Технологии бурения

За историю бурения скважин разработано множество методов. Большинство технологий предполагает механическое воздействие на породы. Отельные методы основаны на других видах воздействия. К тому же чаще всего передача влияния на породы осуществляется посредством специализированного оборудования, однако в отдельных методах работу выполняют естественные агенты.

Ударная

Эту технологию использовали со времен разработки первых скважин, появившихся в III-IV столетии до н. э. в Китае. Она сохранила актуальность и по сей день, хотя и претерпела некоторые модернизации.

Ударный метод предполагает разрушение пород ударным воздействием. Оно происходит путем дробления, рыхления, раздавливания.
Существует 2 способа: установка бурового снаряда на забой и совершение ударов по нему и выполнение этих воздействий на забой самим снарядом.
Снаряд включает долота, ударные штанги, яссы, канатный замок. В зависимости от типа грунта используют различные варианты: плоские долота с клинообразным лезвием для мягких, двутаровые для вязких, крестовые для трещиноватых, пирамидальные для валунов. Подъем обеспечивает ударный механизм, включающий качающуюся раму, кривошипно-шатунный привод, систему гидроцилиндров, эксцентричный ролик.

Принцип работы состоит в сбрасывании 0,5-2,5 т с наряда с высоты 30-100 см с частотой 45-60 ударов в минуту. В сухих грунтах используют воду. По прохождении участка в 0,2-0,6 м желонкой извлекают грунт.

По приводу бурового снаряда выделяют еще 2 вида.

• Ударно-канатный. Предполагает использование каната для спуска бурового снаряда. При подъеме снаряд поворачивается на 20-50° ввиду упругости каната, обрабатывая всю площадь забоя. В узком смысле ударная технология представлена только этим методом, как наиболее распространенным.
• Ударно-штанговый. Для спуска бурового снаряда используется штанга.

К тому же существует вариант с бурильными трубами, забиваемыми дизельным молотом или др. оборудованием. На конце установлен кольцевой башмак с твердосплавными резцами, а выброс грунта осуществляется по кольцевому промежуточному каналу под воздействием сжатого воздуха. Этот вариант актуален для разведки россыпей и строительства.

Технология предполагает сплошной либо кольцевой забой. Сплошной забой используют для разработки скважин на воду, водопонизительных, в строительстве и геологоразведки россыпей в сложных условиях. Кольцевой забой, используемый для гидрогеологических и инженерно-геологических исследований, разведке россыпей и др., предполагает применение грунтоносов. Их сбрасывают либо забивают бойком.

Ударный метод актуален для рыхлых и мягких грунтов с обломочными включениями. В скальных грунтах обычно используется для достижения глубины около 100 м.
Вращательная

Эта технология была разработана в конце XIX столетия, и после появления электрического бура в начале следующего века начала ее массовое внедрение.

Принцип состоит во вращении прижатого к забою инструмента. При этом породы разрушаются по всему забою либо по кольцевому пространству с отбором керна (колонковое). Подходит для вертикальных, наклонных, горизонтальных, разветвленных скважин.
Вращательные методы подразделяют по двум критериям.
Один из них – общее устройство буровой установки. На основе него выделяют следующие типы.

• Роторный. Передача вращения осуществляется через бурильную колонну ротором в буровой вышке. Наиболее распространенный вид.
• Турбинный. Двигатель-турбобур, вращающий инструмент, установлен на забое.
• Роторно-турбинный. Турбобур, вращающий инструмент, установлен в забойном агрегате, который приводится ротором через колонну.
• Реактивно-турбинное. Привод инструмента турбобуром, агрегата – реактивными моментами.
• Объемный. Винтовой гидравлический двигатель на забое в качестве привода.
• Электробуром. Привод установленным на забое электромотором.

В настоящее время происходит расширение применения видов с забойными двигателями.

К тому же выделяют несколько типов по породоразрушающему инструменту:

• алмазный;
• твердосплавный;
• дробовой;
• шнековый;
• шарошечный.

Ударно-вращательная

Предполагает совмещение ударное и вращательной технологий. Принцип состоит в ударном воздействии на вращающийся на забое породоразрушающий инструмент. В результате происходит разрушение пород путем скалывания и дробления.
Для оказания ударов в зависимости от типа работ используют бурильные молотки, пневмо- и гидроударные машины погружного и поверхностного типов. Передача осевой нагрузки и крутящего момента породоразрушающему инструменту осуществляется посредством колонны бурильных труб.

Выделяют следующие виды

• Ударно-поворотный.
• Ударно-вращательный.
• Вращательно-ударный.

Развитие технологии происходило в России с начала XX в. Используется в горных и разведочно-поисковых работах. Позволяет создавать скважины глубиной до 2000 м.

Другие технологии

Далее рассмотрены значительно менее распространенные методы в сравнении с рассмотренными выше. Большинство из них используется в специфических случаях, а другие еще находятся на стадии разработки.

Вибрационная

Основана на передаче породоразрушающему инструменту высокочастотного ударного воздействия от вибратора через бурильную колонну.
Основные составляющие бурильного оборудования представлены вибромолотом и виброзондом.
Принцип работ состоит в уплотнении пород с образованием кольцевой полости, где находится виброзонд. То есть метод подразумевает физическую трансформацию пород.
Этим обусловлена сфера применения вибрационной технологии, определяемая физическими особенностями пород. Она актуальна для уплотняемых образований, но не подходит для скальных и обводненных. К тому же предельная глубина скважин составляет менее 40 м, а глубина прохода – до 2-2,5 м.

Гидродинамическая

Подразумевает использование жидкости для разрушения пород.
Исследователи Томского политехнического университета разработали следующую систематику для данной технологии.

• Эрозионные. Состоят в разрушении породы высоконапорной струей.
  
  • Гидромониторный (непрерывная высоконапорная струя).
  • Гидроимпульсный (кратковременные импульсы струи).
  • Гидроударные: электрогидравлический (гидравлический удар за счет подачи в жидкость электрического заряда) и кавитационный (формирование гидравлических ударных волн путем механического воздействия в герметичных капсулах).
• Абразиные. Разрушение породы высоконапорной струей жидкости, содержащей абразивные частицы.
  
  • Гидромониторно-абразиный.
  • Гидроударно-абразивный.
• Комбинированные. Подразумевают использование гидромониторных долот
  
  • Эрозионномеханические.
  • Абразивномеханические.
  • Гидромониторновращательный: механоабразивные.

В целом, данная технология актуальна для рыхлых пород. К тому же большинство таких методов сложны и энергозатратны.

Термическая

Разрушение пород осуществляется подаваемыми на забой огнеструйной горелкой со сверхзвуковой скоростью высокотемпературными газовыми струями. Температура достигает 1800-3500°C, скорость – 1800-2200 м/с. Продукты разрушения удаляются восходящим газовым потоком.
Эта технология разработана в 40 гг. в США. Она актуальна для пород с кристаллической и массивной структурой, плотным цементом, без глинистых включений и низкоплавких минералов. Использовалась изначально преимущественно для разработки железорудных карьеров в железистых кварцитах, с 70 гг. – для расширения нижней части взрывных скважин.

Электрофизическая

Перспективные методы, не применяемые пока в промышленности.

• Звуковой. Буровому инструмент приводится энергией колебаний магнитострикционного вибратора.
• Высокочастотный. Основан на воздействии на породу электромагнитных высокочастотных волн.
• Электрогидравлический.
• Электроимпульсный. Заполнение скважин жидкостью, характеризующейся большим электросопротивлением, чем порода, и подача тока.

Физические

Ряд экспериментальных методов.

• Ультразвуковой.
• Лазерный.
• Плазменный.

Взрывоударная

Предполагает осуществление последовательных взрывов микрозарядов на забое. Капсулы подаются с водой по трубам и активируются от удара. Используется для прочных пород.