Загальні відомості про буріння розвідувальних свердловин

Основні поняття та визначення. 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. 77) 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); забій свердловини — нижній кінець виробки, що переміщується в процесі буріння; стінки — бічна циліндрична поверхня свердловини.

До параметрів свер­дловини належать її глибина, діаметр стовбура, зенітні та азимутальні кути (рис. 77). Глибина свердловини — відстань від устя до забою 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.

Таблиця 7. Класифікація сучасних способів механічного буріння розвідувальних свердловин за основними ознаками

Класифікація свердловин за призна­ченням:

1) розвідкові свердловини, за допо­могою яких здійснюються пошуки та розвідка родовищ корисних копалин; 2) інженерно-геологічні свердловини для вивчення фізико-механічних властивостей гірських порід з метою забез печення проектування інженерних споруд. До них належать і зондувальні свердловини, що проходяться на початкових стадіях проектування для попереднього вивчення геологічного розрізу;

гідрогеологічні свердловини — для вивчення режиму та якості підземних вод;

експлуатаційні свердловини — для добування рідких (вода, розсоли, нафта) й газоподібних (горючий газ, гелій) корисних копалин;

водопонижувальні свердловини — для зниження рівня підзем­них вод, що полегшує проходку поверхневих та підземних виробок;

сейсморозвідкові 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 розвідкових свердловин. В основу класифікації покладено різні принципи: спосіб зруйнування порід, форма забою, характер використання енергії або конструкція приводу, призначення свердловини тощо. Найпоширенішим є розподіл способів буріння за певними ознаками: колонкове буріння — за формою забою; 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 забоєм, 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 (табл. 7).

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 забої 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 забою поділяється на: а) буріння суцільним забоєм (безкернове); б) буріння кільцевим забоєм (колонкове). Широко використовується при пошуках та розвідці корисних копалин.

В першому випадку породоруйнівним інструментом — долотом — руйнується порода по всьому забою, в другому — вибурюється лише кільцевий забій, 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 забійним двигуном, при опусканні останнього в свердловину на бурильних трубах безпосе­редньо за буровим інструментом. Забійними 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 забій під коронку; тому розрізняють буріння алмазне, твердосплавне, дробове.

При обертальному бурінні зруйнована порода (шлам) виноситься із забою 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 в забої свердловини. Утворений при цьому шлам безперервно виходить із свердловини по витках шнека, що обертається.

2. Ударно-канатне — гірська порода руйнується за допомогою ударів по забою 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 породо-руйнівний 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 (вібро-' занурювач, 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 грунті 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 подається 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 забою. При сталому процесі вся колона бурильних труб від забою до устя заповнюється рухомими групами по 15—20 ампул. У процесі випуску ампул буровий інструмент залишається нерухомим і забій 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 забою щільно притискують два електроди й подають імпульси напруги з крутим фронтом при дуже короткому часі дії кожного імпульсу (1 • 10-б с і менше). В такому випадку заряд проходить через тверде тіло. Електричний пробій супроводжується ефективним руйнуванням породи. В 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 снаряда.

При плазмовому способі руйнування порід струмінь холодної плазми з температурою від 5000 до 50000 К спрямовується до забою свердловини. Джерелом плазми є плазмотрон, який ще називають електродуговою плазмовою головкою. При випробуванні плазмобурів установлено, 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 в 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. Романовський уперше механізував бурові роботи, використовуючи паровий двигун для буріння свердловин поблизу Подольська. 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 pp. П.П. Шумилов, Р.А. Іоаннесян, Е.І. Тагєв 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 p. M.C. Тимофєєв запропонував у стійких породах застосовувати так зване багатозабійне буріння.

В 1897 р. в Тихому океані, в районі о. Сомерланд (Каліфорнія, США) вперше здійснено буріння на морі. В 1924—1925 pp. 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 розвідкового 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 розвідкових свердловин на кам'яне вугілля. Вдосконалення розвідкового буріння в Росії кінця XIX ст. пов'язане з ім'ям Войслава, 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 розвідкових свердловин у районі Курської магнітної аномалії (1923).

З 1923 р. впроваджується буріння з застосуванням твердих сплавів, а також дробове буріння. В 1927 p. B.M. Крейтером і Б.І. Воздвиженським при колонковому бурінні було успішно засто­совано дріб. В 1925—1929 pp. 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 геологорозвідкової служби: сконструйовано нові станки (ЗІВ-75, ЗІВ-150); розроблено нові конструкції багатош-видкісних 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.1. Воздвижен-ський, 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 забої тощо. Слід відзначити також внесок у розвиток теорії й практики колонкового буріння колективів кафедр Московського геологорозвідувального інституту, Санкт-Петер-бурзького, Дніпропетровського та Свердловського гірничих інститутів й Томського політехнічного.

Основним видом розвідкового 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 розвідкових 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/ч; величина заглиблення свердловини до нормального спрацювання породо-руйнівного 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.

Поиск по сайту: