Szyb i platforma wiertnicza

Uprzemysłowiony świat wciąż poszukuje bogactw mineralnych. Aby je wydobyć ludzie opanowali technikę drążenia tuneli i wiercenia otworów sięgających setki metrów w głąb ziemi.

Na świecie potrzebnych jest kilkadziesiąt minerałów, ropy naftowej i gazu ziemnego. Odkryto wiele technik ich wydobywania. Wydobycie niektórych minerałów, wapieni i kamiennego gruzu jest najtańsze w kopalniach odkrywkowych. Niektórych złóż nie da się eksploatować w ten sposób, np. węgiel kamienny, rudy żelaza, ropa naftowa i gaz ziemny.

W objęciach górotworu

Najważniejszym paliwem większości elektrowni jest wciąż węgiel kamienny, chociaż w czasie jego spalania uwalnia się dwutlenek siarki, który jest przyczyną kwaśnych deszczów. Jednak bogactwo złóż, które wystarczy na zaspokojenie potrzeb ludzkości na najbliższe 300-400 lat, oraz to, iż energia pozyskiwana z węgla jest względnie tania, a także niechęć do elektrowni jądrowych powodują, że węgiel nie ma na razie konkurencji. Jego złoża zalegają na tyle głęboko, iż wydobywa się go w kopalniach podziemnych.
Po stwierdzeniu obecności pokładów pożądanej kopaliny i oszacowaniu jej bogactwa podejmowana jest decyzja o eksploatacji.
Pierwszy etap budowy kopalni polega na wywierceniu lub wykopaniu pionowego otworu prowadzącego pod ziemię, zwykle o średnicy 7-8 metrów. Na powierzchni montuje się urządzenia służące do wyciągania kopaliny. Szyby mają najczęściej przekrój kołowy i są wzmocnione obudową murowaną, betonową, żelbetonową lub stalową. Przy zakładaniu szybów oraz wyrobisk wybiera się miejsce najdogodniejsze do lokalizacji obiektów powierzchniowych, takie, z którego najłatwiej można osiągnąć wszystkie punkty złoża.
Kopalnia jest połączona z powierzchnią najczęściej dwoma szybami. Szybem wydobywczym transportuje się węgiel. Usytuowany w niewielkiej odległości szyb zjazdowy służy do przewozu ludzi pod ziemię. Czasami, kiedy kopalnia zalega na niewielkiej głębokości, budowa szybów nie jest konieczna. Górnicy drążą wówczas w zboczu góry lub wzgórza pochylnie zakładane u wyjścia pokładów na powierzchnię lub tzw. Sztolnie, czyli poziome wyrobiska korytarzowe wiodące do złoża. Taki sposób dostania się pod ziemię jest wygodniejszy, umożliwia bowiem dojazd do kopalni wózków lub ciężarówek, bez konieczności budowy kosztownych wyciągarek. Niekiedy, m.in. w specyficznych warunkach eksploatacji złóż żyłowych, stosuje się również szyby pochyłe
Złoże stanowi twardą bryłę poprzedzielaną skałami; w celu eksploatacji dzieli się je na wyrobiska górnicze. Wśród wyrobisk podziemnych wyróżnia się wyrobiska komunikacyjne oraz wyrobiska eksploatacyjne, w których urabia się, tzn. odrywa od skały płonnej, węgiel, sól, rudę i inne użyteczne surowce kopalniane. Aby dostać się do węgla, górnicy muszą wydrążyć w skale chodniki, dające dostęp do jego pokładów. Wykorzystują do tego wrębiarki chodnikowe – pojazdy uzbrojone w ogromną głowicę do kruszenia skalnych ścian.
Wysokie ciśnienie panujące pod ziemią uniemożliwia wybieranie surowca we wszystkich punktach kopalni jednocześnie, dlatego dzieli się ją na wyodrębnione obszary, z których uzyskuje się kopalinę stopniowo, przez cały okres istnienia kopalni. Za pomocą płaszczyzn horyzontalnych wydziela się tzw. Poziomy, a płaszczyzny pionowe dzielą ja na tzw. Pola eksploatacyjne. Każdy poziom łączy się z szybem przekopami; są to wyrobiska korytarzowe, prowadzone przeważnie w kamieniu. Szyby wraz z przekopami stanowią układ arterii kopalni; z układem tym powiązana jest praca oddziałów produkcyjnych i pomocniczych. W obrębie oddziałów znajdują się przodki, w których wydobywa się kopalinę i przygotowuje nowe partie złoża do eksploatacji. Oddziały połączone są chodnikami odstawy urobku oraz chodnikami służącymi do transportu narzędzi i do wentylacji z układem arterii kopalni i zainstalowanym w nim transportem głównym. Jest to tzw. transport oddziałowy.
Obecnie najpowszechniejszym sposobem uzyskiwania surowców mineralnych jest wydobywanie komorowo-filarowe, szczególnie nadające się do wybierania surowców występujących w poziomych złożach otoczonych twardą skałą. Po wybraniu surowca pozostają puste komory w mocnej ścianie skalnej, które podpiera się filarami. W wypadku, gdy bogactwa mineralne występują w postaci pochylonych żył, górnicy drążą poziome korytarze, które przecinają złoże. Węgiel uzyskuje się przez wysianie złoża i zbieranie kawałków minerału spadających na dno przodka. Olbrzymie ciśnienie skał zagraża zarówno przodkom eksploatacyjnym, jak i chodnikom oraz przekopom. Zabezpieczenie się przed zawaleniem ścian polega na stosowaniu obudowy z drewna, stali i betonu.
Warunki panujące setki metrów pod ziemią różnią się znacznie od tych na powierzchni. Aby dostarczyć górnikom tlenu niezbędnego do przeżycia na takich głębokościach, trzeba doprowadzać do kopalni świeże powietrze, które musi wypełnić wszystkie wyrobiska kopalne. W dodatku na dużych głębokościach często występują niebezpieczne gazy: wybuchowy metan, duszący dwutlenek węgla i trujący tlenek węgla. Właściwy system wentylacji pozwala je usunąć lub rozrzedzić do takiego stężenia, które nie zagraża bezpieczeństwu pracy i zdrowiu górników.

Stalowe giganty

Ropa naftowa i towarzyszący jej gaz ziemny zalegają zarówno pod powierzchnią lądów, jak i mórz. Około jednej trzeciej światowych zasobów pochodzi z podmorskich pól naftowych, z których większość znajduje się w Zatoce Perskiej, na Morzu Północnym i w Zatoce Meksykańskiej. Wydobywanie ropy naftowej i gazu ziemnego na morzu jest droższe od prac wydobywczych na lądzie, jednak ogólne koszty eksploatacji są zwykle dużo niższe. Ma na to wpływ przede wszystkim większa rozległość podmorskich złóż, które zapewniają dłuższą eksploatację i w efekcie obniżają koszty wydobycia.
Po stwierdzeniu obecności ropy w miejscu skąd będzie prowadzony odwiert, rozpoczyna się budowa platformy morskiej. Jest to konstrukcja ze stali lub żelbetu, stała lub pływając, zaopatrzona w odpowiednie urządzenia i wyposażenie. Aby zapobiec zalewaniu przez wodę platformy, pozostawia się pod nią tzw. przestrzeń powietrzną, ponieważ korozja oraz ciśnienie wody na konstrukcję pokładu mogą stanowić zagrożenie. Wielkość tej przestrzeni ustala się biorąc pod uwagę maksymalną wysokość fali na akwenie, na którym platforma ma być ustawiona
Pod względem przeznaczenia platformy morskie dzielimy na: wiertnicze, wydobywcze, magazynowe, produkcyjne i mieszkalne. Jedna platforma może mieć kilka przeznaczeń. Znajduje się na niej wiele urządzeń niezbędnych do prowadzenia ustalonych prac podmorskich, m. in. Wiertnice morskie, urządzenia dźwigowe, maszynownie, zespoły prądnic, zbiorniki paliwa oraz magazyny rur, płuczki i inne materiały używanie do wierceń oczyszczania wody, stacje pomp, pomieszczenia mieszkalne i socjalne załogi, magazyny ropy lub gazu, urządzenia do oczyszczania i przerabiania ropy, skraplania gazu itp.
Najważniejszy element platformy morskiej stanowi wiertnica morska, składająca się z wieży wiertniczej, na której zawieszone są przewody wiertnicze ze świdrami. Wieża sięga na wysokość kilkudziesięciu metrów a jej udźwig dochodzi do kilkudziesięciu ton. Zanim rozpoczyna się wiercenia eksploatacyjne, załoga platformy wykonuje wiercenia wstępne, służące do określenia głębokości i wielkości złóż ropy lub gazu. W tym celu w głąb ziemi wpuszcza się nabijane diamentami niezwykle twarde wiertło, zamocowanie na długim ciągu stalowych rur. Rury zwisają z wieży wiertniczej na skomplikowanym systemie bloków, przekładni i przewodów, utrzymujących konstrukcję ważącą dziesiątki ton i obracaną przez silniki wysokoprężne. W miarę zagłębiania się wiertła w złoże ciąg rur przedłuża się kolejnymi odcinkami. Rury ciągu są w środku puste; tłoczy się nimi w dół szlam. Szyli mieszaniną wody, iłów, dodatków chemicznych oraz zawiesiny złożonej z różnorodnych składników. Wydostający się z otworu w wiertle szlam unosi ze sobą odpady skalne i wypływa na powierzchnie – w innym wypadku okruch mogłyby uszkodzić wiertło. Na powierzchni szlam trafia do zbiorników, w których usuwa się z niego skalny złom. Oczyszczony szlam kieruje się ponownie do ciągu wiertniczego.
Po dotarciu do złoża roponośnego i zaprzestaniu tłoczenia szlamu, pustymi rurami zaczyna płynąc ropa unoszona w złożu przez wysokie ciśnienie. Platformy wiertnicze umożliwiają prowadzenie odwiertów na głębokościach dochodzących do 1000 metrów, jednak na większości z nich instaluje się urządzenia pozwalające na prace na wodach nie głębszych niż 400-600 metrów. Współczesne platformy mogą obsłużyć nawet do 60 odwiertów jednocześnie; część z nich znajduje się bezpośrednio pod platformą, natomiast pozostałe są od niej oddalone i połączone z nią rurociągami leżącymi na dnie morza.
Wydobyty gaz transportuje się następnie na ląd rurociągiem, natomiast oczyszczona ropa jest wtłaczana w zbiorniki balastowe u podstawy platformy i przechowywana w nich do czasu przypłynięcia zbiornikowca.
W przemyśle wydobywczym nie udało się wyeliminować niebezpiecznych awarii. Współcześnie wysiłek projektantów i konstruktorów skierowany jest przede wszystkim na zwiększenie bezpieczeństwa w kopalniach i na platformach wiertniczych.