6. Геотехнические методы
6.1. Бурение скважин
Бурение – процесс сооружения горной выработки цилиндрической формы – скважины, шпура или шахтного ствола – путём разрушения горных пород на забое вручную или с использованием специальных технических средств (буровых установок, инструментов и оборудования) [3]. Как правило, бурение осуществляется в земной коре, реже в искусственных материалах (бетоне, асфальте и др.).
Осуществляется способами, принципиально отличающимися по своей физической природе разрушения горных пород: механическими, физическими и химическими. По характеру разрушения породы, применяемые способы бурения делятся на: механические – буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая её (породоразрушающий инструмент – коронки, долота, желонки, змеевики; дробовое, вибраторное и гидромониторное бурение и т. д.), и немеханические – разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на неё (термическое, взрывное, химическое, плазменное и др.).
Бурение развивалось и специализировалось применительно к трём основным областям техники: наиболее глубокие скважины (несколько км) бурятся на нефть и газ, менее глубокие (сотни м) для поисков и разведки твёрдых полезных ископаемых, скважины и шпуры глубиной от нескольких м до десятков м бурят для размещения зарядов взрывчатых веществ (главным образом в горном деле и строительстве). Область применения бурения многогранна: поиски и разведка полезных ископаемых; изучение свойств горных пород; добыча жидких, газообразных и твёрдых (при выщелачивании и выплавлении) полезных ископаемых через эксплуатационные скважины; производство взрывных работ; выемка твёрдых полезных ископаемых; искусственное закрепление горных пород (замораживание, битумизация, цементация и др.); осушение обводнённых месторождений полезных ископаемых и заболоченных районов; вскрытие месторождений; прокладка подземных коммуникаций: сооружение свайных фундаментов и др.
6.2. Понятие о буровой скважине и ее элементах.
Скважиной называют горную выработку круглого сечения, сооружаемую без доступа человека к забою, у которой длина во много раз больше диаметра.
Э
Рис.
6.1. Элементы буровой скважины. 1
– устье; 2 – забой сплошной;
3
– стенки; 4 – обсадные колонны; 5 –
ствол скважины, не обсаженный трубами;
5а
– ствол скважины, обсаженный трубами;
6 – ось скважины; 7 – керн (колонка
породы); 8 – забой кольцевой; D1,
D2
, D3
– диаметры
интервалов скважины; d1н,
d1в,
d2н,
d2в
–
диаметры
обсадных труб наружные (н) и внутренние
(в);
dК
–
диаметр керна;
L1,
L2
– глубины обсаженных интервалов
скважины;
L3
– общая
глубина скважины
Устье скважины 1 – начало скважины т. е. место пересечения ее с земной поверхностью или при подземном бурении с поверхностью горной выработки. Забой скважины 2 – дно буровой скважины, перемещающееся в результате воздействия породоразрушающего инструмента на породу. Стенки скажины 3 – боковые поверхности буровой скважины. Обсадные колонны 4 – колонны обсадных труб, соединенных между собой, и предназначенные для крепления неустойчивых стенок скважины. Ствол скважины 5 и 5а (обсадной колонной) – пространство ограниченное стенками. Ось скважины 6 – воображаемая линия, соединяющая центры поперечных сечений буровой скважины.
По характеру разрушения горной породы различают следующие виды забоев (рис. 6.2): сплошной, кольцевой и ступенчатый.
Сплошной
Кольцевой
Ступенчатый
Рис.
6.2. Виды забоев при проходке скважин.
Первый способ, называется бескерновым и разрушает породу по всей площади забоя. Широко применяется при бурении эксплуатационных и технических скважин. Второй способ называется колонковым и разрушает породу по кольцу с образованием в центре скважины ненарушенного столбика (колонки) породы – керна. Применяется при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. Легче всего разрушаются породы со ступенчатым забоем.