Глава 11

УДЛРНО-ВРЛЩАТЕЛЬНОЕ БУРЕНИЕ СКВАЖИН

§ 1. Общие сведения об условиях ударно-вращательного бурения скважины

При ударно-вращательном бурении (УВБ) скважин реализуется одновременно два основных способа механического разрушения пород—вращательный и ударный. В этом случае порода разрушается под действием статических сил (осевой нагрузки и крутящего момента) и динамических нагрузок (ударных) определенной силы и частоты. Под действием такого комплекса факторов процесс разрушения породы имеет сложный характер. При рациональном соотношении всех параметров УВБ высоко эффективно практически в любых породах, начиная с мягких и кончая твердыми, так как они подвергаются воздействию одновременно различных по характеру сил. Если для породы характерно проявление упругохрупких свойств, то в процессе ее разрушения будут превалировать дробление и скалывание за счет действия динамических нагрузок. Если порода характеризуется в большей степени пластичными свойствами, то будут преобладать процессы смятия и резания под действием статических сил. Иными словами, при комбинированном воздействии ПРИ происходит как бы самонастраивание процесса на наиболее оптимальный вариант с получением максимального эффекта. Кроме того, с помощью импульсных нагрузок, действующих с достаточно большой частотой, реализуется дополнительная энергия, за счет чего увеличивается объем разрушенной породы, а повторное воздействие этих нагрузок приводит к формированию микротрещин в породе, ослаблению ее твердости

и, в конечном счете, к объемно-усталостному разрушению даже при недостаточном уровне осевой нагрузки и по мере износа ПРИ. При вращательном способе бурения в таких условиях из-за низкого уровня затрачиваемой энергии обычно происходит поверхностное, мало эффективное разрушение породы. И чем тверже порода, тем резче проявляются преимущества комбинированного воздействия при ее разрушении.

Осуществляются УВБ геологоразведочных скважин специальными ПРИ — коронками или долотами с использованием стандартного бурового оборудования и забойных ударных машин. Определенный эффект наблюдается и при использовании обычных ПРИ, предназначенных для вращательного способа бурения: твердосплавных, алмазных и шарошечных коронок и долот. Области применения УВБ скважин определяются геолого-техническими условиями бурения и назначением скважин. Наиболее широкое распространение получило УВБ с применением гидроударников и пневмоударных забойных машин при выполнении поисково-разведочных работ.

Ударно-вращательное бурение с гидроударниками. В практике бурения геологоразведочных скважин нашли широкое применение гидроударники конструкции СКБ НПО «Геотехника» типа Г-7, Г-9 с нормальной частотой ударов и высокочастотные машины ГВ-5, ГВ-6. Впоследствии этой же организацией были разработаны унифицированные гидроударные машины Г-76У и Г-59У. С целью расширения области применения ударно-вращательного способа бурения с СКБ НПО «Геотехника» разработаны гидроударные машины большого диаметра (108, 151 и 200 мм) и кольцевые (с полым корпусом). Кольцевой гидроударник ГК применяют при бурении с гидротранспортом керна в твердых (коренных) породах VII—X категорий по буримости.

Глубины скважин, достигаемые при УВБ с гидроударниками, превышают расчетные значения. Наибольшая эффективность достигнута при бурении коронками диаметром 76 и 59 мм с гидроударниками типа Г-7 и Г-9 на глубинах от 10 до 1500 м. Наибольший эффект при бурении с промывкой глинистым раствором получен в породах IV—VI категорий по буримости с использованием гидроударника ГВ-5 коронками диаметром 76 мм на глубинах от 10 до 1200 мм.

Ударно-вращательный способ бурения с применением пневмоударников успешно используют при сооружении скважин при поисках и разведке коренных полезных ископаемых и россыпей, гидрогеологических, а также взрывных скважин при сейсморазведочных работах и скважин большого диаметра, в особенности в условиях многолетнемерзлых пород, в сильно трещиноватых породах с интенсивным поглощением жидкости, в безводных районах, на территории отработанных шахтных полей, когда применение промывки вызывает большие трудности. При сооружении скважин в этих случаях применяют обычные буровые станки вращательного бурения, компрессоры и пневмоударники.

Промышленностью освоен выпуск двух комплексов бурового инструмента и оборудования для ударно-вращательного бурения: РП —для разведки коренных месторождений и бескернового бурения скважин диаметром 93, 112 и 132 мм и глубиной до 400 м, а также комплекс КПР —для разведки россыпных месторождений при бурении скважин с отбором керна диаметром 161, 184 и 216 мм и глубиной до 350 м в сухих и многолетнемерзлых породах.

К числу недостатков бурения геологоразведочных скважин с применением пневмоударников следует отнести снижение качества керна по сравнению с вращательным способом бурения. Однако, как показывают проведенные в ЦНИГРИ исследования, достоверность опробования как коренных, так и россыпных месторождений при бурении скважин с применением пневмоударников достаточно высокая: по коренным месторождениям от +4 до -9,8%, по россыпным — до +13,8% (отклонения от результата опробования, проведенного с помощью горных выработок). При УВБ с применением пневмоударников может быть использован для целей опробования крупный шлам.