является зоной активного переме-
Для исключения описанной ситуации необходимо шивания озерной воды с талой водой. Таким образом, со-
снизить скорость подъема воды в затрубном простран- здание буферного слоя также является мероприятием по
стве и не допускать ее подъем выше нижнего торца насо- предотвращению образования эмульсии.
са. При использовании теплового бурового снаряда-рас- Вода поступает из озера в скважину через отверстие,
ширителя длина снаряда от нижнего торца пенетратора образовавшееся в процессе бурения тепловым буровым
до верхнего торца насоса составляет 4 м, а при исполь- снарядом, диаметром, равным диаметру плоской поверх-
зовании КЭМС-132 длина от резцов коронки до верхне- ности нижнего торца пенетратора или гидравлического
го торца насоса составляет 6–8 м [13, 14]. Предотвратить канала, центральная ось которого совпадает с осью пене-
образование эмульсии можно за счет уменьшения абсо- тратора [13]. В момент вскрытия струя ударит в рабочий
лютного значения дифференциального давления или уве- орган теплового снаряда и приподнимет его, этот момент
личения бокового зазора между поверхностью бурового фиксируется датчиком осевой нагрузки, очевидно, что
снаряда и стенкой скважины, либо и тем и другим спосо- после первого, самого мощного гидравлического удара,
бами одновременно. давление струи со временем уменьшится за счет измене-
Увеличение зазора между буровым снарядом и стен- ния дифференциального давления, и снаряд опустится.
ками скважины возможно за счет расширения нижнего Процесс истечения воды из озера в скважину проходит
участка скважины, что является в первую очередь меро- до тех пор, пока не наступит баланс давлений. По закону
приятием по снижению высоты подъема воды в скважи- сохранения энергии, первоначальная струя будет иметь
ну и уменьшению колебаний ее уровня при проведении наибольшие давление и скорость истечения в скважину.
спуско-подъемных операций. Как показывает анализ ре- В точке вскрытия скорость истечения струи озерной воды
зультатов работ по вскрытию озера, эта мера оказывает- v0 в скважину по закону гидродинамики (уравнение Да-
ся также необходимой для предотвращения образования ниила Бернулли) определяется из следующего выражения
эмульсии, так как будет исключено активное перемеши- (1):
вание жидкости благодаря малой скорости подъема воды.
Разработанная учеными Санкт-Петербургского гор- . (1)
0
ного университета технология вскрытия подледниково-
го озера Восток подразумевает использование теплового
82 Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021.
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88D. V. Serbin / News of the Ural State Mining University, 2021, issue 3(63), pp. 80–88 EARTH SCIENCES
При значении недокомпенсации давления ΔР = 0,1 МПа 30
первоначальная скорость струи озерной воды в мо- 28,28
мент вскрытия составит v0 = 14,14 м/с, а при давлении 25 26,46
24,49
ΔР = 0,2 МПа первоначальная скорость струи озерной
Скорость струи vo, м/с
22,36
воды в момент вскрытия составит v0 = 20,00 м/с. Таким 20
20,00
образом, при уменьшении абсолютного значения диффе- 17,32
15
ренциального давления с 0,2 до 0,1 МПа скорость истече- 14,14
ния жидкости в скважину уменьшится на 29,3 %.
10
Рассмотрим динамику течения струи при вскрытии 10,00
подледникового озера. Истечение струи озерной воды в 5
буферный слой талой воды имеет турбулентный характер,
а ее сечение круглое, поведение такой струи описывает 0
0
теория затопленных струй. Движение струи ограничено 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4
стенками и забоем скважины, а также элементами кон- Дифференциальное давление ΔP, МПа
струкции теплового снаряда и взаимодействует с окружа- Рисунок 4. Схема скважины: 1 – тепловой буровой снаряд-
ющей средой (буферным слоем и заливочной жидкостью). Рисунок 2. Зависимость скорости истечения струи из озера
в скважину от дифференциального давления
Диаметр струи dстр равен диаметру канала сообщения d0
Figure 2. Dependence of the jet velocity from the lake into the well
(2), образовавшемуся в результате вскрытия между озе- on the differential pressure
ром и скважиной, а он в свою очередь определяется кон- Рисунок 4. Схема скважины: 1 – тепловой буров
струкцией бурового снаряда, которым вскрывают озеро.
Асимптотически такие круглые турбулентные струи рас- Рассмотрим динамику уровня заливочной жидкости
пространяются в виде конуса с углом раствора порядка и поднявшейся озерной воды в скважину.
20–25°, профиль средней скорости имеет колоколообраз- Процесс подъема озерной воды в скважину через от-
ный вид и может быть хорошо аппроксимирован нор- верстие, образовавшееся при бурении тепловым снаря-
мальной кривой ошибок. Струя озерной воды будет увле- дом, описывается уравнениями гидродинамики. Подъем
кать некоторое количество талой воды, передавая ей часть воды имеет неравномерный характер движения жидкости
своей первоначальной энергии. Увеличение расстояния l, до момента, пока не наступит баланс давлений системы
пройденного струей от канала сообщения до рассматри- озеро–скважина. В каждом живом сечении скважины
ваемого сечения границы заливочная жидкость–талая расход останется постоянным, что описывает уравнение
вода, приводит к увеличению ее диаметра dстр, при этом неразрывности потока жидкости (4):
средняя скорость по оси направления v0 ср уменьшается,
(4)
и давление струи падает. Диаметр струи dстр имеет линей- 0 0 1 1 2 2
ную зависимость от расстояния l и угла расширения струи где v0 – скорость истечения озерной воды в скважину,
αстр. Угол расширения αстр зависит от формы и длины ка- м/с; S0 – площадь живого сечения отверстия, образовав-
нала, а также числа Рейнольдса; шегося от бурения тепловым снарядом, м2; v1 – скорость
подъема заливочной жидкости
0 0 на
1 1верхнем
2 2 интервале, м/с;
0 (2) S1 – площадь живого сечения верхнего интервала, м2;
0
v2 – скорость подъема озерной воды в скважину на участке
Максимальное значение скорости струи на оси vmax 0 ср
расширения, м/с; S2 – площадь живого сечения участка
находится из следующего выражения (3):
расширения, м2; Q – расход воды и жидкости, м2/с.
0 0 Озерная вода поднимается в скважину из-за разницы
0 0 0
0
(3) давлений заливочной жидкости и ледового массива в точ-
0
0 ке вскрытия озера, а также за счет извлечения грузонесу-
щего кабеля и бурового снаряда (доставочного модуля с
где l0 – длина начального участка, по оси которого скорость научно-исследовательским оборудованием).
постоянна и равна скорости истечения струи озерной Рассмотрим все три возможных варианта:
воды в скважину vmax 0 = v0, м; 25 25– расстояние вдоль оси
lстр25 0,8
0,8
25 Р = 0,05МПа
ΔP=0,05 МПа D1 > D2 => h1 < h2 и v1 < v2; 0,8
0,8
струи
от выхода из отверстия до рассматриваемого участка.
струи
жидкость-
Р = 0,05МПа
ΔP=0,05 МПа
жидкость-
струи
D1 = D2 => h1 = h2 и v1 = v2;
струи
0,7
0,7
жидкость-
На рис. 2 наблюдается линейное увеличение длины
жидкость-
мм
ΔP=0,1
Р = 0,1МПаМПа 0,7
0,7
2020 D < D => h > h и v > v ,
участка,
оси
ΔP=0,1
Р = 0,1МПа
МПа
оси
начального участка, которая в20большей
20 степени зависит 1 2 1 2 1 2
0,6
участка,
оси
0,6
оси
Р = 0,2МПа
ΔP=0,2 МПа
м/с
от диаметра канала. При значении диаметра Рканала 0,11 м где D – диаметр скважины на верхней границе контакта 0,6
м/с
по
= 0,2МПа
МПа 0,6
попо
ΔP=0,2
м/с
заливочная
м/с
заливочнаяпо
1
lol0 так как l = l .
скорость
происходит полное выполаживание кривых, 0,5
вода,
скорость
заливочной жидкости с воздухом; D2 – диаметр скважины 0,5
вода,
заливочная
заливочная
1515
начального
lol0
скорость
0 стр 0,5
вода,
скорость
0,5
вода,
15
Диаметр и длина участка15расширения выбираются на нижней границе контакта заливочной жидкости с под-
начального
0,4
0,4
озерная
таким образом, чтобы обеспечить подъем озерной воды ледниковым озером.
озерная
0,4
0,4
озерная
озерная
Максимальная
после вскрытия исключительно1010 на расширенном участке
Максимальная
В качестве критерия, характеризующего отноше-
контакте
0,3
Максимальная
контакте
0,3
Максимальная
скважины. Увеличение диаметра 1010 скважины на нижнем
контакте
0,3
контакте
ние площадей поперечного сечения верхнего и нижнего
Длина
0,3
Длина
участке приведет к снижению скорости подъема озер- участков скважины, воспользуемся безразмерным коэф- 0,2
0,2
55 0,2
0,2
ной воды в момент вскрытия, предотвратит образование фициентом сужения (расширения) К (5):
нана
на
5 5 р.н.в
0,1
на
эмульсии за счет увеличения площади гидравлического
Рисунок 3. Максимальная скорость истечения струи из озера в скважину на контакте заливочная жидкость–вода
0,1
0,1в з
0,1
прохода между стенкой скважины
Рисунок 3. и буровым
Максимальная снарядом,
скорость истечения струи
висимости от0диаметра канала сообщения скважина–озеро из озера в скважину на контакте заливочная жидкость–вода вз
0 диаметра канала сообщения скважина–озеро (5) 0,0
0,0
уменьшит высоту подъема столба
висимости от
00 озерной воды. 0,0
0,0
0,01
0,01 0,03
0,03 0,050,05 0,070,07 0,09 0,09 10,11 0,11 0,13 0,13 0,15 0,15 0,17 0,17
0,01
0,01
Д. В. Сербин. Предотвращение 0,03 эмульсии
0,03
образования 0,050,05 0,070,07 подледниковых
при вскрытии 0,09 0,09 0,11 0,11 0,13 0,13 0,15
водоемов//Известия УГГУ.0,15 83 0,17
0,17
2021.
Диаметр
Диаметр канала,
канала, м м 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88
Вып. 3Диаметр
(63). С.
DДиаметр
1
80–88. DOI
канала,
канала, мм
D1
h1НАУКИ О ЗЕМЛЕ Д. В. Сербин / Известия УГГУ. 2021. Вып. 3(63). С. 80–88
2525 0,8
0,8
∆Р = 0,05МПа
ΔP=0,05 МПа
оси струи
Максимальная скорость по оси струи
жидкость-
жидкость-
0,7
0,7
Длина начального участка, м
Длина начального участка, м
∆Р = 0,1МПа
ΔP=0,1 МПа
2020
∆Р = 0,2МПа
ΔP=0,2 МПа 0,6
0,6
озерная вода, м/с
озерная вода, м/с
скорость по
заливочная
на контакте заливочная
lol0 0,5
0,5
1515
0,4
0,4
Максимальная
1010
на контакте
0,3
0,3
0,2
0,2
55
0,1
0,1
00 0,0
0,0
0,01
0,01 0,03
0,03 0,050,05 0,070,07 0,09 0,09 0,11 0,11 0,13 0,13 0,15 0,15 0,17 0,17
Диаметр
Диаметр канала,
канала, мм
Рисунок 3. Максимальная скорость истечения струи из озера в скважину на контакте заливочная жидкость–вода в зависимости
от диаметра канала сообщения скважина–озеро
Figure 3. Maximum jet velocity from the lake to the well at the contact, the filling fluid – water, depending on the diameter of the channel
for communication between the well and the lake
D1
h1
D3 H'з.ж
Hз.ж
D2
1
Рг h3
2
h2
P0 d0
Рисунок 4. Схема скважины: 1 – тепловой буровой снаряд-расширитель (ТБСР 132/400); 2 – буферный слой;; Нз.ж – высота столба
заливочной жидкости перед вскрытием подледникового водоема, м; Н'з.ж – высота столба заливочной жидкости после вскрытия
подледникового водоема, м
Figure 4. Well layout: 1 – thermal under-reaming drill string (TBSR 132/400); 2 - buffer layer; Hd.f – the column height of the drilling fluid before
opening the subglacial reservoir, m; H'd.f – the column height of the drilling fluid after opening the subglacial reservoir, m
84 Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021.
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88D. V. Serbin / News of the Ural State Mining University, 2021, issue 3(63), pp. 80–88 EARTH SCIENCES
Тогда из уравнения неразрывности потока жидкости v1/v2
(4) найдем отношения (6): 18
16
(6)
14 Рисунок 5. Уменьшение скорости подъем
1
12
Рассмотрим динамику изменения скорости подъе-
ма воды и заливочной жидкости (рис. 5). По аналогии со 10
скважиной 5Г диаметр на верхней границе контакта зали- 8
вочной жидкости с воздухом D1 = 0,164 м; диаметр буре-
ния D2 = 0,132 м; тогда при Кр.н = 1–5 диаметр на нижней 6
границе контакта заливочной жидкости с подледниковым 4
озером D2 = 0,132–0,660 м. 1/ 2 2
Так, при увеличении диаметра на нижнем 18 участке Dб.р, м
относительно верхнего участка в два раза высота и ско- 0
16
Рисунок 5. Уменьшение скорости0,10
подъема озерной
0,15 0,20 воды
0,25 0,30 в скважину
0,35 от диаметра
0,40 0,45 0,50 0,55 0,60 бурения-расширения
0,65 0,70
рость подъема столба озерной воды в скважину после
14
вскрытия уменьшится в четыре раза. При D2 = 0,396 м
12 Рисунок 5. Уменьшение скорости подъема озерной воды
(Кр.н.в = 2,415) скорость подъема на нижнем участке рас- в скважину от диаметра бурения-расширения
ширения v2 уменьшится в 5,83 раза. 10 Figure 5. Decrease in the rate of rise of lake water into the well
Также введем безразмерный коэффициент8 расшире- depending on the 6 diameter of under-reaming drilling
ния нижнего участка Кр.н, который является отношением
диаметра расширения к диаметру бурения скважины 6 (7):
4
(7) (8)
2 0
0
Dб.р, м
Самым точным условием для 0
предотвращения сме-
шивания озерной воды и заливочной жидкости 0,10 0,15
явля-0,20 0,25
где µ0,30 0,35 0,40 0,45 0,50
– коэффициент 0,55 0,60
потерь 0,65 0,70
расхода,
0,98. µ=
ется управление характером истечения воды в скважи- На рис. 6 представлены максимально возможные
ну, что означает не допустить ее турбулентный подъем. диаметры канала сообщения для предотвращения об-
Критерием перехода от ламинарного к турбулентному ха- разования эмульсии при недокомпенсации давления:
рактеру течения потока является число Рейнольдса Re. При ΔР = 0,05; 0,10; 0,15; 0,20 МПа.
значении Re = 2300–4000 течение жидкости имеет переход- Заключение
ный характер движения, Re = 4000 примем за верхнюю гра- Разработанная учеными Санкт-Петербургского
ницу, при которой происходит подъем воды в скважину горного университета технология экологически безопас-
без перемешивания. Принимая
0
0
во внимание
(4), находим ного вскрытия подледникового озера Восток, которая
диаметр канала, при котором произойдет переход течения (8): предполагает расширение нижнего участка скважины
0,026
0,024
0,026
0,022
0,024
dо, м
0,020
0,018
0,022
0,016
dо, м
0,020 0,014
0,026
0,012
0,018 0,024 1,5 2,0 2,5
0,05 МП
0,022
0,016
Рисунок 6. Максимальный диаметр канала для пр
dо, м
0,020
0,014 0,018
0,016
0,012
0,014
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0,012 Кр.н
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
0,05 МПа 0,10 МПа 0,15 МПа 0,20 МПа Кр.н
0,05 МПа 0,10 МПа 0,15 МПа 0,20 МПа
Рисунок 6. Максимальный диаметр канала для предотвращения перемешивания заливочной жидкости и озерной воды
FigureРисунок 6. Максимальный
6. Maximum диаметр
channel diameter канала
to prevent для of
mixing предотвращения перемешивания
the filling fluid and lake water заливочной жидкости и озерн
Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021. 85
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88НАУКИ О ЗЕМЛЕ Д. В. Сербин / Известия УГГУ. 2021. Вып. 3(63). С. 80–88
и последующее создание гидравлического канала сооб- талой воды позволит предотвратить образование эмуль-
щения озеро–скважина расчетного диаметра, позволит сии в первоначальный момент вскрытия подледникового
обеспечить контролируемый подъем озерной воды с за- озера.
данной скоростью на необходимую высоту. Данная тех- Уменьшение дифференциального давления с 0,2 до
нология позволяет предотвратить образование эмульсии 0,1 МПа, расширение нижнего участка скважины в 3 раза
озерной воды и заливочной жидкости. и образование канала сообщения озеро–скважина диаме-
Уменьшение абсолютного значения дифференциаль- тром d0 ≤ 0,0173 м приводит к общему уменьшению ско-
ного давления ΔР с 0,2 до 0,1 МПа приведет к снижению рости v2 в 738 раз.
скорости истечения озерной воды v0 в скважину на 29,3 %. Новая технология вскрытия подледникового озера
Расширение нижнего участка скважины от диаметра Восток отвечает высоким требованиям к экологической
бурения D3 = 0,132 м до D2 = 0,396 м (при Кр.н.в = 2,415 безопасности проведения геологоразведочных работ, ко-
и Кр.н = 3) позволит уменьшить скорость подъема озерной торая предотвращает попадание заливочной жидкости из
воды v2 на этом участке в 5,83 раза, а образование канала скважины в озеро за счет недокомпенсации горного дав-
сообщения озеро–скважина диаметром d0 ≤ 0,0173 м по- ления, а также предупреждает образование эмульсии за
зволит уменьшить скорость подъема озерной воды v2 в счет расширения нижнего участка и образования канала
скважину еще в 89,5 раза. Образование буферного слоя из сообщения озеро–скважина заданного диаметра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Wright A., Siegert M. J. The identification and physiographical setting of Antarctic subglacial lakes: An update based on recent geophysical
data // Antarctic Subglacial Aquatic Environments: Proc. of the Chapman Confer. on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial Aquatic
Environments. 2011. AGU, Washington, D.C. P. 9–26. https://doi.org/10.1029/2010GM000933
2. Siegert M. J., Ross N., Le Brocq A. M. Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology // Phil. Trans. R. Soc. 2016.
Vol. 374. Issue 2059. 20140306. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306
3. Vasiliev N. I., Podoliyk A. V., Dmitriev A. N., Bolshunov A. V., Vasiliev D. A. Controlled directional drilling of boreholes in glacial mass using
carrying cable tool // Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019: Proceedings of the XV International Forum-Contest of Students
and Young Researchers under the auspices of UNESCO (St. Petersburg Mining University, Russia, 13–17 May 2019). London: CRC Press, 2019.
Vol. 1. P. 245–252.
4. McKay R. M., Barrett P. J., Levy R. S., Naish T. R., Golledge N. R., Pyne A. Antarctic Cenozoic climate history from sedimentary records:
ANDRILL and beyond // Phil. Trans. R. Soc. 2016. Vol. 374. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0301
5. Алехина И. А., Васильев Н. И., Липенков В. Я. Проблемы защиты окружающей среды и экологического мониторинга в проектах
изучения подледниковых озер Антарктиды // Лед и Снег. 2012. Т. 52. № 4 (120). С. 104–114. https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-
104-114
6. Антарктика: геоморфологический атлас / под ред. А. Н. Ласточкина. СПб: Карта, 2011. 255 с.
7. Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Блинов П. А. Бурение глубокой скважины на российской антарктической станции «Восток» // Вестник
ОНЗ РАН. 2012. Т. 4. NZ2001. https://doi.org/10.2205/2012NZ000111
8. Lukin V. V., Vasiliev N. I. Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East Antarctica
// Ann. Glaciol. 2014. Vol. 55. Issue 65. P. 83–89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002
9. Литвиненко В. С. Уникальные техника и технологии бурения скважин во льдах Антарктиды // Записки Горного Института. 2014. Т. 210.
С. 5–10.
10. Большунов А. В., Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Подоляк А. В., Сербин Д. В., Туркеев А. В. Особенности технологии экологически
безопасного вскрытия озера Восток в Антарктиде и технические средства для ее реализации // Бурение в осложненных условиях:
материалы Междунар. науч.-практ. конф. СПб: ЛЕМА, 2017. С. 13–14.
11. Барков Н. И. Первая скважина на станции Восток // Лед и Снег. 2012. Т. 52. № 4 (120). С. 9–11.
12. Васильев Н. И., Сербин Д. В., Большунов А. В., Дмитриев А. Н. Тепловой буровой снаряд для бурения плавлением: пат. 2700143, Рос.
Федерация. № С1E21B 7/15; заявл. 04.15.19; опубл. 09.12.19. Бюл. № 26.
13. Сербин Д. В., Васильев Н. И., Дмитриев А. Н., Большунов А. В. Тепловой снаряд для бурения плавлением с одновременным
расширением ледовых скважин // Новые идеи в науках о Земле: материалы XIV Междунар. науч.-практ. конф. (Москва, 02–05 апр. 2019 г.).
СПб: ЛЕМА, 2017. С.13–14.
14. Yu H., Zhu T., Jiang X., Tang Y., Li X., Li C., Huang S., Shi J., Sun Y., Talalay P., Fan X., Li X., Li Y., Peng S. Recoverable Autonomous Sonde
for subglacial lakes exploration: heating control system design // Annals of Glaciology. 2021. Р. 1–13. https://doi.org/10.1017/aog.2021.5
15. Methodology for clean access to the subglacial environment associated with the Whillans Ice Stream // ATCM IP 72. The 34th Antarctic Treaty
Consultative Meeting (Buenos Aires, 20 June–1 July 2011). Buenos Aires: Secretariat of the Antarctic Treaty, 2011.
16. Литвиненко В. С., Васильев Н. И. Разработка породоразрушающего инструмента для бурения скважин во льду // Записки Горного
института. 2012. Т. 197. С. 15–20.
17. Achberger A. M., Christner B. C., Michaud A. B., Priscu J. C., Skidmore M. L., Vick-Majors T. J. Microbial community structure of Subglacial
Lake Whillans, West Antarctica // Front. Microbiol. 2016. Vol. 7. 1457. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01457
18. Turkeev A. V., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya., Bolshunov A. V., Ekaykin A. A., Dmitriev A. N., Vasiliev D. A. Drilling the new 5G-5 branch hole
at Vostok Station for collecting a replicate core of old meteoric ice // Annals of Glaciology. 2021. Vol. 6. No. 1. Р. 1–6. https://doi.org/10.1017/
aog.2021.4
19. Bolshunov A. V., Dmitriev A. N., Ignatiev S. A. Enhancement of inertial mechanical reamer for borehole 5G conditioning to penetrate into
subglacial lake Vostok // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. Vol. 378. Р. 1–5. https://doi.org/10.1088/1755-
1315/378/1/012006
Статья поступила в редакцию 29 июня 2021 года
86 Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021.
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88D. V. Serbin / News of the Ural State Mining University, 2021, issue 3(63), pp. 80–88 EARTH SCIENCES
УДК 622.243.23 https://doi.org/10.21440/2307-2091-2021-3-80-88
Prevention of emulsion formation during opening subglasial
reservoirs
Danil Vasil'evich SERBIN1*
Saint Petersburg Mining University, Saint Petersburg, Russia
Abstract
Relevance. In February 2012, Russian scientists carried out the first opening of the subglacial Lake Vostok in
Antarctica, then in January 2015, a reopening was carried out. The primary goal of further studies of the relict lake is
to take clean samples of lake water and bottom sediments. This requires direct penetration (in situ). It is impossible to
further study the lake using a clean access well at the Vostok drilling complex without observing environmental safety,
one of the criteria of which is the formation of an emulsion at the time of opening.
The purpose of this work is to study the outflow and rise of lake water into a well filled with low-temperature liquid
when opening subglacial reservoirs, in particular Lake Vostok.
Research methodology. To study the outflow of lake water into a well when opening a subglacial reservoir, excluding
mixing of the drilling fluid and lake water, the laws of hydrodynamics were used (Bernoulli’s equation and continuity
equation), meanwhile a new formula was derived for the minimum diameter of the well-subglacial lake communication
channel.
Results. A calculation method has been developed for the technology of environmentally safe opening of the subglacial
Lake Vostok, which makes it possible to quantitatively assess the main influencing factors of the formation of the
emulsion, such as the creation of undercompensation of rock pressure with the drilling fluid, the expansion of the
lower section of the well and the creation of a well-subglacial lake hydraulic communication channel with a design
diameter, and will also allow to provide a controlled rise of lake water at a given speed to the required height.
Conclusions. Preparation before opening the subglacial Lake Vostok, including a decrease in differential pressure
from 0.2 to 0.1 MPa, expansion of the lower section of the well by three times and the formation of a lake-well
communication channel with a diameter of d0 ≤ 0,0173 m, leads to a general decrease in the rise velocity of lake water
into the well by 738 times.
Keywords: Antarctica, subglacial lake Vostok, opening of subglacial lake Vostok, hydrodynamics, ice drilling.
REFERENCES
1. Wright A., Siegert M. J. 2011, The identification and physiographical setting of Antarctic subglacial lakes: An update based on recent
geophysical data. Antarctic Subglacial Aquatic Environments: Proc. of the Chapman Confer. on the Exploration and Study of Antarctic Subglacial
Aquatic Environments. AGU, Washington, D.C., pp. 9–26. https://doi.org/10.1029/2010GM000933
2. Siegert M. J., Ross N., Le Brocq A. M. 2016, Recent advances in understanding Antarctic subglacial lakes and hydrology. Phil. Trans. R. Soc.,
vol. 374, issue 2059. 20140306. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0306
3. Vasiliev N. I., Podoliyk A. V., Dmitriev A. N., Bolshunov A. V., Vasiliev D. A. 2019, Controlled directional drilling of boreholes in glacial mass using
carrying cable tool. Topical Issues of Rational Use of Natural Resources 2019: Proceedings of the XV International Forum-Contest of Students
and Young Researchers under the auspices of UNESCO (St. Petersburg Mining University, Russia, 13–17 May 2019). London: CRC Press,
vol. 1, pp. 245–252.
4. McKay R. M., Barrett P. J., Levy R. S., Naish T. R., Golledge N. R., Pyne A. 2016. Antarctic Cenozoic climate history from sedimentary records:
ANDRILL and beyond. Phil. Trans. R. Soc., vol. 374. https://doi.org/10.1098/rsta.2014.0301
5. Alekhina I. A., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya. 2012, Problems of environmental protection and ecological monitoring in projects for the study
of subglacial lakes of Antarctica. Ice and Snow, vol. 52, no. 4 (120), pp. 104–114. (In Russ.) https://doi.org/10.15356/2076-6734-2012-4-104-114
6. 2011, Antarctica: Geomorphological atlas. A. N. Lastochkina (ed.). Saint Petersburg, 255 p.
7. Vasiliev N. I., Dmitriev A. N., Blinov P. A. 2012, Drilling a deep well at the Russian Antarctic station “Vostok”. Vestnik Otdelenia nauk o Zemle
RAN, vol. 4. NZ2001. https://doi.org/10.2205/2012NZ000111 (In Russ.)
8. Lukin V. V., Vasiliev N. I. 2014, Technological aspects of the final phase of drilling borehole 5G and unsealing Vostok Subglacial Lake, East
Antarctica. Ann. Glaciol., vol. 55, issue 65, pp. 83–89. https://doi.org/10.3189/2014AoG65A002
9. Litvinenko V. S. 2014, Unique techniques and technologies for drilling wells in the ice of Antarctica. Notes of the Mining Institute, vol. 210,
pp. 5–10.
10. Bolshunov A. V., Vasiliev N. I., Dmitriev A. N., Podolyak A. V., Serbin D. V., Turkeev A. V. 2017, Features of the technology of environmentally
safe opening of the Vostok Lake in Antarctica and technical means for its implementation. Drilling in complicated conditions: Materials of the
International scientific and practical conference. Saint Petersburg, pp.13–14. (In Russ.)
11. Barkov N. I. 2012, First well at Vostok station. Ice and Snow, vol. 52, no. 4, pp. 9–11.
12. Vasiliev N. I., Serbin D. V., Bolshunov A. V., Dmitriev A. N. Тhermal shell for melting drilling: Patent RF 2700143. 2019. (In Russ.)
13. Serbin D. V., Vasiliev N. I., Bolshunov A. V., Dmitriev A. N. 2017, Тhermal drill for fusion drilling with simultaneous expansion of ice wells. New
Ideas in the Earth Sciences: Materials of the XIV International Scientific and Practical Conference (Moscow, April 02–05, 2019). Saint Petersburg,
pp. 13–14.
danil.serbin@yandex.ru
https://orcid.org/0000-0002-9855-7178
Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021. 87
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88НАУКИ О ЗЕМЛЕ Д. В. Сербин / Известия УГГУ. 2021. Вып. 3(63). С. 80–88
14. Yu H., Zhu T., Jiang X., Tang Y., Li X., Li C., Huang S., Shi J., Sun Y., Talalay P., Fan X., Li X., Li Y., Peng S. 2021, Recoverable Autonomous
Sonde for subglacial lakes exploration: heating control system design. Annals of Glaciology, pp. 1–13. https://doi.org/10.1017/aog.2021.5
15. Methodology for clean access to the subglacial environment associated with the Whillans Ice Stream. ATCM IP 72. The 34th Antarctic Treaty
Consultative Meeting (Buenos Aires, 20 June–1 July 2011). Buenos Aires: Secretariat of the Antarctic Treaty, 2011.
16. Litvinenko V. S., Vasiliev N. I. 2012, Development of rock cutting tools for drilling wells in ice. Notes of the Mining Institute, vol. 197, pp. 15–20.
17. Achberger A. M., Christner B. C., Michaud A. B., Priscu J. C., Skidmore M. L., Vick-Majors T. J. 2016, Microbial community structure
of Subglacial Lake Whillans, West Antarctica. Front. Microbiol., vol. 7. 1457. https://doi.org/10.3389/fmicb.2016.01457
18. Turkeev A. V., Vasiliev N. I., Lipenkov V. Ya., Bolshunov A. V., Ekaykin A. A., Dmitriev A. N., Vasiliev D. A. 2021, Drilling the new 5G-5 branch
hole at Vostok Station for collecting a replicate core of old meteoric ice. Annals of Glaciology, vol. 6, no. 1, pp. 1–6. https://doi.org/10.1017/
aog.2021.4
19. Bolshunov A. V., Dmitriev A. N., Ignatiev S. A. 2019, Enhancement of inertial mechanical reamer for borehole 5G conditioning to
penetrate into subglacial lake Vostok. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, vol. 378, pp. 1–5. https://doi.org/10.1088/1755-
1315/378/1/012006
The article was received on June 29, 2021
88 Д. В. Сербин. Предотвращение образования эмульсии при вскрытии подледниковых водоемов//Известия УГГУ. 2021.
Вып. 3 (63). С. 80–88. DOI 10.21440/2307-2091-2021-3-80-88Вы также можете почитать
