Вопрос 3

Способы бурения скважин

Существует различные способы бурения скважин (механический, гидравлический, электрический, огневой, лазерный и др.) и их комбинации. На практике применяется:

механический вращательный

механический ударный способы бурения, а также их виды и разновидности.

Остальные способы применяются крайне редко или находятся на стадии экспериментальных и теоретических разработок.

Виды и разновидности механического бурения могут применятся для сооружения скважин различного целевого назначения. Вращательное бурение более универсально по сравнению с ударным и вибрационным, но в некоторых ситуациях (бурение валунно-галечных отложений, отсутствие или быстрое замерзание воды и т.п.) оказывается менее эффективным.

Варианты комбинирования видов и разновидностей бурения, их сущность, достоинства, недостатки и области применения приведены табл. 4.2.

Названия видов бурения происходят от названия основного рабочего механизма бурового станка. Например, роторный вращатель - вращательное роторное бурение; шпиндельный вращатель - вращательное шпиндельное (колонковое) бурение; подвижный вращатель - бурение подвижным вращателем; ударный механизм - ударно канатное бурение; вибратор - вибрационное бурение.

Изменение названия шпиндельного бурения на колонковое подчеркивает значимость керна при бурении разведочных скважин.

В буровой литературе полные названия комбинаций бурения не применяются из-за громоздкости. Например, вращательное колонковое гидроударное бурение горизонтальных скважин из подземной горной выработки твердосплавными коронками с прямой промывкой одинарными колонковыми трубами называют коротко "вращательное колонковое бурение" или просто "колонковое бурение", или "гидроударное бурение" или «горизонтальное бурение» и т.п. Каждое название подчеркивает повышенное значение той составляющей, которая для рассматриваемой ситуации является наиболее важной или на которую автор желает обратить особое внимание.

Таблица 4.2. Допустимые комбинации видов и разновидностей бурения и условия их применения

Условные обозначения.

I - колонковое (шпиндельное), II - роторное, Ш - подвижным вращателем, IV - ударно-канатное, V - вибрационное, VI - колтюбинг.

Lскв - глубина скважины,

Кбур - категория пород по буримости

Густ. - группа пород по устойчивости

Гтр - группа пород по трещиноватости

ОА - очистной агент

ССК, КССК - снаряд со съемным керноприемником

КГК - комплекс гидровыноса керна

* -применяется при Тзаб<> °С<140 и ρбур.раст=950÷1700 кг/м³

Классификация способов бурения скважин

По принципам разрушения горной породы бурение скважин может осуществляться следующими способами, принципиально отличающимися по своей физической природе.

1. Механическое бурение, или бурение скважин породоразрушающими инструментами, при котором горная порода разрушается в результате механического воздействия породоразрушающего инструмента на породу забоя.

Достоинства механического бурения: 1) возможность отбора натуральных образцов пород для составления геологического разреза и их всестороннего изучения; 2) благоприятные условия для вскрытия и исследования водоносных и нефтегазоносных горизонтов; 3) возможность бурения скважин в заданном направлении.

В связи с указанными достоинствами механическое бурение породоразрушающими инструментами получило повсеместное практические применение.

Недостатки механического бурения: 1) износ рабочих элементов породоразрушающих инструментов, приводящий к необходимости его замены; этот недостаток привел к поиску других физических «бездолотных» способов разрушения горных пород при бурении; 2) низкий коэффициент использования энергии, уменьшающийся с увеличением глубины скважины, если двигатель расположен на поверхности земли; этот недостаток привел к созданию забойных двигателей (турбо- и электробуров), у которых двигатель установлен в скважине над породоразрушающим инструментом.

Механическое бурение породоразрушающими инструментами имеет много разновидностей. Их появление и развитие обусловлены теми задачами, которые ставились перед бурением скважин в данных геолого-технических условиях.

2. Гидродинамическое бурение, при котором разрушение горной породы осуществляется высоконапорной струей жидкости путем разрушения или растворения породы забоя. Известны две разновидности гидродинамического бурения:

а) струя полностью разрушает забой и формирует ствол скважины. При этом для разрушения пород давление струи должно составлять от 20 до 200 МПа в зависимости от крепости породы. Способность струи разрушать породу возрастает при эрозионном и гидромоторном бурении, когда в водяную струю вводят абразивный материал (стальную дробь, кварцевый песок) в концентрации от 5 до 15 % по объему;

б) водяная струя частично разрушает и размягчает породу забоя, ствол скважины формируется долотом, имеющим гидромониторные насадки, увеличивающие скорость вылета струи. Эта разновидность получила практическое применение при бескерновом бурении гидромоторными долотами в мягких и рыхлых породах.

3. Термическое, огневое или огнеструйное бурение, при котором разрушение горной породы происходит путем высокотемпературного теплового воздействия на породу. Высокая температура (около 2300 °С) создается при сгорании струи керосина в струе кислорода, вылетающих из сопел огнеструйной горелки, опускаемой в скважину на трубах. Горелка охлаждается водой.

Свободному расширению нагретых участков породы забоя препятствует противодействие ненагретых ее участков. Поэтому в породе возникают термические напряжения, вызывающие отслаивание от массива чешуек породы, которые выносятся отработанными газами и паром из зоны действия горелки вверх. Отсос из скважины газов и пара осуществляется вентилятором. Огневое бурение применяют для бурения взрывных скважин. Станки для огневого бурения проходят скважины диаметром от 160 до 250 мм на глубину от 8 до 50 м. Производительность огневого бурения в кварцитах составляет около 30 м/смену вместо 3-3,5 м/смену станками ударно-канатного бурения. При геологоразведочных работах термическое бурение не применяют.

4. Термомеханическое бурение предусматривает ослабление прочности пород местного нагрева с последующим разрушением их обычным инструментом вращательного бурения.

5. Электротермическое бурение применяется в условиях Антарктиды для расплавления льда электронагревателями. Электротермобур приспособлен для бурения скважины во льду глубиной до 1000 м и диаметром до 300 мм с получением выхода керна льда до 100 %. Мощность нагревателя до 8 кВт. Снаряд имеет насос для откачки воды, образующейся при расплавлении льда.

6. Взрывное бурение разработано А.П. Островским. При взрывном бурении разрушение горной породы забоя осуществляется под действием направленного взрыва. При импульсном взрывном бурении ампулы из пластмассы, заполненные компонентами взрывчатого вещества, через равные промежутки времени подаются к забою по трубам в потоке нагнетаемой промывочной жидкости.

При ударе о забой срабатывает взрыватель и ампула взрывается. Разрушенная в результате взрыва порода выносится струей промывочной жидкости с забоя на поверхность.

Взрывным бурением пробурена скважина глубиной до 2800 м в осадочных породах с подачей зарядов 300 шт/ч. Вследствие гидростатического давления, создаваемого столбом жидкости на забой скважины, эффективность единичного взрыва уменьшается с глубиной. Взрывное бурение еще находится в стадии экспериментов и широкого практического применения не получило.

7. Электрофизические способы бурения объединяют группу методов, в основе которых лежит применение электрического тока для прямого разрушения горных пород. К ним относятся:

а) электрогидравлический эффект, открытый Л.А. Юткиным, - явление, заключающееся в создании импульсного высоковольтного разряда (искры) в воде; электрическая искра имеет определенный объем; она возникает мгновенно и с большой силой раздвигает жидкость, вызывая гидравличе-

ский удар, который разрушает породу;

б) электроимпульсный метод, разработанный проф. А.А. Воробьевым. При этом методе скважина заполняется жидкостью (например, трансформаторным маслом), электрическое сопротивление которой превышает электрическое сопротивление породы. К забою плотно прижимают два электрода и подают ток высокого напряжения. Ток проходит через породу. Электрический пробой сопровождается эффективным разрушением породы.

Были предложены и другие физические способы разрушения горных пород для бурения скважин (ультразвуковой, плазменный, лазерный), но все эти способы не вышли из стадии экспериментов.

Классификация различных способов бурения скважин приведена на рис. 1.

Рис.1. Классификация способов бурения