3 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.

Недостатки механического бурения: 1) износ рабочих элементов породоразрушающих инструментов, приводящий к необходимости его замены;2) низкий коэффициент использования энергии, уменьшающийся с увеличением глубины скважины.

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.

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. 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.

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 - 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. 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.

4 СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Горная порода представляет собой соединение минералов постоян­ного состава, связанных силами молекулярного взаимодействия, которые возникают либо в местах непосредственного контакта мине­ралов друг с другом, либо в местах контакта их с минеральными частицами посторонних цементирующих веществ.

Упругость. Большинство породообразующих минералов являются телами упруго-хрупкими, т. е. они подчиняются закону Гука и разрушаются, когда напряжения достигают предела упругости.

Горные же породы по характеру зависимости деформации от на­пряжений при статическом нагружении можно подразделить на три группы (рис. 7): 1) упруго-хрупкие, подчиняющиеся закону Гука; 2) пластично-хрупкие, разрушению которых предшествует зона пла­стической деформации; 3) высокопластичные и сильнопористые, упругая деформация которых незначительна.

Прочность. Величина напряжений, при которых разру­шается порода, характеризует ее прочность. Наибольшее сопроти­вление породы оказывают сжатию; прочность на растяжение обычно не превышает 10% прочности на сжатие (табл. 2). Это объясняется хрупкостью пород, большим количеством локальных дефектов и неоднородностей в них, слабыми силами сцепления частиц.

Прочность породы существенно зависит от ее минерального со­става. Наиболее прочным породообразующим минералом является кварц; его прочность превышает 500 МПа, тогда как прочность же- лезистомагнезиальных силикатов и алюмосиликатов составляет 200— 500 МПа, кальцита — 10—20 МПа. Поэтому прочность породы обычно возрастает с увеличением содержания кварца. На рис. 5 видно, что наибольшей прочностью обладают породы, плотность которых при­мерно равна плотности кварца (около 2700 кг/м³). Прочность моно­минеральной породы обычно выше прочности полиминеральной, так как в последней почти всегда присутствуют слабые минералы.

Пластичность зависит от минерального состава горных пород и уменьшается с увеличением содержания кварца, полевого шпата и других жестких минералов. Высокими пластическими свойствами обладают влажные глины и некоторые хемогенные породы.

Пластичность скальных пород (граниты, кристаллические сланцы, песчаники) проявляется в основном при высоких температурах.

Пластичность. Как было уже сказано ранее, разруше­нию некоторых горных пород предшествует пластическая деформа­ция. Она начинается, как только напряжения в породе превысят предел упругости. В случае идеально пластичного тела такая дефор­мация развивается при неизменном напряжении. Реальные горные породы деформируются с упрочнением: для роста пластической де­формации необходимо увеличивать напряжение, причем скорость роста деформации больше скорости увеличения напряжения.

АБРАЗИВНОСТЬ_ ГОРНЫХ ПОРОД

Под абразивностью горных пород понимают их способность изна­шивать в процессе трения металлы и твердые сплавы. Абразивная способность пород проявляется при взаимодействии с ними породо- разрушающего инструмента и других элементов бурового оборудо­вания. Чем больше абразивность породы, тем выше темп износа инструмента, тем, следовательно, быстрее он будет выходить из строя. Частая смена породоразрушающего инструмента в глубокой сква­жине существенно увеличивает продолжительность и стоимость строительства ее. Знание абразивных свойств горных пород позво­ляет более правильно выбирать модель породоразрушающего ин­струмента и тем самым повышать эффективность процесса бурения. В основе большинства методов лежит измерение объема или массы металла, изношенного в процессе трения о горную породу при не­которых постоянных для данного метода условиях.