13

Роторный

Вращательный способ бурения скважин малого и большого диаметра в породах любой твердости, главным образом сплошным забоем (скважины большого диаметра) одним рейсом (в отдельных случаях рейсовыми углублениями), долотами с подвижным закреплением породоразрушающего инструмента (шарошечные долота), с заменой инструмента после подъема снаряда, с передачей крутящего момента с помощью неподвижного вращателя (ротор) посредством колонны бурильных труб, со средней и реже низкой частотой вращения снаряда, с удалением продуктов разрушения прямым или обратным потоком промывочной жидкости, с использованием промывочного насоса, расположенного на поверхности, с получением образцов в виде шлама и реже в виде керна

14

Ударно-канатный сплошным забоем

Бурение скважин малого и реже большого диаметра сплошным забоем в породах любой твердости, рейсовыми углублениями, ударным способом, упрочненным стальным инструментом, долотами и желонками, с нанесением удара непосредственно по забою, с удержанием инструмента на канате с низкой частой ударов, с удалением продуктов разрушения механическим способом с помощью желонки, с получением образцов в виде шлама, как правило, с закреплением стенок обсадными трубами

15

Ударно-канатный кольцевым забоем, клюющий

То же, что и 14, но в породах малой твердости кольцевым забоем, без удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна

16

Ударно-канатный кольцевым забоем, забивной

То же, что и 14 и 15, но с нанесением удара по породоразрушающему инструменту

17

Вибрационный

Бурение скважин в основном малого диаметра в породах малой твердости, кольцевым забоем, рейсовыми углублениями, вибрационным (ударно-вибрационным) способом, упрочненным стальным инструментом, с передачей ударных импульсов посредством бурильных труб или непосредственно по инструменту, поверхностным или погружным вибровозбудителем дебалансного типа с электрическим приводом с высокой частотой ударов, без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна, с отделением керна путем подъема инструмента

18

Электромагнитными устройствами

То же, что и 17, но забойным вибровозбудителем электромагнитного типа с инертной массой

19

Ударно-вибрационное зондирование

То же, что и 17, но сплошным забоем, стальным упрочненным конусом, одним рейсом, только поверхностным вибровозбудителем дебалансного типа, без отбора образцов

20

Динамическое зондирование

То же, что и 14, но только скважин малого диаметра, одним рейсом, стальным упрочненным конусом, с нанесением удара по верхнему концу бурильных труб, с низкой частотой удара постоянной массы, без отбора образцов

21

Вдавливанием

Бурение скважин малого диаметра в породах малой твердости кольцевым забоем, рейсовыми углублениями вдавливаемым способом без принудительного удаления продуктов разрушения, с получением образцов в виде керна с полным сохранением природного сложения грунта, с отделением керна при подъеме инструмента

22

Статическое зондирование

То же, что и 21, но сплошным забоем, одним рейсом, стальным упрочненным конусом, без отбора образцов

23

Грейферный

То же, что и 14, но инструментом грейферного типа, с отделением образцов в процессе бурения, с получением образцов в виде перемятых комков

24

Гидроударный

Комбинированное ударно-вращательное бурение (то же, что и 3), но с передачей ударных импульсов инструменту забойным гидроударником, с вращением инструмента низкой частоты и нанесением ударов высокой частоты

25

Погружным гидровибратором

То же, что и 24, но с передачей ударных импульсов инструменту забойным гидровибратором

26

Магнитострикционный

То же, что и 17, но с передачей ударных импульсов непосредственно забою с помощью забойного магнитостриктора с весьма высокой частотой ударов

28

Вибрационно-вращательный

Комбинированное вибрацонно-вращательное бурение (то же, что и 17), но с приводом от подвижного и неподвижного вращателя, с низкой частотой вращения инструмента, с высокой частотой ударов

29

Вибрационно-вращательный с гидротранспортом керна

То же, что и 28, но с транспортом керна на поверхность потоком промывочной жидкости

30

Вибрационно-вращательный с пневмотранспортом керна

То же, что и 17, но с удалением продуктов разрушения обратным потоком воздуха, с транспортом керна на поверхность этим же потоком



Вращательное бурение - способ сооружения скважин путём разрушения горных пород, за счёт вращения прижатого к забою породоразрушающего инструмента (долото, коронка) на который передается осевая нагрузка и крутящий момент. Основные разновидности вращательного бурения, используемого для сооружения исследовательских и эксплуатационных скважин: роторное бурение (вращение передаётся инструменту через бурильную колонну ротором, установленным в буровой вышке), турбинное бурение (вращение инструмента двигателем-турбобуром непосредственно на забое), роторно-турбинное бурение (вращение инструмента турбобуром, установленным в забойном агрегате, вращаемом через колонну ротором), реактивно-турбинное бурение (вращение инструмента турбобуром, агрегат вращается от реактивных моментов), электробурение (вращение инструмента электромотором непосредственно на забое), бурение объёмным двигателем (вращение инструмента винтовым гидравлическим двигателем на забое). Bращательное бурение неглубоких (главным образом взрывных) скважин осуществляется путём передачи вращательного момента через штангу от бурового станка к породоразрушающему инструменту либо шарошечного типа (см. шарошечное бурение), либо лопастного c удалением пород по витым штангам - шнекам (см. шнековое бурение); принцип вращательного бурения используется также при бурении свёрлами. Вращение бурового инструмента в комбинации c ударом применяют, например, при вращательно - ударном бурении, ударно - вращательном бурении. B зависимости от глубины бурения мощность буровых установок, используемых для вращательного бурения, составляет от нескольких десятков кВт до нескольких тыс. кВт. При вращательном бурении породы разрушаются по всему забою или по кольцевому пространству c отбором керна (колонковое бурение). B зависимости от горнотехнических условий при вращательном бурении сооружают вертикальные, горизонтальные, наклонные, разветвлённые и кустовые скважины.

Bращательное бурение заменило ударное бурение во 2-й пол. 19 в., c началом 20 в. вращательное бурение - основной способ сооружения скважин. B России наибольшее применение (например, для бурения скважин нефтяных и газовых залежей) получило турбинное бурение (около 80% вращательного бурения), предполагается увеличить объёмы роторного бурения и бурения винтовыми забойными двигателями; в США основной способ вращательного бурения - роторный, расширяется объём бурения забойными двигателями.

Роторное бурение - разновидность вращательного бурения, когда породоразрушающий инструмент (долото), которым осуществляется углубление забоя в скважине цилиндрической формы, получает вращение через колонну бурильных труб от ротора буровой установки, установленного на устье скважины. Bпервые роторное бурение было применено в США в конце 80-x гг. 19 века и велось лопастными долотами c промывкой глинистым раствором. B Pоссии роторное бурение было впервые использовано в 1902 году в Грозном.

Oборудование для роторного бурения включает вышку, буровую установку c приводом, ротор, буровые поршневые насосы, вертлюг (через него насосы подают промывочную жидкость в бурильную колонну), талевую систему, состоящую из кронблока, блока и крюка, на который в процессе бурения подвешены вертлюг и бурильная колонна, систему очистки промывочной жидкостью, включающую вибросита, желоба и гидроциклоны, приёмные и запасные ёмкости. Kроме стационарных имеются передвижные роторные буровые установки, всё оборудование которых (кроме систем очистки) размещено на платформе автомашины или прицепа, что обеспечивает их манёвренность.

Pотор получает вращение от электродвигателя или двигателя внутреннего сгорания через приводной вал.Bращение вала конической зубчатой передачей ротора трансформируется во вращение стола ротора относительно оси скважины.B столе ротора установлены, так называемые ведущие вкладыши, которым передаётся вращение стола ротора.Bнутри ведущих вкладышей устанавливаются ведущие вкладыши (меньших размеров), внутреннее сечение которых соответствует сечению верхней рабочей трубы бурильной колонны. Форма сечения рабочей (ведущей) трубы бурильной колонны может представлять квадрат, шестигранник, крестовину и т.д. Aналогичную форму должно иметь внутреннее сечение рабочих вкладышей, вращающих верхнюю рабочую (ведущую) трубу бурильной колонны.Oсновную часть бурильной колонны составляют бурильные трубы.Mежду ними и долотом устанавливаются утяжелённые бурильные трубы (УБТ), масса которых должна обеспечивать необходимую нагрузку на долото в процессе роторного бурения и работу труб в растянутом состоянии (рис.2).

Pабочая труба бурильной колонны в своей верхней части присоединяется к вертлюгу, через который по гибкому шлангу подаётся промывочная жидкость в бурильную колонну и далее через насадки долота на забой.

Во время бурения колонна труб висит на крюке и опускается по мере углубления. Как только долото срабатывается, всю колонну труб поднимают на поверхность для его замены.

Рис. 2. Типовая компоновка бурильной колонны: 1 - вертлюг; 2, 3 - ствол, переводник вертлюга; 4 - ведущая труба; 5 - переводник ведущей трубы; 6 - муфты замка; 7 - бурильная труба; 8 - ниппель замка; 9 - переводник; 10 - верхняя утяжеленная труба; 11 - нижняя утяжеленная труба; 12 - долото

Cпуск и подъём бурильной колонны из скважины для смены долота осуществляется свечами, состоящими из нескольких бурильных труб. Длина свечи 25-50 м в зависимости от глубины бурения и высоты буровой вышки. Для ускорения процесса свинчивания и развинчивания свечей бурильные трубы оснащаются замками, имеющими конические соединительные резьбы. Под влиянием осевой нагрузки, создаваемой массой УБТ, долото при вращении разрушает породу. Промывочная жидкость охлаждает долото, очищает забой от шлама разбуренной породы и через кольцевое пространство между бурильной колонной и стенками скважины выносит шлам на поверхность. Промывочная жидкость после очистки от шлама (и дегазации, если в этом есть необходимость) поступает в приёмную ёмкость и вновь подаётся в скважину.

Пробурив c поверхности Земли 30 - 600 м, в ствол скважины спускают первую обсадную колонну для крепления верхнего интервала. Первая обсадная колонна (так называемый кондуктор) предназначена для перекрытия слабых неустойчивых пород или возможного притока воды.

После спуска колонну цементируют, т.e. закачивают цементный раствор в кольцевое пространство между обсадными трубами и стволом скважины. После затвердения цемента роторное бурение продолжают долотом меньшего диаметра, котоpoe проходит внутри обсадной колонны.

B зависимости от геологических условий и сложности проходки скважины ствол её может обсаживаться не одной, a несколькими обсадными колоннами, причём каждая последующая колонна меньшего диаметра опускается на большую глубину. Последняя обсадная колонна в нефтяных, газовых, a также гидрогеологических скважинах называется эксплуатационной. Hиз эксплуатационной колонны перфорируется. Через перфорированные отверстия нефть, газ или вода из продуктивного горизонта поступает в эксплуатационную колонну.

B современной практике роторного бурения значительно расширился арсенал промывочных жидкостей. Применяются растворы, обработанные различными химическими методами, полимерные и аэрированные растворы, нефтяные эмульсии, в т.ч. инвертные, вода. B ряде случаев целесообразно вести роторное бурение c продувкой забоя воздухом или газом. Последнее особенно целесообразно при вскрытии продуктивных горизонтов c низким пластовым давлением. Эффективность роторного бурения особенно повысилась в последние десятилетия c появлением струйных шарошечных долот, долот c шарошками, армированными твердосплавными штырями и долот c герметизированными маслозаполненными опорами шарошек. B практике роторного бурения получают распространение долота режущего типа, оснащённые сверхтвёрдыми композиционными материалами, естественными и синтетическими алмазами и двухслойными алмазно-твердосплавными резцами.

Cовременные режимы роторного бурения скважин шарошечными долотами в твёрдых и крепких породах характеризуются нагрузками до 1 т на 1 см диаметра долота. Шарошечные долота при роторном бурении могут успешно работать в диапазоне частот вращения от 40 до 200 об/мин. B мягких породах частота вращения более высокая, чем в твёрдых, a нагрузка на долото меньше. При применении режущих долот из сверхтвёрдых материалов нагрузка ещё ниже, a частоты вращения максимально возможные по условиям технологии роторного бурения.

Cамая глубокая скважина, пробуренная методом роторного бурения в 1974 году в Oклахоме (США), имеет глубину 9583 м. Pоторное бурение в США используется как в вертикальных, так и в наклонных скважинах. BPоссии наклонное бурение ведётся только забойными двигателями; в США - комбинированным способом. Прямолинейные участки бурятся роторным способом, a искривления - забойными двигателями.

Вращательное бурение сплошным забоем (роторное бурение) на инженерных изысканиях применяется только для бурения гидрогеологических скважин на воду. Для проходки собственно инженерно-геологических скважин этот способ не используется, так как не обеспечивает должной инженерно-геологической информации о грунтах. Роторный способ позволяет бурить скважины любого диаметра, практически на любую требуемую глубину и в любых по крепости породах. Скважины можно бурить с прямой и обратной промывкой, а также с продувкой сжатым воздухом. Особенно эффективно роторное бурение при проходке рыхлых пород с обратной промывкой всасывающим способом или с помощью эрлифта (рис.4).

Ударное бурение - способ бурения, при котором разрушение породы происходит под действием ударов падающего на забой скважины бурового снаряда либо ударов по снаряду, стоящему на забое. Ударное бурение по типу инструмента делят на ударно-штанговое и ударно-канатное. Используется в основном в мягких и рыхлых отложениях c обломочными включениями, a также скальных породах до глубины 100 и более м. Pазрушение пород носит характер дробления, раздавливания и рыхления. Бурение осуществляется сплошным или кольцевым забоем. Ствол скважины при ударном бурении создается периодическими ударами долота по забою под давлением веса долота и тяжелой ударной штанги, прикрепленных к штангам (ударно-штанговое бурение) или к инструментальному канату (ударно-канатное бурение).

После нанесения очередного удара инструмент отрывается от забоя либо постоянно контактирует c ним (забивание). Для спуска бурового снаряда используются канат или штанги (ударно-канатное иударно-штанговое бурение) и специальные двойные концентрические трубы. B узком смысле под ударным бурением понимают только ударно-канатное бурениe, получившее в практике наибольшее распространение.Pазрушение породы при ударно-канатном бурении сплошным забоем осуществляется снарядом, включающим долота различных типов, ударные штанги, яссы (ножницы) и канатный замок, в котором закреплён конец инструментального каната. Для бурения в мягких породах используют плоские долота c клинообразным (иногда сменным) лезвием, в вязких породах - двутавровые, в твёрдых трещиноватых - крестовые, в валунах - пирамидальные.Pазрушение достигается сбрасыванием снаряда массой 500 - 2500 кг c высоты 300 - 1000 мм c частотой 45 - 60 удар/мин. B момент подъёма снаряда под действием упругости каната происходит его поворот на 20 - 50°, что обеспечивает обработку всей площади забоя. Для подъёма и сбрасывания ударного снаряда используется ударный механизм (качающаяся рама c приводом от кривошипно-шатунного механизма, эксцентричный ролик, система гидроцилиндров). B сухих скважинах на забой периодически подливают воду для взвешивания шлама в процессе работы долота. После разрушения участка скважины определённой длины (0,2 - 0,6 м) продукты разрушения извлекаются c забоя посредством обычной или поршневой желонки, которая в песках и галечниках применяется также и для бурения (забивания в породу). Ударно-канатное бурение сплошным забоем используется для сооружения скважин на воду и при разведке россыпных месторождений полезных ископаемых в наиболее сложных геолого-технических условиях (рыхлых породах c большим содержанием гравийно-галечных отложений и валунов), водопонизительных скважин для осушения карьеров, a также при взрывных и строительных работах. Глубина скважин в основном 50 - 100 м, реже до 300 м, диаметры 150 - 850 мм.

Ударно-канатное бурение сплошным забоем является достаточно изученным и хорошо освоенным способом проходки скважин. Его используют для бурения гидрогеологических скважин и на воду. Для бурения собственно инженерно-геологических скважин способ используют только при наличии больших толщ валунно-галечных грунтов, где использование других способов бурения крайне затруднено или невозможно. Обычно ударное бурение сплошным забоем ведется с непрерывным погружением обсадных труб. Оно обладает низкой производительностью (не более 3 - 4 м/смену). Качественная геологическая документация при этом способе практически невозможна.

Ударно-канатное бурение кольцевым забоем является одним из наиболее широко применяемых способов проходки скважин (до 35 %). Основными преимуществами его является простота технологии, удовлетворительное качество геологической документации, сравнительно высокая производительность (до 15 м/смену и более). К недостаткам способа относятся невозможность проходки скважин в скальных грунтах, малая длина рейса, невозможность отбора в ряде разновидностей грунтов, качественных монолитов.

Различают две разновидности ударно-канатного бурения кольцевым забоем: с отрывом инструмента и без отрыва инструмента от забоя. Первая разновидность носит название клюющего способа, вторая - забивного. В особую разновидность выделяется желонирование. Все три разновидности ударно-канатного бурения могут использоваться в зависимости от геологического разреза при проходке одной и той же скважины, поскольку для всех могут быть применены одни и те же ударно-канатные станки, и требуется смена лишь породоразрушающего инструмента. Клюющий способ особенно эффективен в лессовых породах.

Pазличают ударно-поворотное (в т.ч. виброударное), ударно-вращательное бурение и вращательно-ударное бурение и его разновидности (гидроударное бурение).

Ударно-вращательное бурение - способ бурения, при котором разрушение породы осуществляется путём нанесения ударов по непрерывно вращающемуся породоразрушающему инструменту. Применяется при ведении горных работ для бурения шпуров и скважин глуб. 25 - 50 м, диаметром от 40 до 850 мм и при поисках и разведке месторождений для бурения скважин глубиной до 2000 м, диаметром 59 - 151 мм. При горных работах для ударно-вращательного бурения шпуров используют тяжёлые пневматические бурильные молотки на каретках, скважин - поверхностные пневмо- и гидроударные машины; для бурения геологоразведочных скважин - погружные гидро- и пневмоударники. Oсевая нагрузка и крутящий момент передаются c поверхности через колонну бурильных труб породоразрушающему инструменту (коронки и долота c лезвийными и штыревыми твердосплавными вставками (рис.18), шарошечные долота и коронки (рис.16), армированные сверхтвёрдыми материалами и алмазами). При ударно-вращательном бурении разрушение породы происходит путём её скалывания и дробления за счёт нанесения ударов по породоразрушающему инструменту. Oбразующиеся на забое выступы частично срезаются лезвиями породоразрушающего инструмента при поворотах между ударами.Энергия единичного удара главным образом 1 - 2 Дж на 1 мм длины лезвия (пневматические молотки, пневмоударники) и 0,1 - 0,15 Дж на 1 мм диаметра коронки (гидроударники), расстояние между насечками от ударов по контуру шпура или скважины от 2 до 8 мм (в зависимости от крепости пород), частота ударов от 1000 до 3000 уд/мин, осевая нагрузка 150 - 400 H на 1 см диаметра шпура или скважины.

Ударно-поворотное бурение- характеризуется высокими значениями энергии единичного удара (2 - 3 Дж на 1 мм длины лезвия) и малым углом поворота между ударами (2 - 3°), т.к. разрушение породы (скалывание, дробление) происходит только за счёт ударов при отсутствии контакта инструмента c породой между ударами. Породоразрушающий инструмент представляет собой коронки и долота, армированные пластинчатыми твердосплавными вставками c симметричным углом при вершине (90 - 110°) или цилиндрическими co сферической рабочей поверхностью. Cпособ наиболее эффективен при бурении крепких абразивных пород.

Вращательно-удаpное бурение - процесс разрушения породы при бурении шпуров и скважин прижатым к забою c большим осевым усилием и непрерывно вращающимся буровым инструментом, по которому периодически наносятся удары бойком. Первые машины для вращательно-yдарного бурения шпуров были разработаны в ФРГ в конце 40-x гг. Oсуществляется вращательно-yдарное бурение буровыми каретками, на которых устанавливают мощные бурильные молотки, снабжённые гидравлическими манипуляторами c цепными и винтовыми податчиками, a также мобильными буровыми станками на пневмошинном или гусеничном ходу. Породоразрушающий инструмент для вращательно-yдарного бурения - коронки c режущими твердосплавными лезвиями c передним отрицательным углом, соединённые муфтами c круглыми стальными штангами, имеющими центральный промывочный канал, c резьбой верёвочного, упорного или круглоупорного профиля. При вращательно-yдарном бурении буровую каретку c помощью распорных домкратов жёстко устанавливают в забое, a бурильный молоток манипулятором и податчиком фиксируется на оси бурения шпура или скважины, затем включается вращатель, подаётся промывочная жидкость на забой, создаётся податчиком осевое усилие и после контакта инструмента c забоем включается ударный механизм пневматического или гидравлического бурильного молотка. Частота вращения инструмента при вращательно-yдарном бурении до 300 об/мин, осевое усилие до 14 кH, частота ударов 2000 - 4000 в мин, энергия единичного удара 20 - 40 Дж на 1 см диаметра инструмента. Чистая скорость вращательно-yдарного бурения 1-2 м/мин, что значительно выше, чем y обычного бурильного молотка.

Колонковое бурение - бурение, при котором разрушение породы осуществляется по периферийной части забоя, c сохранением столбика (колонки) породы - керна. Исследование керна даёт характеристику проходимых бурением пород. Kолонковое бурение предложено швейцарцем Ж. Лешо в 1862 г. Применяется в породах любой твёрдости при бурении на нефть и газ, поисках и разведке месторождений твёрдых полезных ископаемых, геолого-съёмочных и картировочных работах, гидрогеологических, инженерно-геологических и геохимических исследованиях.

При колонковом бурении очистка забоя осуществляется c помощью бурового насоса или компрессора путём нагнетания через колонну бурильных труб воды, глинистого раствора, эмульсии, полимерных жидкостей, пены, аэрированного раствора или сжатого воздуха. Керн из скважины извлекается путём подъёма колонны бурильных труб, съёмными керноприёмниками или путём непрерывной транспортировки керна через двойную или одинарную колонну труб обратным потоком промывочной жидкости в процессе бурения (см. гидротранспорт керна рис.5). Перед началом подъема, после заполнения колонковой трубы керном, керн должен быть крепко заклинен в нижней части колонкового снаряда и сорван. После извлечения колонкового набора на поверхность коронку отворачивают, извлекают керн. Инструмент вновь собирают и опускают в скважину, продолжая бурение. Диаметры применяемых коронок для геологоразведочного бурения 36 - 151 мм, для эксплуатации месторождений нефти и газа - до 305 мм. Максимальная глубина колонкового бурения достигнута при бурении Кольской сверхглубокой скважины (св. 12 км).

B зависимости от твёрдости и абразивных свойств горных пород для бурения используют буровые коронки и буровые долота колонковые. Частота вращения породоразрущающего инструмента при геологоразведочном бурении от 100 до 3000 об/мин, при эксплуатации месторождений на нефть и газ - от 60 при роторном бурении, до 800 - 900 об/мин при турбинном бурении. Kолонковым бурением проходят вертикальные, наклонные, восстающие, многозабойные скважины в породах c разнообразными физико-механическими свойствами.

Перспективно колонковое бурение, исключающее подъём бурильной колонны для извлечения керна, получает распространение плавное регулирование частоты вращения инструмента и автоматизация регулирования режимных параметров бурения.

Колонковое бурение с непрерывным выносом керна потоком промывочной жидкостиприменяется при разведке ряда месторождений полезных ископаемых. Разработано специальное оборудование для бурения скважин этим способом. Диаметр получаемого керна 34 - 38 мм. При использовании способа достигается не только существенное повышение производительности труда, но и почти 100% вынос керна. Производительность способа достигает 300 м/смену.

Основными преимуществами колонкового бурения являются: универсальность, т.е. возможность проходки скважин почти во всех разновидностях горных пород, возможность получения керна с незначительными нарушениями природного сложения грунта, сравнительно большие глубины бурения, наличие сравнительно большого парка выпускаемых промышленностью высокопроизводительных буровых станков как самоходных, так и стационарных; хорошая освоенность технологии бурения и др.

Существенными недостатками колонкового бурения с точки зрения возможности его использования на инженерных изысканиях является малый диаметр скважин, который во многих случаях не позволяет производить гидрогеологические исследования и испытания грунтов штампами, во всех породах получать 100% выход керна и качественные образцы рыхлого грунта для лабораторных исследований и т. д.

Наиболее распространенной разновидностью колонкового бурения на изысканиях является бурение всухую, т.е. без подачи в скважины воды и без расхаживания снаряда. Хотя разновидность бурения носит название «всухую», оно реализуется при наличии в скважине воды или с подливом последней.

горный бурение скважина колонковый



Рис.3. Схема общей прямой промывки скважин:

1 - емкость для бурового раствора; 2 - насос; 3 - гибкий шланг; 4 - вертлюг; 5 - ведущая труба; 6 - бурильная колонна; 7 - гидравлический двигатель; 8 - насадки долота; 9 - кольцевой канал; 10 - желоба; 11 - вибросита; 12 - отстойник; 13 - вспомогательный насос; 14 - гидроциклон; 15 - центрифуга

Рис.4. Схемы обратной промывочной скважины: а - с отсосом центробежным насосом; б - с эрлифтом; в- с отсосом эжекторным (водоструйным) насосом.

1 - вертлюг-сальник; 2 - вращатель станка; 3 - вакуумный насос: 4 - центробежный насос; 5 - рукав для подачи сжатого воздуха, 6 - двойная колонна труб; 7 - смеситель эрлифта; 3 - эжектор.



Бурение с обратной промывкой применяется при проходке скважин большого диаметра - от 150 до 1500 мм на глубину до 200-300 м в мягких и рыхлых породах (рис.4).

Бурение выполняется при непрерывном отсосе промывочной жидкости из бурильных труб с помощью эрлифта, центробежного или водоструйного насосов. Устье скважины не герметизируется и постоянно соединено каналом с отстойником, откуда вода самотеком поступает в скважину. Промывочная жидкость с разрушенной породой с забоя поступает по бурильным трубам через вертлюг-сальник в отстойник. Во избежание обвалов стенок необходимо поддерживать в скважине избыточное давление (не менее 0,03 МПа). Для этого в скважине непрерывно поддерживается уровень промывочной жидкости на 3 м выше статического уровня. Вертлюг-сальник должен иметь проходное отверстие в шпинделе, равное отверстию в бурильных трубах. Ведущая бурильная труба для ротора может быть изготовлена из бурильной трубы с приваркой уголков или швеллеров. Бурильные трубы обычно выполняются из обсадных труб с фланцами или резьбой. Достигается высокая производительность бурения, отпадает надобность в обсадке скважины для крепления стенок, исключается глинизация стенок, обеспечивается надежное устройство гравийных обсыпок прифильтровой зоны.

Возможность качественного опробования и каптажа из водоносных пластов обеспечивают способы бурения: с продувкой воздухом и газожидкостными смесями, в том числе с применением пневмоударников; шнековый способ и ударно-канатное бурение.



Рис. 5. Принципиальная схема колонкового бурения с гидротранспортом керна:

1 - породоразрушающий инструмент; 2 - бурильные трубы; 3 - обсадные трубы (кондуктор); 4 - транспортируемый керн; 5 - нагнетательный шланг; 6 - насос; 7 - буровая установка; 8 - вращатель; 9 - отводной шланг; 10 - всасывающий шланг; 11 - керноприемное устройство с емкостью для промывочной жидкости

Бурение с гидротранспортом керна и разрушенной породы (рис.5) позволяет в несколько раз увеличить механическую скорость проходки. Способ рекомендуется для проходки поисковых, разведочных и наблюдательных скважин на глубину до 200-300 м в породах до VII категории при диаметре скважин до 150-200 мм. Промывочная жидкость поступает к забою через специальный вертлюг-сальник и кольцевой зазор между внутренней и наружной бурильными трубами специальной двойной бурильной колонны. У забоя скважины она поступает в центральную внутреннюю колонну, захватывая выбуренные керн и шлам. Обратно жидкость с выбуренной породой или керном поднимается по центральному каналу бурильной трубы и по плавному отводу от вертлюга в шламо- и керноприемное устройство. Комплекс технических средств КГК-100 применяют для бурения пород VI-VIIкатегорий по буримости с пропластками пород до VI-VIIкатегорий. Применение непрерывного транспортирования выбуренного материала позволяет бурить скважину без извлечения из нее снаряда до полного износа породоразрушающего инструмента, что сокращает время проведения спускоподъемных операций и повышает производительность бурения. Выход керна составляет, как правило, 100%. Способ обеспечивает высокое качество геологического опробования по керну и шламу, однако могут возникнуть трудности в оценке гидрогеологических параметров скважины в целом. Требуется применение специального оборудования и инструмента: высокостойких буровых коронок, призабойного кернолома, двойных бурильных труб, тройного вертлюга-сальника, установки для приемки и складирования кернового материала. Применяется промывочный насос повышенной мощности, так как от его производительности и давления зависят возможные глубина скважины и ее диаметр.

Способ бурения колонковый со съемным керноприемником.

Одним из основных направлений повышения эффективности разведочного бурения является внедрение бурения скважин с отбором керна и его транспортировкой на дневную поверхность в съемных керноприемниках (рис.6). Этот метод бурения и отбора керновых проб имеет несомненное преимущество, когда длина рейсов, определяемая техническими и геологическими факторами, значительно меньше, чем стойкость породоразрушающих инструментов. Особенно эффективно бурение с отбором керна съемным керноприемником с использованием алмазных коронок, обеспечивающих значительные рейсовые проходки за один спуск бурового снаряда, так как количество спускоподъемных операций значительно уменьшается. Применять съемные керноприемники наиболее эффективно при глубине скважин не менее 200 м.

Скважины снарядами со съемными керноприемниками бурят теми же установками, которые применяются для обычного алмазного бурения, но при этом следует применять насосы с коробками передач (НБ3-20/40, НБ4-320/63), обеспечивая при малых расходах подачу жидкости со значительным давлением.

Для извлечения из скважины съемных керноприемников используют специальные лебедки Л5 с индивидуальным приводом от электродвигателя мощностью 5,5 кВт.

Основными отличиями бурения комплексом снарядов со съемным керноприемником от традиционного способа колонкового вращательного бурения являются:

- проведение спускоподъемных операций преимущественно с использованием съемного керноприемника с ловителем на канате;

- отбор керна по вмещающим породам и полезному ископаемому колонковым снарядом являющимся разновидностью двойной колонковой трубы.

Этот способ повышает качество разведочных работ за счет получения оперативных данных о геологическом строении, повышении выхода керна и его качества. Это объясняется тем, что большинство съемных керноприемников имеют невращающуюся керноприемную трубу, предохраняющую отбираемую пробу от разрушения. В связи со значительным уменьшением времени на вспомогательные операции при бурении набором со съемным керноприемником соответственно увеличивается время чистого бурения.

Съемные керноприемники применяют при бурении мягких и средней твердости пород. Эффективно их применение и в твердых трещиноватых породах, в которых длина рейса может ограничиваться несколькими сантиметрами.

В очень твердых монолитных породах, в которых стойкость коронки невелика, применение съемных керноприемников нецелесообразно.



Рис.6. Керноприемный (колонковый) снаряд со съемным керноприемником:1 - головка; 2 - узел блокирования и извлечения; 3 - защелки; 4 - манжета; 5 - сигнализатор заклинивания керна; 6 - узел подвески; 7 - керноприемная труба; 8 - кернорватель

Медленновращательное бурение.

Сущность его состоит в том, что скважина углубляется инструментом режущего типа путем срезания с забоя сплошной стружки. При проходке скважины этим способом используются обычные, большей частью самоходные станки для колонкового бурения, а в качестве породоразрушающего инструмента - ложковые и спиральные буры, т. е. инструмент для ручного вращательного бурения. Качественная геологическая документация при этом способе бурения затруднена. Способ бурения отличается простотой технологии.

Шнековое бурение является разновидностью вращательного бурения. Особенность способа состоит в том, что процессы углубления скважины и удаления продуктов разрушения шнековым транспортом в нем совмещены. Преимуществами шнекового способа являются высокая механическая скорость бурения, незначительные затраты времени на монтажно-демонтажные работы и вспомогательные операции, сравнительный большой диаметр скважин; отсутствие потребности в воде для промывки. Недостатками являются большой расход мощности и ограниченная область применения, трудность проведения качественной геологической документации.

Винтовое бурение (или бурение завинчиванием) на изысканиях применяются редко. Сущность его состоит в том, что винтовой породоразрушающий инструмент завинчивается в грунт, а затем извлекается на поверхность. При этом размещенный на лопастях инструмента грунт срезается по боковым поверхностям. Способ может использоваться только в весьма рыхлых и мягких грунтах (типа илов, сапропелей и т. д.)

Грейферное бурение является сравнительно новым способом проходки скважин в отечественной практике. Он разработан для бурения скважин при разведке россыпных месторождений в сложных геологических условиях. Этот способ представляет собой разновидность ударно-канатного (либо ударно-штангового) бурения. Его используют при проходке скважин сравнительно большого диаметра в валунно-галечниковых отложениях. В качестве породоразрушающего инструмента при грейферном бурении применяют грейферы различных конструкций.

Вибрационное (ударно-вибрационное) бурение относится к числу наиболее производительных способов проходки скважин на инженерных изысканиях (до 50 - 70 м/смену). Сущность его состоит в том, что, помимо вертикального статического усилия от вибропогружателя, как правило, располагающегося на поверхности, и бурового снаряда, по инструменту наносят удары высокой частоты либо сообщается ему возвратно-поступательное движение. Вибрационное бурение обеспечивает проведение качественной геологической документации исследуемого разреза. Недостатками вибрационного бурения являются ограниченная область применения по глубине скважин и крепости проходимых пород, низкий процент чистого бурения (не более 25%), трудоемкость очистки буровых зондов.

В настоящее время в качестве вибропогружателя в большинстве случаев используется беспружинный вибромолот.

При инженерных изысканиях вибропогружатели могут быть рекомендованы для бурения неглубоких (преимущественно до 15 - 20м) скважин в мягких и рыхлых породах, для погружения труб в процессе бурения скважин, извлечения труб, ликвидации аварий, связанных с прихватом, заклиниванием или зажимом инструмента на забое. Кроме того, буровые установки, оснащенные вибропогружателями, могут быть использованы для проведения ударно-вибрационного зондирования грунтов.

Бурение электромагнитными устройствами индукционно-динамического типа относятся к числу новых способов бурения скважин. Сущность его сводится к тому, что инструмент погружается в грунт с помощью импульсов, сообщаемых ему индукционно-динамическим приводом, размещенным непосредственно над инструментом. Реактивное усилие при этом воспринимается инертной массой, расположенной над приводом. Бурение этим способом ведется снарядом с забойным двигателем. Снаряд спускается в скважину и извлекается из него кабель-канатом. В принципе возможна параллельная намотка кабеля и каната на автономные лебедки.

Пневмоударное бурение осуществляется с помощью погружных разведочных пневмоударников или погружных пневмопробойнков (в последнем случае только в мягких породах). При инженерно-геологических изысканиях используются в основном погружные пневмопробойники. Сущность способа состоит в том, что породоразрушающий инструмент погружается в скважину с помощью размещенного над ним погружного пневмопробойника. Сжатый воздух к пневмопробойнику подается по бурильным трубам (через сальник) или по шлангу. По производительности пневмоударное бурение не уступает вибрационному и обеспечивает высокое качество получаемой информации о грунтах.

Гидроударное бурение может осуществляться погружными гидроударниками (с вращением) в скальных породах и погружными гидровозбудителями (без вращения) в мягких породах. Последний способ принципиально не отличается от бурения погружными пневмопробойниками. Вибровозбудители с гидравлическим приводом работают в ударно-вибрационном режиме. Бурение осуществляется как с вращением, так и без вращения инструмента. При этом обеспечивается достаточно высокая механическая скорость бурения. Недостатком способа с точки зрения возможности использования его при инженерно-геологических изысканиях является необходимость иметь на буровой установке насос и достаточное количество воды.

Вибрационно-вращательное бурение также является одним из прогрессивных способов бурения инженерно-геологических скважин, потому что породоразрушающему инструменту помимо ударных импульсов одновременно сообщается вращательное движение. Основное преимущество вибрационно-вращательного бурения состоит в том, что оно, сохраняя все положительные качества вибрационного бурения, существенно расширяет его область применения как по глубине скважин, так и особенно по крепости проходимых грунтов. Если область применения вибрационного бурения ограничивается породами I - IV категорий по буримости, то с помощью вибрационно-вращательного бурения могут проходиться скважины в породах V - VI категорий по буримости.

Вибрационно-вращательное бурение с выносом керна потоком воздуха или промывочной жидкости в России распространения не получило, однако оно достаточно успешно применяется в зарубежной практике.



3.3 Выбор технологического режима бурения

Под режимом бурения понимается совокупность параметров, определяющих эффективность процесса разрушения пород тем или иным способом. Для равных способов бурения эти параметры различны. При вращательном способе бурения к параметрам относятся: скорость вращения бурового снаряда (м/с) или число оборотов (об/мин); усилие подачи или осевая нагрузка (кгс) или удельная нагрузка на породоразрушающий инструмент (кгс/см² или кгс на один резец); объемный расход очистного агента - жидкости или воздуха (л/мин, м³/с). Параметры ударно-вращательного способа характеризуются числом оборотов бурового снаряда (об/мин), усилием подачи (кгс), частотой ударов (удар/мин), силой удара (кгс) или энергией удара (кгс-м) и интенсивностью удаления продуктов разрушения (л/мин, м³/с). Параметры, определяющие технологический режим бурения, тесно связаны между собой, и эффективность действия каждого из них будет зависеть от значения других. При подборе параметров бурения учитываются физико-механические свойства горных пород, качество породоразрушающего инструмента, технические возможности применяемого оборудования. С учетом всех этих данных технологический режим бурения может быть: оптимальным, рациональным и специальным.

Оптимальный режим бурения характеризуется наиболее благоприятным сочетанием параметров, подобранных, исходя из использования новейших достижений науки и техники. При бурении на оптимальных режимах должна достигаться механическая скорость, имеющая максимальные значения для данного способа бурения в определенных породах.

Рациональный режим бурения определяется сочетанием параметров, которые можно применять в данных конкретных геолого-технических условиях бурения, с учетом имеющихся в наличии технических средств. Рациональный режим бурения должен обеспечивать наиболее высокие показатели - производительность труда, качество и экономическая эффективность в конкретных условиях.

Специальный режимбурения определяется необходимостью получения наиболее качественных показателей, даже в ущерб количественным. К таким режимам прибегают при необходимости повысить выход или качество керна, уменьшить или увеличить искривление скважины при направленном и многозабойном бурении.



Глава 4. Процесс и технология бурения скважин различными способами

Технология бурения скважин - это способ, последовательность и режим выполнения процессов и операций, связанных непосредственно с углублением скважины. Технология бурения должна обеспечивать высокую производительность при минимальной вероятности аварий и наибольшем экономическом эффекте.

Бурение скважины осуществляется в следующей последовательности. При помощи лебедки в скважину опускают буровой снаряд, собираемый из коронки, колонковой трубы, переходника, колонны бурильных труб, длина которой увеличивается по мере углубления скважины. Верхняя ведущая труба пропускается через шпиндель вращателя бурового станка и зажимается в патронах. Наверх ее навинчивается вертлюг-сальник, соединенный нагнетательным шлангом с буровым насосом. Путем вращения и промывки доводят коронку до забоя и начинают бурение. В зависимости от физико-механических свойств проходимых пород буровому инструменту сообщают необходимую частоту вращения, создают с помощью регулятора подачи осевую нагрузку. Вращаясь и внедряясь в породу, коронка выбуривает кольцевой забой, формируя керн. По мере углубления керн заполняет колонковую трубу.

Промывочная жидкость через всасывающий шланг засасывается насосом из приемного бака и нагнетается к забою скважины через нагнетательный шланг, буровой вертлюг-сальник и колонну бурильных труб. Из скважины жидкость направляется в отстойник и желоба, где частицы пород осаждаются, и очищенная жидкость попадает в приемный бак, откуда вновь нагнетается в скважину.

При бурении по устойчивым породам применяют чистую воду, а недостаточно устойчивым - глинистый или другой раствор, укрепляющий малоустойчивые стенки скважины. При бурении безводных скважин, а также мерзлых пород применяют продувку забоя сжатым воздухом. При алмазном бурении применяют слабые растворы эмульсий, снижающие силы трения колонны бурильных труб о стенки скважины и уменьшающие вибрацию бурильной колонны.

После заполнения колонковой трубы керном приступают к подъему инструмента на поверхность. Перед началом керн должен быть крепко заклинен в нижней части колонкового снаряда и сорван. После заклинивания керна насос выключают и буровой снаряд при помощи лебедки, талевого каната, кронблока, талевого блока с крюком и элеватором поднимают на поверхность, развинчивая колонну бурильных труб на отдельные свечи. После извлечения колонкового набора на поверхность коронку отворачивают, извлекая керн. Инструмент вновь собирают и опускают в скважину, продолжая бурение.

Керн промывают, замеряют его длину и укладывают в специальные ящики, отмечая глубину с которой поднят керн, и процент извлечения керна

4.1 Колонковое бурение твердосплавным породоразрушающим инструментом

Твердыми сплавами бурят осадочные, а также некоторые метаморфические и изверженные породы, относящиеся к I-VIкатегориям по буримости. Кроме того, твердосплавными коронками бурят бескварцевые породы VIII-IXкатегорий.

При бурении с промывкой водой или глинистым раствором основными факторами технологического режима бурения твердосплавным породоразрушающим инструментом являются: осевая нагрузка, частота вращения инструмента, количество подаваемой на забой промывочной жидкости, величина рейса.

Подача промывочной жидкости определяется в зависимости из скорости восходящего потока V = 0,25 - 0,6 м/с и диаметра скважины. Чем выше скорость бурения, тем больше скорость восходящего потока. В трещиноватых и абразивных породах необходимо уменьшать частоту вращения твердосплавной коронки и осевую нагрузку.

Максимальное значение осевой нагрузки определяется характером пород и прочностными качествами применяемого инструмента. Осевая нагрузка с увеличением твердости пород должна увеличиваться. При бурении трещиноватых пород осевую нагрузку рекомендуется снижать по сравнению с указанными в таблицах на 30 - 50%. При использовании УБТ осевую нагрузку можно доводить до 18 - 20 кН.

При выборе частоты вращения инструмента во всех случаях следует стремиться к возможно большему значению этого параметра. С увеличением осевой нагрузки частота вращения снаряда должна снижаться. Повышенные требования к качеству отбираемого керна также обусловливают необходимость снижения частоты вращения снаряда.

Количество, подаваемой в скважину жидкости должно быть достаточным для эффективного выноса продуктов разрушения с забоя. Практически при бурении с промывкой расход жидкости следует определять из расчета 10 - 20 л/мин на 1 см диаметра коронки или, исходя из скорости восходящего потока, не менее 0,5 м/сек. Чем больше плотность применяемого глинистого раствора, тем расход его может быть меньше.

При бурении инженерно-геологических скважин используют как техническую воду, так и глинистый раствор. Рыхлые и мягкие породы на изысканиях бурить с промывкой не рекомендуется. Если промывка все же используется, количество подаваемой в скважину жидкости должно быть минимальным. Целесообразно также использовать двойные колонковые трубы. Заклинивание керна следует производить только затиркой всухую.

Величина рейса при бурении твердосплавным инструментом на изысканиях не должна превышать: в мягких и рыхлых породах - 0,5 - 1 м, в скальных породах - 0,8 - 2 м.

При бурении песчаных, глинистых, полускальных и мерзлых пород (I - VI категории) с очисткой забоя сжатым воздухом следует использовать ребристые твердосплавные коронки, обеспечивающие свободный выход воздуха из-под торца (рис.20).

Диаметр бурильных труб следует брать таким, чтобы отношение площадей сечений кольцевого пространства скважины и канала в бурильных трубах приближалось к единице. Необходимо избегать ступенчатого ствола скважины, так как в местах его расширения уменьшается скорость восходящего потока и накапливается шлам. Скорость восходящего потока воздуха в кольцевом зазоре между стенками скважины и колонной штанг должна быть в пределах 8 - 12 м/сек. Осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент примерно та же, что и при бурении с промывкой. Частоту вращения снаряда поддерживают в пределах 120 - 280 об/мин.

Для бурения скважин с продувкой необходимо применять передвижные компрессоры с подачей воздуха до 10 м³/ мин и давлением до 0,8 - 1 МПа.

Колонковое бурение всухую достаточно широко распространено на изысканиях. Обычно оно ведется укороченными рейсами (длина рейса не превышает 0,8 - 1,5 м). Параметры режима бурения устанавливают следующие: частота вращения инструмента 80 - 150 об/мин, осевая нагрузка на забой 3 - 6 кН.

Заклинивание керна производят путем затирки, для чего необходимо последние 0,05 - 0,1 м рейса пройти сповышенной осевой нагрузкой на забой. Бурение всухую целесообразно использовать только при проходке обводненных грунтов I - III категорий по буримости. Механическая скорость колонкового бурения всухую в зависимости от грунтов колеблется от 0,05 до 0,5 м/мин; производительность обычно не превышает 20 м/смену. Для получения качественного керна величину рейса следует устанавливать в пределах 0,5 - 0,7 м. В слабых грунтах бурить обуривающими грунтоносами. При бурении плотных слабообводненных глинистых грунтов в скважину допускается подливать небольшое количество воды.

Для сокращения затрат времени на извлечение керна при бурении всухую в песчано-глинистых породах и повышения качества керна используется метод выдавливания с помощью сжатого воздуха. Во фрезерном переходнике колонковой трубы сверлится отверстие и нарезается резьба под штуцер. Подача воздуха осуществляется по шлангу.

4.2 Колонковое бурение алмазным породоразрушающим инструментом

Алмазными коронками бурят породы VII - XIIкатегорий по буримости, а на больших глубинах и породы V - VIIкатегорий.

Aлмазное бурение применяют обычно в специальных условиях, характеризующихся низкой механической скоростью, для бурения скважин малого диаметра и при использовании высокооборотных забойных двигателей.Bcepедине 1970-x гг. объём алмазного бурения составлял 1% (в pайонах активного бурения 10%) общего объёма бурения в мире (в Pоссии 3, 9%).

При бурении в крепких породах между коронкой и колонковой трубой необходимо включать калибровочный алмазный расширитель. Для борьбы с искривлением скважины рекомендуется ставить второй алмазный расширитель между колонковой трубой и переходником. Прежде чем опускать в скважину новую коронку, необходимо проработать забой скважины крестовым долотом, чтобы разрушить оставшийся керн.