1.4 Способы бурения

При бурении глубоких геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые применяют вращательный и ударно-вращательный способы.

Вращательный способ бурения заключается в разрушении горной породы под действием вращающегося породоразрушающего инструмента и осевой нагрузки.

Ударно-вращательный способ бурения - это вращательный способ, при котором на породоразрушающий инструмент дополнительно наносятся ударные нагрузки.

Вращение бурового снаряда осуществляют буровым станком, а ударные нагрузки - специальными механизмами (гидроударниками или пневмоударниками), включенными в буровой снаряд.

В зависимости от назначения вращательный способ делят на колонковый и бескерновый. Колонковый способ (от слова колонка - столбик керна) применяют при необходимости опробования скважины (получения пробы горных пород и полезных ископаемых). Бескерновый - при отсутствии такой необходимости.

Колонковый способ имеет ряд достоинств. Он дает возможность извлекать образцы пород, бурить скважины в любом направлении, осуществлять бурение многоствольных скважин, бурить скважины на значительную глубину с относительно невысоким расходом энергии.

К недостаткам колонкового бурения можно отнести возможность самоискривления скважин, ограниченную длину рейса, с которой связана низкая производительность и высокая себестоимость бурения. При бурении мягких пород этот недостаток компенсируется применением бурового снаряда с гидротранспортом керна, а при бурении твердых пород - применением снаряда со съемными керноприемниками.

Бескерновое бурение вследствие повышения длины рейса, снижения затрат времени, труда и средств на бурение выгодно отличается от колонкового большей производительностью и меньшей себестоимостью. Поэтому при проектировании буровых работ приоритет по возможности следует отдавать бескерновому способу.

В зависимости от породоразрушающего инструмента выделяют твердосплавный (твердосплавными коронками и долотами), алмазный (алмазными коронками и долотами), шарошечный (чаще всего шарошечными долотами) способы вращательного бурения.

Твердосплавный способ при бурении горных пород I-VII категории буримости является наиболее простым, дешевым и производительным. Для пород V-XII категории более эффективным, более производительным является алмазный способ.

Весьма производительным способом вращательного твердосплавного бурения для пород I-IV категорий с пропластками до VII категории скважин глубиной до 300 м является способ с гидротранспортом керна, а вращательного алмазного бурения для пород V-X категорий скважин глубиной свыше 300 м - способ бурения снарядами со съемными керноприемниками.

В обоих случаях качество опробования и производительность работ значительно возрастают вследствие извлечения керна без подъема бурового снаряда непосредственно в процессе бурения (в первом случае потоком промывочной жидкости, во втором - с помощью спускаемого на канате через бурильные трубы керноприемника).

Шарошечный способ применяют для бурения пород 1-XII категорий обычно при бескерновом бурении.

По виду очистного агента различают вращательное бурение с промывкой скважин буровыми растворами и бурение с продувкой скважины сжатым воздухом.

Более эффективным является способ с продувкой сжатым воздухом, производительность которого в 2-3 раза выше способа с промывкой скважин буровыми растворами. Однако использовать его можно только при бурении «сухих» скважин (при отсутствии подземных вод). Во влажных скважинах образуются шламовые пробки и дальнейшее бурение с продувкой становится невозможным.

В этом случае переходят на эрлифтный способ (местную циркуляцию за счет эрлифтных насосов).

При ударно-вращательном бурении глубоких скважин на твердые полезные ископаемые так же, как и при вращательном, применяют (по типу очистного агента) как бурение с промывкой (гидроударный способ) так и бурение с продувкой сжатым воздухом (пневмоударный способ). Как воду, так и воздух используют не только для очистки забоя от шлама и охлаждения породоразрушающего инструмента, но и для привода ударных механизмов (гидро- и пневмоударников).

Гидроударный способ принято делить на вращательно-ударный и ударно-вращательный. При вращательно-ударном бурении применяют высокочастотные гидроударники (с частотой ударов 800-3600 в мин), но с невысокой энергией ударов (3-15 Н м). Разрушение горной породы в этом случае осуществляется за счет ее истирания и микрорезания. Ударные нагрузки высокой частоты приводят к усталостному разрушению (растрескиванию) горной породы забоя и создают так называемую «зону предразрушения», снижающую прочность породы. Кроме того, периодические ударные нагрузки предупреждают подклинку керна трещиноватых пород в колонковом снаряде. Все это способствует повышению механической скорости бурения.

Выделяют твердосплавный, алмазный и шарошечный способы вращательно-ударного бурения (последний при бескерновом бурении). Наибольшая эффективность вращательно-ударного бурения достигается при алмазном способе бурения.

Нужно отметить, что особенно высокая эффективность вращательно-ударного бурения при алмазном способе достигается при относительно невысокой скорости вращения снаряда, с увеличением скорости темп повышения механической скорости бурения снижается. Так, при частоте вращения 300об/мин механическая скорость вращательно-ударного бурения выше механической скорости вращательного бурения в 1,5 - 2 раза, а при 1000 об/мин всего в 1,1 - 1,3 раза.

При ударно-вращательном способе применяют среднечастотные гидроударники с частотой ударов 1000-1400 в минуту, но с высокой энергией ударов до 80 Н м, в результате чего происходит более эффективное разрушение горной породы - скалывание и дробление. Механическая скорость бурения при этом может возрастать почти в 2 раза, а длина рейса даже по трещиноватым породам - достигать десятков метров.

В зависимости от вида породоразрушающего инструмента различают твердосплавный колонковый (твердосплавными коронками) и шарошечный (бескерновый, шарошечными долотами) способы ударно-вращательного бурения.

Гидроударное бурение - высокопроизводительный способ, однако он требует дополнительных затрат труда, средств, его применение связано с возможностью обеспечения эффективного использования гидроударников в сложных геолого-технических условиях скважины.

Наиболее эффективным из ударно-вращательных способов является пневмоударный, позволяющий увеличить производительность бурения в 2-3 раза (по сравнению с вращательным способом с промывкой).

Однако применение его ограничено теми же причинами, что и при вращательном бурении с продувкой сжатым воздухом.

При бурении неглубоких скважин кроме вращательного колонкового способа применяют следующие способы:

- медленно-вращательный способ (ручной, машинный, скважин большого диаметра);

- шнековый (подъем разрушенной породы при бурении с помощью специальных шнековых транспортеров);

- вибрационный (разрушение и уплотнение мягких пород под воздействием вибраций);

- канатно-ударный колонковый (путем забивания колонковой трубы в мягкую породу);

- канатно-ударный бескерновый (путем долбления породы за счет сбрасывания на забой тяжелого бурового снаряда, подвешенного на канате).