Колонковое бурение

Колонковым бурением называют такой способ вращательного бурения, при котором разрушение породы ведется по наружной кольцевой части забоя с выбуриванием столбика (колонки) породы – керна.

Колонковое бурение является основным техническим средством разведки месторождений полезных ископаемых. Это бурение широко применяется при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях.

Более 80% всех буровых работ ведется колонковым способом.

Основными операциями при вращательном колонковом бурении являются:

1. Собственно бурение.

2. Спуско-подъемные операции.

3. Крепление скважины.

4. Специальные работы в скважине.

5. Монтажно-демонтажные работы.

Достоинствами колонкового бурения являются:

1. Возможность извлекать из скважины столбики породы – керны, по которым можно наиболее точно составить геологический разрез и опробовать полезное ископаемое.

2. Бурить скважины под различными углами к горизонту, различными породоразрушающими инструментами в породах любой твердости и устойчивости.

3. Возможность бурить скважины малых диаметров на большую глубину, применяя относительно легкое оборудование.

Общая схема установки для колонкового бурения

Колонковое бурение производят установкой, состоящей из буровой вышки I, бурового станка III, бурового здания II, бурового насоса IV, двигателей для привода в действие станка и насоса V.

Перед началом бурения на месте заложения скважины разравнивают площадку, выкапывают ямы под емкости для промывочной жидкости и под фундаменты и собирают буровую вышку с буровым зданием. После проверки и наладки бурового станка забуривают скважину в нужном направлении и устье скважины закрепляют направляющей трубой.

Для бурения используют буровой снаряд, который состоит из коронки 1, колонковой трубы 2, переходника 3, колонны бурильных труб 4. С помощью лебедки 10 буровой снаряд спускается в скважину, после чего верхний конец колонны бурильных труб закрепляется в зажимных патронах 9 шпинделя станка 8. На верх ведущей трубы навинчивается вертлюг-сальник 11, соединенный шлангом 12 с буровым насосом IV. Вращая бурильные трубы и подавая промывочную жидкость в скважину, доводят коронку до забоя и начинают бурение. В зависимости от характера буримых пород шпинделем станка сообщается рациональная частота вращения снаряду при необходимой для разрушения породы нагрузке на коронку. Нагрузка осуществляется регулятором подачи станка 11. Вращаясь и внедряясь в породу, коронка выбуривает кольцевой забой, формируя керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу. После заполнения колонковой трубы керном или при необходимости замены изношенной коронки бурение скважины останавливают, закрепив керн в корпусе коронки, отрывают его от забоя и с помощью лебедки 10, талевого каната 18, талевого блока 7, подъемного крюка и элеватора 6 поднимают снаряд на поверхность. Для ускорения подъема путем сокращения операции по развинчиванию резьбовых соединений снаряд поднимают не по одной трубе, а свечами, состоящими из нескольких бурильных труб. Свечи соединяют между собой замками, а бурильные трубы муфтами. Свечу отвинчивают от колонны при помощи труборазворота и устанавливают на подсвечник. После подъема на поверхность колонкового набора, состоящего из коронки, колонковой трубы и переходника, извлекают керн, заменяют изношенную буровую коронку. Затем производят спуск снаряда в скважину, причем длину колонны увеличивают на величину, необходимую для углубления, в течение следующего рейса, путем добавления бурильных труб.

Для охлаждения коронки, очистки забоя от разрушенной породы и удаления ее на поверхность скважину промывают или продувают. Промывочная жидкость через всасывающий шланг 17 засасывается насосом IV из отстойника 16 и нагнетается к забою скважины через нагнетательный шланг 12, сальник 5 и колонну бурильных труб 4. Промывочная жидкость, достигнув забоя, охлаждает коронку и транспортирует разрушенную породу с забоя на поверхность. Из скважины жидкость поступает в систему желобов 14 и отстойник 15, где частицы породы осаждаются. Затем очищенная жидкость вновь нагнетается в скважину.

Если скважина пересекает неустойчивые породы, которые обваливаются или выпучиваются даже при применении специальных промывочных сред, в нее опускают колонну обсадных труб для закрепления стенок скважины и перекрытия неустойчивой породы, после чего продолжают бурение скважины инструментом меньшего диаметра.

Колонковое бурение ведется, как правило, с извлечением кернов. Но если скважины пересекают уже изученные породы, то на участках, где полезное ископаемое отсутствует, целесообразно перейти на бескерновое бурение, которое позволяет повысить производительность за счет сокращения времени на спуско-подъемные операции, а также за счет повышения механической скорости бурения.

Целью бурения геологоразведочных скважин являются геологические исследования. Поэтому кроме извлечения образцов пород-кернов в скважине проводят специальные работы:

1. Измерение искривления скважины.

2. Геофизические исследования (каротаж).

3. Опробование скважины на приток.

4. Взятие проб со стенок скважины грунтоносом.

5. Ориентирование керна.

6. Тампонирование для изоляции отдельных горизонтов.

7. Гидрогеологические исследования.

После выполнения скважиной геологической задачи производят ликвидационное тампонирование с целью охраны недр.

Оборудование и вышку перевозят на новую точку в собранном или демонтированном виде.

Промывка или продувка скважин в процессе бурения является необходимой операцией, которая предусматривает непрерывную циркуляцию промывочной среды в скважине для выполнения следующих задач: 1) очистка забоя от разрушенной породы и выноса продуктов разрушения (шлама) на поверхность; 2) охлаждение породоразрушающего инструмента; 3) закрепление стенок скважины при проходке слабо связанных, рыхлых пород; 4) предупреждения возможности прорыва пластовых вод в скважину в процессе бурения.

Существуют четыре схемы циркуляции промывочной среды: прямая, обратная, комбинированная и призабойная (местная).

При прямой циркуляции промывочная среда принудительно с помощью насоса подается с поверхности по колонне бурильных труб к забою, а затем поднимается по кольцевому пространству между стенками скважины и бурильными трубами, вынося на поверхность шлам.

При обратной циркуляции промывочная среда нагнетается к забою скважины по кольцевому каналу и поднимается на поверхность вместе со шламом по колонне бурильных труб. При использовании этой схемы устье скважины должно быть герметизировано. При бурении по трещиноватым и кавернозным породам, где происходит большая потеря промывочной среды, обратная циркуляция неприменима.

При использовании жидких промывочных сред осуществляется замкнутая циркуляция: буровой раствор и другие промывочные жидкости после выхода из скважины очищаются в системе желобов и отстойников и вновь насосами подаются к забою.

При любой схеме циркуляции возможны потери промывочной среды вследствие поглощения ее породами. Потеря может быть частичной, полной и катастрофической.

При частичной, на поверхность выходит меньшее количество жидкости, чем попадает в скважину. При полной - жидкость вообще не выходит на поверхность. Катастрофическая потеря происходит при внезапном попадании скважины в крупные полости (трещины, каверны, пещеры). Это обычно сопровождается прихватом снаряда, обрушением стенок скважины и другими осложнениями.

При продувке скважины циркуляция незамкнута: воздух после пылеулавливания выходит в атмосферу.

Комбинированная система циркуляции осуществляется путем нагнетания с поверхности по колонне бурильных труб жидкой или газообразной среды как при прямой циркуляции. Однако в призабойной части создается местная, обычно обратная циркуляция, что достигается применением специальных снарядов (пакерных или эрлифтовых) или использованием погружных насосов различного типа.

Призабойная местная циркуляция используется при безнасосном бурении, когда имеющаяся в скважине подземная вода и вода, добавляемая в скважину в результате специального режима бурения, осуществляет все основные функции промывки, не поступая на поверхность. Шлам при этом скапливается в колонковой трубе.

В зависимости от конкретных условий в качестве промывочной среды используют:

1. Капельные жидкости – техническая вода, солевые растворы, жидкие углеводороды.

2. Структурные жидкости – глинистые, неглинистые, шламовые растворы, эмульсии.

3. Газы и газожидкостные двухфазные смеси.

При бурении скважин в устойчивых породах можно использовать техническую воду как пресную, так и минерализованную, в том числе морскую.

Повсеместному использованию воды препятствуют свойственные ей недостатки: высокая фильтрационная способность; активное размывающее и растворяющее действие; отсутствие способности удерживать шлам при прекращении циркуляций; воздействие на породы, приводящее к их разбуханию и обрушениям; замерзание при отрицательной температуре и др.

Глинистые растворы широко используются при бурении, особенно в малоустойчивых породах. Помимо очистки забоя и охлаждения инструмента, они обеспечивают:

1. Закрепление стенок скважины в результате образования тонкой глинистой корки;

2. Предупреждение оседания шлама на забой при прекращении циркуляции из-за быстрого превращения раствора в гель (застудневание);

3. Устранение потерь циркуляции в пористых и трещиноватых породах.

свойства глинистых растворов можно регулировать, воздействуя на них различными реагентами.

При бурении скважин в соленосных отложениях для предотвращения кавернообразования и растворения керна для промывки используют соляные растворы.

При бурении в мерзлых породах и сплошных льдах применяются для промывки жидкие углеводороды – керосин и беспарафинное дизельное топливо.

В практике геологоразведочного бурения используются также полимерные промывочные жидкости.

В сложных геологических и климатических условиях применяется бурение с продувкой скважин сжатым воздухом. Наиболее эффективен этот метод при бурении в льдистых, мерзлых породах, которые при промывке водой оттаивают, оползают и обваливаются. Продувка скважин применяется также при бурении в высокогорных и пустынных районах, где имеются трудности с водоснабжением. А также в зимнее время.

Воздух как агент для очистки скважин обладает рядом достоинств. В любом месте он имеется в неограниченном количестве, характеризуется весьма малой вязкостью и плотностью, легко сжимается, имеет низкую теплоемкость и теплопроводность. Эти особенности позволяют получить высокие скорости воздушного потока в затрубном пространстве, что обеспечивает полноту удаления разбуренной породы.