С.С. СУЛАКШИН

БУРЕНИЕ

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН

Рекомендовано Комитетом по высшей школе Министерства науки, высшей школы и технической политики Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых»

МОСКВА "НЕДРА" 1994

БУРЕНИЕ 1

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН 1

I 141

J 141

с 155

с 155

[] 252

G₀ = 0,1 253

1 51

rF%irirrnrsn^Sr^n 51

/_п = / - ft, (24.31) 393

Ш 405

Щк! 405

Бурение скважин используют для решения разнообразных задач во многих отраслях народного хозяйства: при изысканиях площадок или трасс для строительства различных сооружений и дорог, сооружении подземных хранилищ газа, выполнении строительных работ и т. д. Но наиболее широкое применение буровые работы находят при геологических исследованиях, поисках, разведке и добыче полезных ископаемых с целью обеспечения народного хозяйства минерально-сырьевыми ресурсами.

Современная техника и технология сооружения скважин достаточно сложна и многообразна, вследствие чего эффективное использование ее невозможно без глубокого знания теории и практики буровых работ. Достаточно сказать, что процесс сооружения скважин включает выполнение целого комплекса операции или видов работ, к числу которых относятся: строительные и монтажно-демонтажные работы; собственно бурение, включающее разрушение пород, удаление продуктов разрушения из скважин, крепление ее стенок, выполнение спускоподъемных и других вспомогательных операций; проведение исследований и специальных работ в скважинах, включающих борьбу с осложнениями, тампонирование, торпедирование или перфорирование стенок скважин, борьбу с искривлением или направленное бурение, устройство искусственных забоев или «мостов», установку фильтров и погружных насосов и др.

В соответствии с этим в учебном плане подготовки инженеров по специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» предусмотрено изучение ряда профилирующих дисциплин, связанных с бурением геологоразведочных скважин, к числу которых относятся: физика горных пород, промывочные жидкости и тампонажные смеси; разрушение горных пород при бурении; бурение скважин на твердые полезные ископаемые; бурение разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые; буровые машины и механизмы; направленное бурение; проектирование буровых машин и механизмов; автоматизация процессов при бурении и др.

В соответствии с программой учебник по дисциплине «Бурение геологоразведочных скважин» состоит из трех частей: сооружение глубоких геологоразведочных скважин с применением вращательного, ударно-вращательного и ударного способов бурения, сооружение неглубоких скважин с применением ударного, вращательного и специальных способов бурения; проектирование работ при сооружении скважин.

Материал в учебнике излагается с учетом современного состояния техники и технологии бурения скважин и того, что студенты изучили дисциплины учебного плана: «Физика горных пород», «Разрушение горных пород при бурении», «Промывочные жидкости и тампонажные смеси».

Практически во всех отраслях промышленности используются в той или иной степени минеральное сырье или продукты, получаемые из него: в сельском хозяйстве—минеральные удобрения и вода; в химической промышленности — природные минеральные соли, нефть, газ и уголь; в металлургии все виды минеральных руд; в радиотехнической промышленности — кристаллы многих минералов; в машиностроительной — все виды металлов; в строительной

• строительные материалы и сырье для их изготовления и т. д. Но для того, чтобы получить это сырье, необходимо отыскать природные кладовые, где оно хранится, изучить их или разведать, а затем добыть с минимальными затратами труда и времени. Этим призваны заниматься геологоразведочная служба и горнодобывающая промышленность.

Основным методом решения большинства геологоразведочных задач, связанных с определением запасов полезных ископаемых и детальным изучением качественной характеристики руд и вмещающих пород, является бурение разведочных скважин, объем которого только при поисках и разведке твердых полезных ископаемых превышает 20 млн. м в год. Разведочные скважины дают ответы на многие вопросы, позволяющие составить представление

о месторождении.

Общие сведения о геологоразведочных скважинах

Скважина представляет собой полость, называемую обычно горной выработкой, сооружаемую в массиве горных пород, имеющую цилиндрическую форму и значительную протяженность при сравнительно небольшом поперечном размере (рис. I).

Полость скважины называется стволом, который имеет начало — устье, и конец, именуемый дном, или забоем, если скважина находится в процессе углубки (проходки). Боковая поверхность ствола скважины называется ее стенкой. Скважина имеет ось — воображаемую линию, проходящую через центры поперечных сечений ствола. Проекции оси скважины на вертикальную плоскость называются ее профилем, а на горизонтальную — планом.

Расстояние между устьем и забоем скважины характеризует ее глубину Н или длину ствола L. Поперечные размеры скважины определяются диаметром ствола D.

Положение ствола в пространстве характеризуется углом наклона ее оси rj или зенитным углом в и азимутальным углом а (см. рис. I). По этому признаку выделяются следующие типы скважии (см. рис. I, рис. И): вертикальные, расположенные под углом

W//A$

^kскважины э! Ось

^kскважины § *1

л

11

Мой

скважины

(Рис. I. .Элементы и Параметры скважины

Устье скважины

Стенка

Рис. II. Возможные типы скважин:

1. — горизонтальная;

2. — вертикальная;

3, 5 — восстающие;

4 — наклонная;

6. — рудное тело

t] = 90° к горизонту, наклонные (нисходящие и восходящие или восстающие) — расположенные под углом 0° < rj < 90°; горизонтальные—расположенные под углом Г] = 0°. Для нисходящих скважин угол наклона принимается условно со знаком плюс ( + »?), для восходящих — со знаком минус (-17). Наклонные и вертикальные скважины, пройденные из подземных выработок, называются подземными.

При бурении скважин практически любым способом ось ее ствола не остается прямолинейной, а приобретает, как правило, форму кривой — изогнутой в плоскости или в пространстве линии, именуемой траекторией или трассой скважины. Таким образом, скважины могут быть плоско искривленными и пространственно искривленными, а по форме оси (траектории) — прямолинейными и искривленными, когда скважины по мере углубки меняют свое начальное направление.

Процесс изменения пространственного положения скважин называется искривлением, которое может оказаться чрезмерным, что требует особых мер борьбы с ним. Иногда наоборот, в определенных условиях возникает необходимость вызвать более интенсивное искривление скважин в желаемом направлении. Такой вид бурения в первом и втором случаях считается направленным.

В зависимости от пространственного положения оси скважины глубина расположения ее забоя по вертикали Н может существенно отличаться от длины ствола скважины по ее оси L. Если для вертикальных скважин Н => L, то для наклонных или искривленных глубина расположения забоя Н всегда меньше длины ствола скважины (см. рис. I).

Наконец, скважины могут иметь один или несколько стволов. В связи с этим выделяются одно- и многоствольные скважины. Многоствольные скважины в отличие от одноствольных имеют несколько дополнительных стволов при одном основном, устье которого располагается на поверхности земли.

Под сооружением скважин понимается выполнение целого ряда операций или работ, как правило, с использованием сложного комплекса машин, механизмов и приспособлений, получившего название буровая установка.

Собственно бурение скважин включает ряд основных и вспомогательных процессов и операций. К числу основных относятся: разрушение пород на забое — углубка скважины (УС) и удаление продуктов разрушения (УПР). Вспомогательными операциями при этом являются: спускоподъемные операции (СПО) и подготовительно-заключительные операции (ПЗО). Используемый при этом буровой инструмент по мере углубки ствола скважины опускается на забой и поднимается для замены изношенных его частей или очистки забоя от продуктов разрушения. В зависимости от условий и цели бурения или назначения скважин, кроме названных основных процессов, выполняются и ряд других: закрепление стенок

Скважин; получение образцов пород или проб полезных ископаемых; Исправление искривившихся скважин или преднамеренное их искривление (при направленном бурении).

Получение образцов пород или проб полезных ископаемых осуществляется либо параллельно с разрушением пород (углубкой скважины), либо раздельно — после ее углубки (табл. I). При этом на забое кольцевой формы выбуривают столбик породы или керн, который извлекают на поверхность в колонковом снаряде. При достаточной сохранности он является тем фактическим материалом, ради которого бурят скважину и по которому решают многие геологоразведочные задачи — составляют геологические разрезы и карты, открывают и разведывают месторождения полезных ископаемых и т. д. Получают образцы пород или пробы полезных ископаемых и из стенок скважины. Это делается бурением (сверлением) дополнительных скважин в стенке основной, фрезерованием стенки и другими способами.

Кроме того, существуют и другие способы получения необходимого для решения геологоразведочных задач материала — сбор шлама, бурение дополнительных скважин, геофизические исследования и т. д.

Таблица I. Классификация способов и средств получения образцов пород илн проб полезных ископаемых (по С. С. Сулакшину)

Технологическая схема	Способы бурения	Средства отбора образцов пород или проб полезных ископаемых
I. Отбор образцов пород или проб в процессе бурения скважин	Вращательный	Колонковые снаряды: одинарные (ОКС) или двойные (ДКС), работающие с промывкой или продувкой. Колонковые снаряды, работающие с механическим удалением продуктов разрушения («всухую»), Снаряды или устройства для улавливания шлама у забоя или на поверх- НОС1 и
	Ударный	Снаряды ударного или забивного действия: стаканы, желонки, грунтоносы, грейферы
	Специальные или комбинированные	Снаряды вращательного, ударного, забивного, вибрационного или задавлива- емого действия
II. О гбор образцов пород или проб из стенок скважин после бурения	Любые	Снаряды (пробоотборники) режущего действия: задавливаемого или вращательного (расширители); сверлящего, скребкового, дискового типов и др. Снаряды (пробоотборники) ударного действия: боковые, грунтоносы стреляющего типа

Способы бурения геологоразведочных скважин

В настоящее время разработано или предложено большое количество способов бурения скважин, основанных на тех или иных процессах или методах разрушения пород. Все современные способы разрушения пород делятся на три основные класса: разрушение, осуществляемое с помощью специальных породоразрушающих инструментов, без породоразрушающих инструментов и комбинированные способы разрушения. В соответствии с таким принципом классификации способов разрушения пород выделяется большое количество разновидностей способов бурения скважин. Пользуясь рядом признаков, уточняются и характеризуются индивидуальные особенности того или иного способа бурения или область его применения.

По виду полезных ископаемых или цели бурения — бурение скважин на твердые или жидкие и газообразные полезные ископаемые, бурение инженерно-геологических или гидрогеологических скважин и т. д.

По глубине скважин выделяют бурение неглубоких, глубоких и сверхглубоких скважин. Этот признак весьма условен. Для геологоразведочных работ (на твердые полезные ископаемые) неглубокими считаются скважины глубиной от нескольких десятков до 100—250 м, глубокими —до 1000—2000 м, сверхглубокими — более 2000 м. При бурении скважин на нефть и газ эти цифры существенно меняются: мелкие скважины — до 1000—2000 м, глубокие—до 4000—5000 м и сверхглубокие — до 10 000 м и более.

По способу удаления продуктов разрушения различают бурение скважин с промывкой, с продувкой и с механическим или комбинированным УПР.

По форме забоя выделяют бурение скважин с разрушением породы на забое кольцевой формы (колонковое бурение) или с разрушением породы по всей площади дна скважины (бескерновое бурение).

По типу породоразрушающих инструментов, что характерно только для механических способов бурения, выделяют бурение твердосплавное, алмазное, дробовое, шарошечное и т. д.

По способу или средству передачи энергии, используемой для разрушения пород, можно выделить бурение на трубах, на канате, на кабеле, на шлангокабеле или с автономным источником энергии.

По конструкции вращателя или источнику движения породоразрушающего инструмента различают роторное (вращение с помощью ротора), шпиндельное (вращение с помощью шпинделя) или турбинное бурение, электробурение (источником вращения являются турбина или электродвигатель, опускаемые в скважину), гидро- или пневмоударное бурение с применением гидро-т или пневмоударников, магнитострикционное (с применением магни- тостриктора), вибрационное или виброударное (с применением вибратора) и т. д. Следует отметить, что эти названия способов бурения нельзя считать удачными, так как они в основе своей ие имеют единого признака.

Отсюда видно, что с учетом многообразия признаков, характеризующих процесс и технические средства бурения, возможно выделение очень большого количества способов, отличающихся друг от друга. Основными из них являются следующие: вращательное бурение скважин с промывкой или продувкой; вращательное бурение с удалением продуктов разрушения шнеком; ударное бурение скважин; вибрационное бурение; бурение скважин задав- ливанием инструмента; бурение скважин с применением комбинированных или специальных способов.

Из большого числа известных способов бурения при сооружении геологоразведочных скважин используют главным образом механические, осуществляемые с применением породоразрушающих инструментов того или иного типа и специального бурового оборудования.

Области применения буровых скважин —это, прежде всего, геологоразведочные работы, горнодобывающая и строительная промышленность, водоснабжение и мелиорация земель. По своему назначению скважины могут быть: геолого-поисковые, геологоразведочные, гидрогеологические, инженерно-геологические, эксплуатационные и технические.

Целевое назначение скважин может быть и комплексным, когда при бурении одной скважины решается целый ряд задач, например, поискового и разведочного характера. При этом скважина в дальнейшем может перейти в разряд эксплуатационных или технических. При разведке твердых полезных ископаемых обычно бурят скважины, имеющие диаметр от 150 до 36 мм, на глубину до 2000 м и более.

Часть I сооружение

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН С ПРИМЕНЕНИЕМ ВРАЩАТЕЛЬНОГО И УДАРНО-ВРАЩАТЕЛЬНОГО СПОСОБОВ БУРЕНИЯ

Сооружение геологоразведочных скважин при поисках и разведке твердых полезных ископаемых с использованием вращательного или ударно-вращательного способов бурения обычно называют колонковым способом бурения. Название это возникло в связи с тем, что бурение скважин осуществляется главным образом с получением столбика породы цилиндрической формы (колонки), называемого керном. Применяемый при этом буровой снаряд или колонковый набор состоит из коронки (породоразрушающего инструмента), колонковой трубы и переходника на бурильные трубы. Кроме этого, в состав снаряда могут включаться шламоулавливающая труба, расширитель и кернорватель. Применяется колонковый способ бурения при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, геологическом картировании и инженерно-геологических изысканиях, так как он позволяет получать образцы пород или проб полезных ископаемых с достаточно сохранной структурой. Прибегают к этому способу и при сооружении технических скважин большого диаметра в крепких породах (шахтных стволов или шурфов), взрывных (минных) скважин, при тампонировании трещиноватых пород или замораживания пород и в других случаях. Все основные технологические процессы, связанные с колонковым способом бурения скважин, выполняются с помощью механизмов, приводимых в действие двигателями того или иного типа.

Разрушение породы при колонковом бурении скважин происходит по кольцевой площади забоя. Однако в определенных условиях осуществляют разрушение породы по всей площади дна скважины или «сплошным забоем». В этом случае бурение происходит без получения керна. Такая разновидность бурения получила название бескернового бурения (в противоположность бурению с получением керна). Бескерновое бурение является, как правило, более производительным. Для осуществления этого способа применяют специальные забойные инструменты — долота различных типов.

Общая схема установки колонкового бурения показана на рис. III. Установка состоит из станка I, насоса II, буровой вышки (мачты) III, двигателей IV, бурового здания V, труборазворота VI,

Рис. III. Схема буровой установки для бурения геологоразведочных скважин

пульта управления VII и комплекта контрольно-измерительной аппаратуры VIII.

Сооружение скважины начинается с забуривания и оборудования ее устья 15. Для осуществления процесса бурения в скважину с помощью лебедки 2 и талевой системы 6, 7, 8, 9 спускают снаряд, состоящий из коронки 20, колонковой трубы 18, присоединяемой с помощью переходника 17 к бурильным трубам 4, верхний конец которых закрепляется в шпинделе вращателя 1 бурового станка с помощью зажимного патрона 3. К бурильной трубе 4 присоединяют сальник 5, связанный шлангом 10 с насосом II, который подает в скважину промывочную жидкость. При вращении снаряда и действии осевой нагрузки осуществляется разрушение породы в кольцевом забое с образованием керна 19. Потоком нагнетаемой в скважину жидкости удаляют продукты разрушения. Циркулирующая по желобу 14 промывочная жидкость очищается от шлама и поступает в приемную емкость 13, из которой она через всасывающий шланг 11 и фильтровое устройство 12 забирается насосом и вновь подается в скважину.

При спуске в скважину бурильные трубы соединяют в колонну с помощью замковых или ниппельных соединений 16 и специального механизма — труборазворота VI. Так выполняется малый цикл процесса углубки ствола скважины при колонковом бурении. Повторением операций малого цикла скважину бурят до заданной глубины, после чего все оборудование демонтируют и буровую установку перемещают на новую точку.

В зависимости от конструкции породоразрушающего инструмента различают четыре разновидности колонкового бурения: твердосплавное, алмазное, шарошечное и дробовое.

В зависимости от способа удаления продуктов разрушения с забоя выделяют; бурение с промывкой при полной циркуляции жидкости; бурение с промывкой при местной циркуляции жидкости (без насоса); бурение с продувкой; бурение с комбинированным способом удаления продуктов разрушения.

Наконец, по способу разрушения пород различают вращательное и ударно-вращательное колонковое бурение (с применением гидроударников или пневмоударников).

Глубина колонковых скважин может быть различной —от нескольких десятков до 2000—3000 м и более. Первая в мире самая глубокая колонковая скважина глубиной 3268 м была сооружена в Южной Африке. Ее бурили алмазными коронками диаметром 59 мм в крепких породах в течение 600 дней с полным отбором керна.

Диаметры геологоразведочных скважин также разнообразны и зависят как от цели бурения, так и от геолого-технических условий. При бурении алмазными коронками диаметры геологоразведочных скважин составляют, как правило 46, 59, 76 мм, реже бывают больше или меньше. При бурении твердосплавными и шарошечными коронками диапазон диаметров шире: 76, 92, 112 мм, реже 131, 150 и 190 мм.

Следует отметить, что колонковый способ бурения характеризуется целым рядом достоинств. Прежде всего этот способ бурения дает возможность извлекать образцы пород —керн с достаточно сохранной структурой, позволяет бурить скважины под различными углами к горизонту и осуществлять бурение многоствольных скважин, позволяет бурить скважины малого диаметра на значительную глубину и, наконец, колонковое бурение осуществляется с помощью сравнительно легкого оборудования с незначительным расходом энергии.

Однако этот способ характеризуется и некоторыми недостатками, основными из которых являются: возможное самоискрив- Яение скважин; неполный выход керна при бурении в мягких, малоустойчивых породах из-за избирательного его разрушения; высокая аварийность в сложных геологических условиях; сильный износ бурильных труб; затрата значительной доли энергии на вращение бурильных труб; ограниченность величины углубки за малый цикл (рейс), с чем связана необходимость частых спусков и подъемов инструмента; низкая производительность и сравнительно высокая стоимость 1 м скважин, особенно при бурении в Осложненных условиях или в очень твердых породах.

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ БУРОВОЙ ИНСТРУМЕНТ

По своему назначению буровой инструмент подразделяют на технологический, вспомогательный, аварийный и специальный.

Технологический инструмент предназначен для осуществления собственно бурения скважин или бурового процесса — разрушения пород и транспортирования продуктов разрушения. К этому типу инструментов относится следующий породоразрушающий или забойный инструмент: коронки и долота, неправильно называемые «наконечниками», «буроголовками», «истирающими»; расширители; кернорватели; колонковые трубы; шламовые трубы; бурильные трубы (БТ); утяжеленные бурильные трубы (УБТ); переходники; сальники и др.

Вспомогательный инструмент служит для осуществления таких операций, как закрепление стенок скважин и спускоподъемные операции. Сюда относятся: обсадные трубы, трубодержатели, трубные и шарнирные хомуты, подкладные вилки, элеваторы, фарш- тули, вертлюги, подъемные серьги, ключи и принадлежности для свинчивания и развинчивания труб.

С помощью аварийного инструмента выполняют работы, связанные с ликвидацией аварий или восстановлением нормального состояния скважин. Аварийный инструмент подразделяется на ло- вильный и вспомогательный.

Специальный инструмент служит для выполнения специальных работ —искривления скважин, торпедирования, тампонирования и других видов работ.

При колонковом бурении скважин основным рабочим органом является инструмент, разрушающий породу в забое, который имеет либо форму кольца (с получением керна), либо форму круга (без получения керна). В первом случае породоразрушающий инструмент (ПРИ) имеет вид полого цилиндра, а во втором — массивного тела определенной формы. Рабочая часть инструмента вооружается породоразрушающими элементами (ПРЭ) или ей придается определенная конфигурация. Породоразрушающие инструменты кольцевой формы, с помощью которых получают керн, называют коронками, а для бескернового бурения — долотами.

По виду или конструкции вооружения выделяется пять групп ПРИ: коронки с рабочим органом зубчатой формы (зубчатки); коронки и долота с вооружением из твердых сплавов режуще-скалы- вающего действия (твердосплавные ПРИ); коронки и долота с вооружением в виде алмазных зерен (или алмазного порошка) режуще-раздавливающего действия (алмазные ПРИ); коронки и долота с вооружением шарошечного типа дробя ще-скалывающего действия (шарошечные ПРИ); коронки и долота с породоразрушающими элементами в виде дроби раздавливающего действия (дробовые ПРИ). Наиболее широкое применение получили ПРИ первых четырех групп. Дробовой ПРИ, как малоэффективный, в практике бурения геологоразведочных скважин применяется крайне редко.