Лекція № 11 Загальні відомості про буріння розвідувальних свердловин. Кріплення і промивання свердловин
Гірнича виробка – це порожній простір, який утворюється штучним шляхом у товщі корисних копалин або пустих порід для розвідки та розробки родовищ корисних копалин.
Бурова свердловина – гірнича виробка циліндричної (або циліндрично-ступінчастої) форми, яка має значно більшу глибину порівняно з невеликим поперечним перерізом. До елементів свердловини (рис. 11.1) належать: устя – початок свердловини, яке може виходити на земну поверхню, або в будь-яку підземну виробку (залежно від цього розрізняють наземне – з поверхні землі та підземне – з підземної виробки буріння); вибій свердловини – нижній кінець виробки, що переміщується в процесі буріння; стінки – бічна циліндрична поверхня свердловини.
Рисунок 11.1 – Елементи й параметри свердловини:
1 – устя; 2 – стінка; 3 – вибій; 4 – обсадні труби; h1, h2, h3 – інтервали (окремі ділянки); 5 – стовбур; Н – глибина свердловини; діаметри: d1 – початковий, d2 – проміжний, d3 – кінцевий
До параметрів свердловини належать її глибина, діаметр стовбура, зенітні та азимутальні кути (рис. 11.1). Глибина свердловини – відстань від устя до вибою по осі свердловини. Діаметри свердловини: початковий, проміжний, кінцевий. Початковий – діаметр, яким забурюється свердловина; кінцевий – яким свердловина закінчується. Діаметри свердловин змінюються від 26 до 1500 мм і більше, а при бурінні стовбурів шахт досягають 5-6 м.
Класифікація свердловин за призначенням:
1) розвідувальні свердловини, за допомогою яких здійснюються пошуки та розвідка родовищ корисних копалин;
2) інженерно-геологічні свердловини – для вивчення фізико-механічних властивостей гірських порід з метою забезпечення проектування інженерних споруд. До них належать і зондувальні свердловини, що проходяться на початкових стадіях проектування для попереднього вивчення геологічного розрізу;
3) гідрогеологічні свердловини – для вивчення режиму та якості підземних вод;
4) експлуатаційні свердловини – для добування рідких (вода, розсоли, нафта) й газоподібних (горючий газ, гелій) корисних копалин;
5) водопонижувальні свердловини – для зниження рівня підземних вод, що полегшує проходку поверхневих та підземних виробок;
6) сейсморозвідувальні свердловини – для проведення геофізичних досліджень;
7) геотехнологічні свердловини – для експлуатації твердих корисних копалин за методом вилуговування й розчинення;
8) допоміжні й технічні свердловини – заморожування пливунів, вентиляція підземних виробок, спорудження буронабивних паль, будівництво ліній електропередачі тощо.
Класифікація способів буріння розвідувальних свердловин. В основу класифікації покладено різні принципи: спосіб руйнування порід, форма вибою, характер використання енергії або конструкція приводу, призначення свердловини тощо. Найпоширенішим є розподіл способів буріння за певними ознаками: колонкове буріння – за формою вибою; роторне – за конструкцією обертального пристрою; шнекове – за способом транспортування продуктів зруйнування; ударне – за способом зруйнування порід; ручне буріння – за видом енергії тощо. Таке визначення способів буріння за сучасних умов не розкриває їхньої суті й значною мірою є штучним. Справді, при колонковому бурінні руйнування порід може відбуватися не тільки кільцевим вибоєм, а й суцільним, як і при роторному, шнековому тощо. С.С. Сулакшин запропонував термінологію сучасних способів буріння свердловин, яка базується передусім на способах руйнування гірських порід (механічний, фізичний, хімічний тощо) і уточнюється додатковими визначеннями – назвою, видом енергії або конструкцією бурового механізму, способом транспортування продуктів руйнування.
У розвідувальному бурінні широко застосовується механічний спосіб руйнування гірських порід, який, залежно від характеру дії породоруйнівного інструменту на гірську породу, поділяється на кілька видів буріння.
1. Обертальне – руйнування гірської породи на вибої свердловини відбувається шляхом різання, сколювання та стирання спеціальними буровими інструментами (долото обертального типу, алмазні, твердосплавні та дробові коронки тощо). Цей вид буріння залежно від способу руйнування вибою поділяється на: а) буріння суцільним вибоєм (безкернове); б) буріння кільцевим вибоєм (колонкове). Широко використовується при пошуках та розвідці корисних копалин. У першому випадку породоруйнівним інструментом – долотом – руйнується порода по всьому вибою, в другому – вибурюється лише кільцевий вибій, а в центрі свердловини залишається незруйнована колонка породи, яка називається керном. Керн використовується в геології для вивчення структури та речовинного складу породи.
Обертальне буріння поділяється на буріння з двигуном на поверхні, від якого буровому інструментові передається обертання бурильними трубами, та на буріння з вибійним двигуном, при опусканні останнього в свердловину на бурильних трубах безпосередньо за буровим інструментом. Вибійними двигунами слугують турбобур, електробур, гідровібратор тощо.
Якщо обертання передається колоні бурильних труб від двигуна через особливий механізм – ротор, розташований над устям свердловини, такий вид буріння називається роторним.
При колонковому бурінні для руйнування порід в основному застосовують алмази й тверді сплави, які запресовуються в коронку, й дріб, що засипається на вибій під коронку; тому розрізняють буріння алмазне, твердосплавне, дробове.
При обертальному бурінні зруйнована порода (шлам) виноситься із вибою свердловини на поверхню промивальною рідиною (водою, глинистим або соляним розчином тощо) або видувається стисненим повітрям; при бурінні шнеком – по його витках; при бурінні ложкою або змійовиком – піднімається із свердловини разом з інструментом. При колонковому бурінні іноді значна частина подрібненої породи надходить на поверхню в шламових трубах.
Шнекове буріння є різновидом обертального буріння, коли порода руйнується спеціальним різцем, який під дією осьового тиску заглиблюється в породу, а під дією обертального зусилля, що виникає під час безперервного обертання, зрізає породу у вибої свердловини. Утворений при цьому шлам безперервно виходить із свердловини по витках шнека, що обертається.
2. Ударно-канатне – гірська порода руйнується за допомогою ударів по вибою спеціальним буровим інструментом (долото ударного типу, бурові стакани).
Буровий інструмент опускається в свердловину й приводиться в дію сталевим канатом. Зруйнована порода (шлам) видаляється із свердловини на поверхню желонками. різної конструкції. Коли проходяться м’які породи, желонка використовується як породоруйнівний інструмент.
3. Ударно-обертальне – руйнування гірської породи відбувається за рахунок одночасної ударно-обертальної дії породоруйнівного інструменту – гідро- або пневмоударника. Гідропневмоударник завдає частих ударів по подвійній коронці, яка армується різцями з твердих сплавів, з одночасним її обертанням.
Шлам виноситься із свердловини на поверхню водою або стисненим повітрям.
4. Вібробуріння – заглиблення вібратором (віброзанурювач, вібромолот) породоруйнівного інструменту – зонда (зонд – труба з подовжнім перерізом) в м’який грунт з великою швидкістю (0,1-2 м/хв й більше). Під дією вібрації (1250—2000 коливань на хвилину) в ґрунті виникають фізичні явища, які зменшують сили тертя і зчеплення в ньому. Досліди показали, що при вібрації грунт розріджується, внаслідок чого між буровим інструментом і стінками свердловини різко зменшується тертя. Після підйому зонда на поверхню з нього можна вибирати породу з непорушеною структурою.
За видом використаної енергії розрізняють буріння ручне та механічне. За типом корисних копалин слід розрізняти буріння твердих, розсипних, рідких і газоподібних корисних копалин.
Нові способи руйнування гірських порід. За видами енергії, яка подасться в зону роботи породоруйнівного інструменту, умовно можна поділити на термічні, підривні, гідравлічні, електрофізичні та комплексні способи руйнування.
Термічне буріння найперспективніше в дуже міцних кварцових породах. Найпрацездатнішими є реактивні пальники, які забезпечують температуру факела 2250-3000 К, а швидкість витоку розжарених газів – 1800-2200 м/с.
Для здійснення процесу вибухобуріння заряд компонентів рідкої ВР, що розміщується в пластмасовій оболонці, автоматично вводиться в нагнітальну систему бурових насосів крізь спеціальний шлюзовий пристрій. Після проходження по нагнітальній системі й колоні бурильних труб снаряд (ампула) рухається в потоці промивальної рідини й досягає вибою. При сталому процесі вся колона бурильних труб від вибою до устя заповнюється рухомими групами по 15-20 ампул. У процесі випуску ампул буровий інструмент залишається нерухомим і вибій з кожним вибухом віддаляється на певну відстань.
Дослідженнями проф. А.І. Зеленіна доведено можливість ефективного руйнування міцних гірських порід струменем води з напором (68,6-98,0)·103 кПа і надзвукової швидкості вильоту її з сопла. Для тиску 196·103 кПа глибина врізки становить в гранітах – 30 мм, у мармурах – 74 мм та у вапняках – 97 мм. Тиском 196·103 кПа можливо успішно руйнувати пісковики, вапняки та інші породи невеликої міцності. Крім безперервного гідроструменя можливе застосування й переривчастого, імпульсного струменя, що викидається з сопла окремими порціями.
Сучасні досягнення в фізиці зумовили появу серії нових методів руйнування гірських порід: лазерного, електроімпульсного, плазмового тощо.
Найперспективнішим серед них є електроімпульсний метод, при якому свердловина заповнюється (промивається) рідиною (трансформаторним маслом, дизельним паливом), електрична міцність якої перевищує електричну міцність твердого діелектрика, тобто породи. В свердловині до вибою щільно притискують два електроди й подають імпульси напруги з крутим фронтом при дуже короткому часі дії кожного імпульсу (1·10-6 с і менше). У такому випадку заряд проходить через тверде тіло. Електричний пробій супроводжується ефективним руйнуванням породи. У цьому полягає принципова різниця між електроімпульсним способом та електрогідравлічним, де розряд проходить крізь рідину. Амплітуда імпульсів досягає 250 кВ з розрядом ємкістю до 15600 пФ. Частота імпульсів – до 30 Гц. Електроімпульсний метод буріння характеризується малою енергомісткістю й відсутністю обертання бурового снаряду.
При плазмовому способі руйнування порід струмінь холодної плазми з температурою від 5000 до 50000 К спрямовується до вибою свердловини. Джерелом плазми є плазмотрон, який ще називають електродуговою плазмовою головкою. При випробуванні плазмобурів встановлено, що підвищення температури плазмового струменя на початку різко збільшує інтенсивність руйнування порід і досягає максимуму при 4300-4800 К.
Короткі відомості з історії бурових робіт. У Китаї більше як 2000 років тому вперше у світовій практиці вручну бурилися свердловини (діаметром 12-15 см і завглибшки до 900 м) для видобутку соляних розчинів. Буровий інструмент (долото й бамбукові штанги) опускали в свердловину на канатах завтовшки 1-4 см, які скручували з індійського очерету. Буріння перших свердловин на Русі відоме з IX ст. й пов’язане з видобутком розчинів солі (Стара Русса). На російських соляних промислах застосовувалось ударне штангове буріння. В рукописі «Роспись, как зачать делать новыя труба на новом месте» було узагальнено досвід бурової розвідки на сіль у другій половині XVII ст. Перші свердловини на воду пробурені в XII ст. у Франції в. провінції Артуа. Звідси свердловини з напірною водою одержали назву артезіанських.
Розвиток методів і техніки буріння в Росії починається з XIX ст. у зв’язку з необхідністю постачання великих міст і залізничних станцій водою.
Поворотним моментом, з якого починається інтенсивний процес у розвитку техніки та способів буріння, було нафтодобування. Першу свердловину на нафту було закладено в 1859 р. американцем Дрейком у Пенсильванії (США). Перша нафтова свердловина в Росії пробурена в 1864 р. на Північному Кавказі (поблизу Анапи). Вперше успішне буріння з промиванням проведено Фовелем у Франції.
В 1859 р. Г.Д. Романойський уперше механізував бурові роботи, використовуючи паровий двигун для буріння свердловин поблизу Подольсыса. При бурінні нафтових свердловин на першому етапі користувались ударним способом. Наприкінці 80-х років минулого століття в США впроваджується роторне буріння на нафту з промиванням глинистим розчином. У Росії обертальне роторне буріння з промиванням вперше застосували в Грозному для буріння свердловин на нафту (1902).
Вперше в світовій практиці М.А. Капелюшниковим, С.М. Волохом і М.А. Корнєвим запатентовано (1922) турбобур, застосований двома роками пізніше для буріння в Сураханах (район Баку). В 1935—1939 рр. П.П. Шумилов, P.A. Іоаннесян, Е.І. Тагієв і М.Т. Гусман розробили й запатентували досконалішу конструкцію турбобура. В 1938 р. А.П. Островський і М.В. Александров сконструювали електробур, долото якого оберталося за допомогою зануреного електродвигуна. В 1940 р. в Баку електробуром пробурено першу свердловину. В 1941 р. М.С. Тимофеев запропонував у стійких породах застосовувати так зване багатовибійне буріння.
В 1897 р. в Тихому океані, в районі о. Сомерланд (Каліфорнія, США) вперше здійснено буріння на морі. В 1924—1925 рр. поблизу бухти Ілліча (район Баку) пробурено першу морську свердловину, яка давала нафту з глибини 461 м.
Роботи з надглибокого буріння для дослідження кори й верхньої мантії Землі проводяться за міжнародною програмою «Верхня мантія Землі», якою намічено пробурити на території держав СНД в п'ятьох районах свердловини завглибшки до 15 км. Перша така свердловина закладена в північно-західній частині Кольського півострова. Буріння свердловини проводиться буровою установкою «Уралмаш 1500», сконструйованою на заводі УЗТМ у м. Свердловську. В процесі проходки розробляється технологія, яка дасть змогу здійснювати буріння на глибинах із надвисоким тиском. З'ясувалося, що в найдавніших породах містяться газ, нафта, мінералізовані води. Свердловина підсікла два нових родовища твердих корисних копалин. Одну з таких свердловин закладено на території Українського щита (біля Кривого Рога).
Розвиток розвідувального буріння пов’язаний з винаходом швейцарським годинникарем Г. Лешо алмазного бура (1862). Перша бурова установка з алмазним інструментом утворена французьким інженером Перетом.
В 1850 р. в Росії було закладено ряд розвідувальних свердловин на кам’яне вугілля. Вдосконалення розвідувального буріння в Росії кінця XIX ст. пов'язане з ім’ям Воислава, який у 1885 р. винайшов, а в 1897 р. отримав патент на бур із розширником для ручного буріння свердловин великого діаметра. В 1895 р. Войслав разом із Л. Кулішем одержав патент на оригінальний станок для алмазного буріння й у тому ж році розробив новий спосіб встановлення дрібних алмазів у коронці. В 1899 р. американським інженером Дейвісом запропоновано дробове буріння. За часів першої світової війни для буріння починають застосовувати запропоновані німецьким інженером Ломаном тверді сплави (так званий воломіт), які пізніше використовувались при бурінні розвідувальних свердловин у районі Курської магнітної аномалії (1923).
З 1923 р. впроваджується буріння з застосуванням твердих сплавів, а також дробове буріння. В 1927 р. В.М. Крейтером і Б.І. Воздвиженським при колонковому бурінні було успішно застосовано дріб. В 1925-1929 рр. розгорнулося виробництво бурових станків колонкового обертального буріння. До 1947 р. для колонкового буріння на глибину до 500 м використовувалися переважно станки КА-300 і КА-500. Починаючи з 1947 р. було проведено переобладнання технічних засобів геологорозвідувальної служби: сконструйовано нові станки (ЗІВ-75, ЗІВ-150); розроблено нові конструкції багатошвидкісних станків з гідравлічною подачею (ЗІФ-300, ЗІФ-650, ЗІФ-1200, ВІТР-2000 тощо), які забезпечували буріння свердловин на глибину 300-2000 м; створено ряд самохідних бурових установок; розроблено засоби автоматизації та механізації трудомістких процесів і нові конструкції бурового інструменту. В післявоєнні роки розроблено і впроваджено нові методи буріння – гідроударне, буріння з продувкою тощо. З 1966 р. для алмазного буріння почали використовувати більш досконалі станки: БСК-2А-100, СБА-500 тощо. Випущено самохідні установки УРБ-ЗАМ, УРБ-2А тощо, які широко використовуються при структурно-картувальному, пошуковому та гідрогеологічному бурінні, а також при бурінні артезіанських свердловин на воду.
Після відкриття родовищ алмазів у Якутії широко використовують алмазний породоруйнівний інструмент, а з 1962 р. в практику буріння впроваджено синтетичні алмази. Удосконалення технології алмазного буріння проводили вчені Ф.А. Шамшеєв, І.А. Уткін, Б.І. Воздвиженський, С.А. Волков та ін. Технологію буріння вдосконалювали також колективи ЦНДГРІ, АзНДІ бурнафта, ГродНДІ тощо, співробітники яких розвинули теорії про глинисті розчини, проводили дослідження роботи бурильних труб, долота на вибої тощо. Слід відзначити також внесок у розвиток теорії й практики колонкового буріння колективів кафедр Московського геологорозвідувального інституту, Санкт-Петербурзького, Дніпропетровського та Свердловського гірничих інститутів й Томського політехнічного.
Основним видом розвідувального буріння є обертальний спосіб, на який припадає (1978) близько 82 % метражу пробурених свердловин (42 % – буріння твердосплавним інструментом, близько 38 % – алмазним інструментом, близько 2 % – дробовим). Питома вага алмазного буріння від загального обсягу колонкового буріння становить 45,5 %. Удосконалення техніки й технології буріння на тверді корисні копалини спрямовано на заміну дробового буріння алмазним; на впровадження гідроударного та безкернового буріння; на подальше поліпшення технічних засобів і технології буріння, розробку нових способів руйнування гірських порід при бурінні; на автоматизацію всіх виробничих процесів.
Класифікація гірських порід за буримістю. Фізико-механічні властивості гірських порід є одним із найважливіших природних факторів, які безпосередньо впливають на показники роботи породоруйнівного інструменту при бурінні свердловин. Показники фізико-механічних властивостей порід можна поділили на дві групи. До першої входять скалярні показники – питома та об’ємна вага. Питома вага повністю визначається лише мінералогічним складом, а об’ємна – мінералогічним складом і пористістю порід. До другої групи входять векторні показники – пружні, пластичні, міцнісні та абразивні властивості.
Під час проходки розвідувальних свердловин прийнята класифікація порід за буримістю. Буримість порід є функцією багатьох природних, технічних й технологічних факторів.
Визначення категорій порід за буримістю проводиться за методом контрольного буріння свердловин, коли визначаються механічна швидкість чистого буріння (без допоміжних операцій), м/год; величина заглиблення свердловини до нормального спрацювання породоруйнівного інструменту (заглиблення за один рейс, м).
Гірські породи класифікуються за буримістю для різних способів буріння. Так, для обертального механічного буріння встановлено 12 категорій, ударно-механічного – 7, ударно-механічного при розвідці розсипів – 6, ручного ударно-обертального – 5 і для обертального буріння шнеками – 6 категорій.