Немеханические способы бурения скважин

Обновлено: 07.07.2024

Электроимпульсный способ бурения скважин в горных породах

Электроимпульсный способ бурения скважин в горных породах.

Электроимпульсный способ бурения скважин в горных породах является принципиально новым способом разрушения горных пород и бурения скважин. Данный способ имеет высокий КПД преобразования электрической энергии в механическую и высокую скорость бурения. Например, 2 м/час при бурении скважины диаметром 380-400 мм в граните. Электроимпульсным способом могут быть разрушены практически все горные породы.

Описание:

Электроимпульсный способ бурения скважин в горных породах является принципиально новым способом разрушения горных пород и бурения скважин диаметром более 300 мм.

Электроимпульсным способом могут быть разрушены практически все горные породы, исключая породы с очень высокой (металлической) электропроводностью.

Преобразование электрической энергии в механическую работу разрушения происходит непосредственно в горной породе без промежуточных ступеней трансформации. Разрушение горной породы осуществляется крупным сколом. Это обеспечивает высокий КПД перехода энергии накопителя в работу разрушения, низкую энергоемкость и высокую производительность отбойки горной породы на забое скважины.

Особенностью электроимпульсного способа бурения является существенное возрастание эффективности проходки с увеличением диаметра скважины (бурового наконечника) при условии оптимизации режима бурения.

Электроимпульсный способ бурения позволяет бурить скважины с отбором керна, возможно бурение скважин любой формы. Практически было выполнено бурение скважин квадратного, эллипсообразного сечений. Априори возможно эффективное искривление скважин и многозабойное бурение.

Схемы промывки скважин при электроимпульсном бурении существенно не отличаются от традиционных для механических способов бурения . Устье скважины оборудуется кондуктором. Циркуляция жидкости обеспечивается насосом . Вынос шлама осуществляется той же жидкостью, в которой происходит разрушение горной породы на забое скважины. Шлам осаждается в отстойниках или удаляется при помощи циклонов. В качестве промывочной жидкости применяются различные растворы на нефтяной основе. Возможно бурение на технической воде и растворах на водной основе.

Преимущества:

Конструкция:

Упрощенная технологическая схема электроимпульсного бурения скважин включает внешний источник- генератор высокого импульсного напряжения, буровой снаряд, спускоподъемное устройство, систему промывки скважины.

Буровой снаряд состоит из бурового наконечника, колонны бурильных труб и высоковольтного ввода.

Передача импульсов высокого напряжения от внешнего высоковольтного генератора импульсных напряжений к буровому наконечнику осуществляется через высоковольтный ввод по центральному токопроводу, расположенному коаксиально в колонне бурильных труб, который зафиксирован внутри колонны с помощью изоляторов.

Буровой наконечник состоит из совокупности высоковольтных (1) и заземленных (2) электродов, объединенных в единую конструкцию, но электрически изолированных друг от друга.

СПОСОБЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Бурение скважин и шпуров – процесс образования в массиве горных пород искусственных цилиндрических полостей небольшого поперечного сечения с помощью бура или другого породоразрушающего инструмента.

Процесс бурения заключается в последовательном разрушении пород на поверхности забоя скважины (шпура) и извлечении продуктов разрушения на поверхность.

Различают механические и немеханические способы бурения. Механические разделяют на - ударное и вращательное бурение. К немеханическим относят - термическое, гидравлическое, электроимпульсное, ультразвуковое, электрогидравлическое, электромагнитное, взрывное и др. виды бурения.

При ударном бурении разрушение пород в скважине происходит в результате последовательных ударов по её забою инструмента (буровой коронки и штанг), совершающего возвратно-поступательное движение. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивая разрушение породы по всей площади забоя.

Ударное бурение в зависимости от преобладающего вида движения бурового инструмента делится на - ударно-поворотное, ударно-вращательное и вращательно-ударное.

При вращательном бурении разрушение пород на забое скважины производится путем среза, смятия, раздавливания, скалывания и в меньшей степени истирания вращающимся под постоянным осевым давлением буровым инструментом (коронками, долотом, дробью). К вращательным способам относят – бурение резцовыми коронками, шарошечное, дробовое, алмазное.

Ударное бурение на карьерах осуществляется станками ударно-канатного бурения и станками с погружным пневмоударником. Станки ударно-канатного бурения широко применяли на карьерах для бурения взрывных скважин диаметром 200-300 мм до начала 60-х годов. В настоящее время они полностью заменены более производительными буровыми станками ударно-вращательного бурения..

Ударно-вращательное бурение в варианте с погружными пневмоударниками применяют для бурения скважин диаметром 100-200 мм и глубиной до 30 м на карьерах производственной мощностью до 4 млн. м 3 /год при бурении высокоабразивных весьма и исключительно труднобуримых пород с f = 20., а также при вспомогательных работах в варианте штангового бурения ручными и колонковыми перфоратами для заоткостка бортов крьера, выравнивание подошвы уступов и добыче высокоценных пород исключающих их переизмельчение. Производительность бурения составляет 10÷35 м/смену.

Вращательное бурение скважин осуществляется станками шнекового, шарошечного и алмазного бурения.

Станки вращательного шнекового бурения широко применяют для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 120-200 мм и глубиной до 25 м в породах ниже средней крепости (f ≤ 4-6), главным образом на угольных разрезах (уголь, аргиллиты, мягкие известняки) и при разработке непрочных строительных пород (мергель, мягкий известняк и др.). Производительность их 15-120 м/смену.

Станки вращательного шарошечного бурения применяют для бурения вертикальных и наклонных скважин в породах средней крепости и крепким диаметром 145-660 мм глубиной до 60 м.

Станки вращательного алмазного бурения применяют в породах с f = 10-20; диаметром 36÷110 мм (чаще до 76 мм)

Термическое (огневое) бурение получило распространение при бурении скважин диаметром 250-360 мм и глубиной до 17-22 м, главным образом, в весьма и исключительно труднобуримых кварцсодержащих породах (f >10). Оно может успешно применяться в породах с f = 10-16. Хрупкое разрушение пород происходит в результате нагрева забоя скважины сверхзвуковыми раскаленными струями и появления термических напряжении, превышающих предел прочности минерального образования.

СТАНКИ ДЛЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН

Стандарт устанавливает три подгруппы станков для открытых горных работ:

1. СБШ — станки вращательного бурения шарошечными долотами с очисткой скважины воздухом (шарошечного бурения) — пяти типоразмеров с условными диаметрами буримой скважины от 160 до 400 мм при крепости пород f = 6÷18;

2. СБУ — станки ударно-вращательного бурения погружными пневмоударниками с очисткой скважины воздухом (пневмо-ударного бурения) — трех типоразмеров с условными диаметрами скважины — 100, 125 и 160 мм при f = 10÷20;

3. СБР — станки вращательного бурения резцовыми коронками с очисткой скважины шнеком (шнекового бурения) — двух типоразмеров с условными диаметрами буримой скважины 160 и 200 мм при f = 4÷6.

Типоразмеры станков, определяемые главным параметром, — условным диаметром пробуриваемой скважины, базируются на десятом ряде предпочтительных чисел и предусматриваются для бурения скважин диаметрами 100, 125, 160, 200, 250, 320 и 400 мм.

Техническая характеристика шарошечных буровых станков

Показатели	2СБШ-200-32	СБШ-250МНА-32	СБШ-320-36
Диаметр долота, мм	215,9; 244,5	244,5; 269,9
Глубина скважины, м
Направление бурения к вертикали, град.	0; 15; 30	0; 15; 30
Длина штанги, м	17,5
Коэффициент крепости пород f	5 - 14	более 12	более 18

Буровой инструмент

Долота для вращательного бурения выпускают двух основных типов – режущего и шарошечного типа.

Режущие долота имеют две основные разновидности со съемными и не съемными режущими элементами, армируемыми пластинами или зубками из твердого сплава или, в долотах специального назначения, искусственными монокристаллами и натуральными алмазами.

Основные типоразмеры долот режущего типа изготовляются в диапазоне 149,2 – 444,5 мм. Кратные 1/2², 3/4², 7/8² Основные фирмы производители «Сендвик» (Швеция), «Дженерал Электрик», «Секъюрити» (США) и др.

По конструктивному оформлению различают: лопастные, пикообразные и шнековые долота (см. Рис. 3.5.). Для повышения износостойкости долот лопасти армируют твердым сплавом

Шарошечные долота изготовляются фирмами: «Секъюрити», «Бэйкер-Хьюс» (США); «Сендвик Рок Тулз» (Швеция) и др. В бывшем СССР выпускалось 13 типов шарошечных долот сплошного бурения диаметром 46 – 508 мм (ГОСТ20692-75)

Шарошка (рис. 3.6) – инструмент свободно сидящий на своей оси и разрушающий забой скважины при качении по его поверхности. В зависимости от типа вооружения шарошки различают: зубчатые, штыревые, дисковые, комбинированные. По форме – конические и цилиндрические. По принципу воздействия на забой – дробящие дробящие-скалывающие.

Шарошки дробящего действия характеризуются минимальным скольжением зубьев при перекатывании по забою и отсутствием фрезерующего действия по стенкам скважины периферийными зубьями. Различают следующие их типы: Т- для бурения твердых пород; ТЗ – твердых абразивных пород; ТК - твердых пород с пропластками крепких ТКЗ – твердых крепких абразивных пород; К – крепких пород; ОК – очень крепких пород.

Шарошки дробяще-скалывающего действия характеризуются увеличением скольжения зубьев при перекатывании по забою и стенкам скважины. Различают следующие их типы: М – для бурения мягких пород; МЗ - мягких абразивных пород; МС - мягких пород с пропластками пород средней твердости; МСЗ - мягких абразивных пород с пропластками пород средней твердости; С – пород средней твердости; СЗ – абразивных пород средней твердости; СТ – абразивных пород средней твердости с пропластками твердых.

ВЗРЫВАНИЕ СКВАЖИННЫХ ЗАРЯДОВ

Сущность метода скважинных зарядов заключается в размещении взрывчатого вещества в наклонных или вертикальных скважинах с забойкой верхней части инертными материалами из песка, буровой мелочи или забоечного материала специального состава.

Скважины в пределах взрывного блока располагаются в один или несколько рядов параллельно верхней бровке уступа и размещаются друг от друга на расчетном расстоянии по прямоугольной сетке или в шахматном порядке. Расстояние от первого ряда скважин до верхней бровки уступа с должно обеспечивать безопасность размещения станка на уступе и рабочих по заряжанию скважин. Расстояние между скважинами выбирается таким образом, чтобы разрушения в массиве от каждой скважины перекрывали друг друга, не образуя «порогов» в основании уступа .

Взрывной блок при однорядном расположении скважин взрывается мгновенно или с интервалом через скважину, при многорядном — с интервалом между сериями, которые конструируются в зависимости от выбираемого способа формирования развала (рис.). Объем одновременно взрываемого блока принимается в зависимости от режима взрывных работ на карьере (один раз в смену, сутки, неделю и месяц) и производительности экскаватора в забое.

Основными параметрами взрывных работ при скважинном методе разрушения массива являются: диаметр заряда d; линия сопротивления по подошве W, которая представляет собой расстояние от нижней бровки уступа до оси заряда; расстояние между зарядами в ряду a ; расстояние между рядами b ; расстояние между верхней бровкой уступа и первым рядом скважин c; глубина скважины l; глубина перебура l_п ; длина забойки l_з ; длина заряда l_зар; величина заряда P кг; ширина b_р и высота развала h_р .

Наибольшее влияние на степень дробления пород оказывает удельный расход взрывчатого вещества.

Эмпирическая зависимость между удельным расходом и степенью дробления

Расстояние между рядами при многорядном расположении зарядов в шахматном порядке b = 0,85a и при квадратной сетке b = a.

Минимальное значение линии сопротивления по подошве определяется из геометрических параметров уступа

В зависимости от линии сопротивления по подошве рассчитывается расстояние между скважинами и рядами и масса зарядов.

Перебур осуществляют с целью проработки подошвы. В настоящее время ее определяют по эмпирическим зависимостям с учетом линии сопротивления по подошве и удельного расхода взрывчатого вещества

В практике буровзрывных работ расстояние между зарядами рассчитывают на основании эмпирических данных, при которых за критерий действия взрыва принимают качественный показатель (плохое, удовлетворительное или хорошее дробление). Расчетные зависимости для определения расстояния между скважинами и рядами следующие: а = (0,8÷1,4)W; b = (0,91)W при короткозамедленном взрывании; b = 0,85W при мгновенном взрывании и шахматном расположении скважин. Цифра перед W есть коэффициент сближения скважин (относительное расстояние между зарядами), который обозначается m . Его величина зависит от свойств массива, требуемой степени дробления, последовательности взрывания зарядов и т. п. Меньшие значения m применяются для трудновзрываемых пород.

Взрывчатые вещества и конструкции их зарядов

На карьерах используются следующие виды взрывчатых веществ: порошкообразные (аммониты, аммоналы, детониты); гранулированные (гранулиты, граммониты); водонаполненные (акватолы, акваниты). Некоторые взрывчатые вещества изготовляют на месте их применения, т. е. на самих карьерах. Это дешевые взрывчатые вещества, состоящие из смеси гранулированной аммиачной селитры с жидким компонентом.

Для взрывания скважин на карьерах применяют сплошные и рассредоточенные заряды.

Сплошные заряды могут состоять из одного типа ВВ (днородный по взрывчатому веществу заряд (рис. 4.7, а и б) или из нескольких типов ВВ.

Сплошной однородный колонковый заряд является наиболее простым и наименее трудоемким по заряжанию и поддающимся полной механизации, (кроме размещения детонирующего шнура и патрона-боевика). Для лучшего дробления породы длина колонкового заряда должна быть не менее 2/3L_скв (длины скважины) или 0,6÷0,8 W.

Сплошной колонковый заряд из разных типов ВВ состоит из двух частей - в нижней части заряда помещают более мощное водоустойчивое взрывчатое вещество типа гранитола и алюмотола для обеспечения качественной проработки подошвы, а в верхней части—более дешевое взрывчатое вещество типа игданита, гранулита или граммонита.

Рассредоточенные воздушным, или инертным промежутком заряды применяют для рыхлении разнопрочных пород по высоте уступа. Для равномерного рыхления заряды ВВ размещают в более прочных породах а воздушные промежутки в слабых. В качестве разделителя зарядов по глубине скважин используют пыжи из поролона, бумаги, деревянных чурок, засыпку из инертного материала и полиэтиленовые мешки, заполненные водой.

При рассредоточенных зарядах каждый участок заряда ВВ взрывают своим собственным патроном боевиком с детонирующим шнуром.

Патрон-боевик в каждой скважине располагается, как правило, на уровне подошвы уступа (рис. 3.7). Это обеспечивает совпадение направления детонации заряда взрывчатого вещества и направления разрушения массива, а также лучшую проработку подошвы.

Длина забойки не зависит от конструкции заряда и принимается от 20d_скв в трещиноватых породах до 35d_скв в крепких породах.

СПОСОБЫ ИНИЦИИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВ ВВ

Для взрывания скважинных зарядов на карьерах применяют: - огневой, электрический и детонирующим шнуром способы взрывания. При огневом способе используется огнепроводный шнур с капсюлями-детонаторами (Рис. 4.8, а), при электрическом — электродетонаторы (Рис. 4.8, б и в). Взрывание детонирующим шнуром заряда взрывчатого вещества производится при инициировании его самого капсюлем-детонатором от огнепроводного шнура или электродетонатора.

Электровзрывание применяют для инициирования зарядов при всех методах ведения взрывных работ, но при отсутствии опасности по блуждающим токам и электромагнитной индукции. Замедление при электровзрывании осуществляется специальными электродетонаторами промежуточного или замедленного действия.

Для взрывания скважинных зарядов на карьерах применяют следующие способы: огневой, электрический и детонирующим шнуром. При огневом способе используется огнепроводный шнур с капсюлями-детонаторами, при электрическом — электродетонаторы. Взрывание детонирующим шнуром заряда взрывчатого вещества производится при инициировании его самого капсюлем-детонатором от огнепроводного шнура или электродетонатора.

При инициировании детонирующим шнуром сплошного или рассредоточенного воздушным промежутком заряда возникает практически мгновенно цилиндрическое поле напряжений, которое с одинаковой скоростью распространяется до поверхности обнажения. Такой способ инициирования рекомендуется для зарядов наклонных скважин и зарядов второго и последующего рядов скважин, при короткозамедленном взрывании многорядных блоков, в которых расстояние от заряда до поверхности обнажения близко к равномерному по всей высоте уступа. Для зарядов первого ряда скважин с целью лучшей проработки подошвы уступа применяют инициирование от детонатора, расположенного в нижней части заряда.

Инициирование гранулированных и водонаполненных взрывчатых веществ из-за их низкой чувствительности к возбуждениям детонации производится от патронов-боевиков в виде небольшого заряда аммонита или специальных тротиловых, тротилтетриловых или тротилгексогеновых шашек, взрываемых непосредственно детонирующим шнуром.

При взрывании массива уступа скважинными зарядами ширина развала В_р (от линии скважин первого ряда) пропорциональна удельному расходу взрывчатого вещества q , линии сопротивления по подошве W и высоте уступа h

При коэффициенте разрыхления k_р = 1,2-1,4 и однорядном расположении скважин высота развала h_p = (0,5-0,6) h.

Классификация способов бурения

Классификация способов бурения на нефть и газ приведена на рис. 6.2.

По способу воздействия на горные породы различают механическое и немеханическое бурение. При механическом бурении буровой инструмент непосредственно воздействует на горную породу, разрушая ее, а при немеханическом разрушение происходит без непосредственного контакта с породой источника воздействия на нее. Немеханические способы (гидравлический, термический, электрофизический) находятся в стадии разработки и для бурения нефтяных и газовых скважин в настоящее время не применяются.

Механические способы бурения подразделяются на ударное и вращательное.

В настоящее время при бурении нефтяных и газовых скважин ударное бурение в нашей стране не применяют.

Нефтяные и газовые скважины сооружаются методомвращательного бурения. При данном способе породы дробятся не ударами, а разрушаются вращающимся долотом, на которое действует осевая нагрузка. Крутящий момент передается на долото или с поверхности от вращателя (ротора) через колонну бурильных труб (роторное бурение) или от забойного двигателя (турбобура, электробура, винтового двигателя), установленного непосредственно над долотом.

Турбобур - это гидравлическая турбина, приводимая во вращение с помощью нагнетаемой в скважину промывочной жидкости Электробур представляет собой электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности.Винтовой двигатель - это разновидность забойной гидравлической машины, в которой для преобразования энергии потока промывочной жидкости в механическую энергию вращательного движения использован винтовой механизм.

По характеру разрушения горных пород на забое различают сплошное и колонковое бурение. Присплошном бурении разрушение пород производится по всей площади забоя.Колонковое бурение предусматривает разрушение пород только по кольцу с целью извлечениякерна - цилиндрического образца горных пород на всей или на части длины скважины. С помощью отбора кернов изучают свойства, состав и строение горных пород, а также состав и свойства насыщающего породу флюида.

Всебуровые долота классифицируются на три типа:

1) долота режуще-скалывающего действия, разрушающие породу лопастями (лопастные долота);

2) долота дробяще-скалывающего действия, разрушающие породу зубьями, расположенными на шарошках (шарошечные долота);

3) долота режуще-истирающего действия, разрушающие породу алмазными зернами или твердосплавными штырями, которые расположены в торцевой части долота (алмазные и твердосплавные долот

Буровое и промысловое оборудование

Бурение - это процесс сооружения скважины путем разрушения горных пород.

Бурение скважин осуществляется с помощью буровых установок, оборудования и инструмента.

Буровая установка - это комплекс наземного оборудования, необходимый для выполнения операций по проводке скважины. В состав буровой установки входят (рис. 6.4):

1. -- буровая вышка;

2. - оборудование для механизации спуско-подъемных операций;

3. - наземное оборудование, непосредственно используемое при бурении;

4. - силовой привод;

5. - циркуляционная система бурового раствора;

6. - привышечные сооружения( насосная, трансформаторная, стенд для труб и т. д.)

1.Буровая вышка - это сооружение над скважиной для спуска и подъема бурового инструмента, забойных двигателей, бурильных и обсадных труб, размещения бурильных свечей (соединение двух-трех бурильных труб между собой длиной 25. 36 м) после подъема их из скважины и защиты буровой бригады от ветра и атмосферных осадков.

Различают два типа вышек: башенные (рис. 6.5) и мачтовые . Их изготавливают из труб или прокатной стали.

Вышки мачтового типа бывают одноопорные и двухопорные (А-образные). Последние наиболее распространены.

А-образные вышки более трудоемки в изготовлении и поэтому более дороги. Они менее устойчивы, но их проще перевозить с места на место и затем монтировать.

Рис. 6.4 Схема бурения скважины

Рис. 6.5 Башенная и мачтовая буровые вышки

Высота вышки определяет длину свечи, которую можно извлечь из скважины и от величины которой зависит продолжительность спускоподъемных операций. Чем больше длина свечи, тем на меньшее число частей необходимо разбирать колонну бурильных труб при смене бурового инструмента. Сокращается и время последующей сборки колонны. Поэтому с ростом глубины бурения высота и грузоподъемность вышек увеличиваются. Так, для бурения скважин на глубину 300. 500 м используется вышка высотой 16. 18 м, глубину 2000. 3000 м - высотой - 42 м и на глубину 4000. 6500 м - 53 м.вышки.

Буровая установка(рисунок виден при распечатывании)

Способы бурения, составляющие бурового оборудования и технологического инструмента

БУРЕНИЕ скважин – процесс искусственного образования в массиве выработки небольшого круглого сечения (скважины).

Процесс бурения заключается в последовательном разрушении поверхности забоя скважины и извлечении продуктов разрушения на поверхность.

Способы бурения различают механические и не механические.

Механические разделяются на ударный и вращательный способы.

Немеханические способы бурения: термическое, взрывом, электроимпульсное, ультразвуковое, электрогидравлическое, электромагнитное и т. д.

При ударном бурении разрушение происходит в результате последовательных ударов по забою скважины инструмента (штанг и буровой коронки), совершающего возвратно-поступательное движение. Перед каждым следующим ударом инструмент поворачивается на некоторый угол, обеспечивает тем самым разрушение породы по всей площади забоя.

Ударное бурение делится на ударно-поворотное, ударно-вращательное и вращательно-ударное.

Ударно-поворотное бурение, осуществляемое бурильными машинами колонкового или телескопного типа с использованием свинчивающихся или цельных гибких штанг. называется штанговым, его достоинства высокая скорость и возможность проходки скважин малого диаметра, недостаток резкое снижение скорости бурения при глубине скважины более 12 м в породах средней крепости и более 4 м в крепких породах.

Бурильные машины с независимым вращением коронки и выносными ударными механизмами позволяют значительно увеличить глубину штангового бурения.

К ударно-поворотному бурению относится ударно-канатное, при котором подвешенный на канате буровой снаряд, поднимаемый с помощью ударного механизма, падает и наносит удары по забою скважины, разрушая породу лезвием долота.

В процессе бурения в скважину постепенно наливают воду, разрушенная порода переходит во взвешенное состояние – шлам, который периодически удаляется из скважины желонкой.

Ударно-вращательное бурение осуществляется погружными пневмоударниками и бурильными молотками с независимым вращением, при котором удары наносятся по непрерывно-вращающемуся инструменту, разрушающему забой.

При вращательном бурении разрушение забоя скважины производится путем смятия, раздавливания, скалывания и в меньшей степени истирания вращающимся буровым инструментом (коронками, долотом, дробью).

Удаление продуктов разрушения из забоя производится с помощью витых штанг (при бурении шпуров), шнеков (при бурении скважин), а также водой или воздухом. К вращательным способам бурения относятся: бурение коронками, армированными резцами из твердого сплава, шарошечное и дробовое бурение, а также бурение алмазным инструментом.

При шарошечном бурении разрушение забоя про изводится стальными или твердосплавными зубками шарошечных долот. Под действием осевого усилия зубки внедряются в породу на глубину, зависящую от их формы, величины осевого усилия и физико-механических свойств породы. Если к шарошечному долоту приложить ударные нагрузки с помощью соответствующих механизмов, то эффективность бурения возрастает.

Удаление продуктов разрушения из скважины производится воздухом, водовоздушной смесью или водой.

При дробовом бурении, осуществляемом чугунной, стальной дробью или стальными шариками, разрушение забоя скважины происходит за счет деформаций смятия и раздавливания, которые образуются при вдавливании дроби в породу под действием осевого усилия.

Буровая дробь – литые стальные или чугунные шарики, а также стальные кубики и цилиндрики (стальная дробь-сечка), применяемые для разрушения горных пород во время бурения. Диаметр дроби при бурении 1,5-5,5 мм.

Дробовое бурение может осуществляться кольцевым (керновое бурение) и сплошным (бескерновое бурение) забоем.

При кольцевом забое в центральной части скважины остается неразрешенная порода керн, который входит в металлическую трубу и периодически извлекается из нее. При бескерновом бурении забой разрушается полностью, в этом случае дробь перемещается по забою под действием составляющей окружного усилия, центробежной силы, статической и динамической нагрузок и разрушает породу по спиральной линии.

Алмазноебурение применяется при разработке крепких и весьма крепких руд.

Вращательное бурение в зависимости от способа передачи момента на буровой инструмент разделяется на роторное, электробуром, турбинное и реактивно – турбинное.

При роторном бурении момент вращения передается на буровой инструмент от привода через ротор и буровую колонну. При бурении электробуром и турбинном бурении двигатель (электрический и гидротурбина соответственно) расположен непосредственно в забое над буровым инструментом.

Известны комбинированные буровые снаряды, объединяющие два способа бурения: вращательный (шарошечный) и ударный.

Вращательное движение инструменту передается от бурового станка, а удар осуществляется пневмоударником, работающем на сжатом воздухе (возможно также на воздушно-водяной смеси). Сжатым воздухом охлаждаются шарошки и выносятся продукты бурения.

К вибрационно-вращательному бурению относится способ разрушения породы, основанный на принципе высокочастотных ударных воздействий, создаваемых механическими эксцентриковыми вибраторами или вибромолотами. Исполнительный орган (долото и коронка), представляющий единый механизм с вибратором, одновременно выполняет два вида движения: возвратно-поступательное – под действием возмущающих импульсов вибратора и вращательное – от привода станка. В результате такого комбинированного воздействия происходит разрушение породы. Продукты разрушения удаляются из скважины водой или сжатым воздухом.

При термическом бурении (огневом) используется высокая температура газов, вытекающих отдельными струями со сверхзвуковой скоростью из специальной горелИ ракетного типа. Высокая температура создается при сгорании в струе кислорода (или сжатого воздуха) керосина, бензина – для горелок ракетного типа и при нагревании продуваемого через газовый разряд воздуха и подаче его на забои по соплам – для горелок плазменного типа.

При воздействии тепловых потоков на массив наиболее нагретыми оказываются участки в непосредственной близости от поверхности и сама поверхность нагрева. Свободному расширению нагретых участков породы препятствует противодействие не нагретых участков, в породе возникают термические напряжения, вызывающие отслаивание от массива чешуек породы, которые выносятся отработанными газами из зоны действия горелки вверх на струю воды, вытекающую из трубы, расположенной выше горелки.

При взрывномбурении образование скважин осуществляется взрыванием зарядов ВВ непосредственно в забое. При ампульном взрывном бурении заряды ВВ в видe ампул опускаются по трубам, при струйном – подаются в виде жидкого окислителя и горючего по специальным трубам из емкостей, расположенных на поверхности, к дозирующим приспособлениям забойного взрывобура.

Продукты разрушения удаляются жидкостью или продуктами взрыва и сжатым воздухом.

При ультразвуковом бурении разрушение породы происходит в основном за счет внедрения зерен абразива (карбид бора, окись алюминия, карбид кремния) под действием ультразвуковых колебаний, сообщаемым им рабочим инструментом (металлической трубкой). В зону контакта инструмента с породой подается водная суспензия абразивов.

Электрогидравлическое бурение осуществляется электрическими разрядами, создаваемыми в воде между двумя электродами, расположенными на определенном расстоянии друг от друга.

Основной вид бурения – вращательный, при котором скважина углубляется в результате одновременного воздействия на долото нагрузки и крутящего момента. Под действием нагрузки породоразрушающие элементы долота внедряются в породу, а под влиянием крутящего момента скалывают, дробят и истирают ее.

Существует два способа вращательного бурения — роторный и с забойными двигателями.

При роторном бурении ротор вращает всю бурильную колонну, состоящую из ведущей трубы и привинченных к ней с помощью специального переводника бурильных труб, и долота.

При бурении с забойными двигателями, вал забойного двигателя вращает долото, а бурильная колонна и корпус забойного двигателя неподвижны. Характерной особенностью вращательного бурения является промывка скважины водой или специально приготовленной жидкостью в течение всего времени работы долота на забое.

Для этого два (реже один или три) буровых насоса, нагнетают промывочную жидкость по трубопроводу бурильную колонну. Дойдя до долота, промывочная жидкость проходит через отверстия, имеющиеся в нем, и по кольцевому пространству между стенкой скважины и бурильной колонной поднимается на поверхность. Здесь в очистительных механизмах жидкость очищается от выбуренной породы, затем поступает в приемные емкости насосов и вновь закачивается в скважину.

По мере углубления бурильная колонна, подается в скважину. Когда ведущая труба войдет в ротор на всю длину, бурильную колонну поднимают на длину ведущей трубы и удлиняют (наращивают) путем привинчивания к ней так называемой свечи привинчивают ее к бурильной колонне, доводят долото до забоя и продолжают бурение.

Для замены изношенного долота поднимают из скважины всю бурильную колонну, а затем вновь спускают ее. К последнему с помощью стропов и элеватора подвешивают поднимаемую или спускаемую бурильную колонну.

При подъеме бурильную колонну развинчивают на секции, длина которых определяется высотой вышки (около 25 м при высоте вышки 41 м). Отвинченные секции, называемые свечами, устанавливают в фонаре вышки на специальном подсвечнике.

Спускают бурильную колонну в скважину в обратном порядке. Следовательно, процесс работы долота на забое скважины прерывается наращиванием бурильной колонны и спуско-подъемными работами для смены изношенного долота.

В настоящее время применяют два вида забойных двигателей— турбобур и электробур.

При бурении с турбобуром гидравлическая энергия потока промывочной жидкости, двигающегося с большой скоростью вниз по бурильной колонне, преобразуется в механическую на валу турбобура, с которым соединено долото. В процессе работы долота на забое жестко соединенные корпус турбобура и бурильная колонна воспринимают реактивный момент и медленно вращают. Электроэнергия к двигателю электробура подается по кабелю, секции которого смонтированы внутри бурильной колонны.

Как правило, верхние участки разреза скважины представлены современными отложениями, легко размывающимися в процессе бурения циркулирующим потоком жидкости. Поэтому перед бурением скважины бурят или копают вручную шурф до устойчивых пород (4—8 м) и в него спускают обсадную трубу, называемую направлением. Пространство между обсадной трубой и стенками шурфа заполняют бутовым камнем и заливают цементным раствором. В результате устье скважины надежно укрепляется. В верхней части направления заранее вырезается окно, из которого в процессе бурения скважины промывочная жидкость выходит в желобную систему.

После установки направления и проведения ряда других работ (контрольный осмотр оборудования, монтаж и наладка приборов, оснастка полиспастной системы, бурение шурфа под ведущую трубу) составляют акт о готовности смонтированной буровой и приступают к бурению скважины.

Пробурив неустойчивые, мягкие, трещиноватые и кавернозные породы, осложняющие процесс бурения (обычно 50—400 м), перекрывают и изолируют эти горизонты, для чего в скважину спускают обсадную колонну, состоящую из свинченных стальных труб, а ее затрубное пространство цементируют. Первая обсадная колонна получила название кондуктор.

После спуска кондуктора не всегда удается пробурить скважину до проектной глубины из-за прохождения новых осложняющих горизонтов или из-за необходимости перекрытия продуктивных пластов, не подлежащих эксплуатации данной скважиной. В таких случаях возникает потребность в спуске и последующем цементировании второй обсадной колонны, называемой промежуточной. При дальнейшем углублении скважины вновь могут встретиться горизонты, подлежащие изоляции. Тогда спускают и цементируют третью обсадную колонну, называемую второй промежуточной колонной.

В очень сложных условиях бурения может быть три и даже четыре промежуточных колонны.

Пробурив скважину до проектной глубины, спускают и цементируют эксплуатационную колонну, предназначенную для подъема нефти или газа от забоя к устью скважины или для нагнетания воды (газа, воздуха) в продуктивный пласт в целях поддержания давления в нем.

Тампонаж (изоляция) при бурении скважин применяют для отделения одного горизонта от другого с целью исследования водо-, нефте- и газоносных пластов, устранения циркуляции подземных вод по стволу скважины, для борьбы с катастрофическим поглощением промывочной жидкости и т. д.

Тампонаж бывает временный и постоянный. Временный применяют для изоляции пластов на короткий срок при малых напорах с помощью обсадных труб совместно с глиной или с помощью пакера - приспособления, спускаемого в скважину на трубах, для разобщения пласта с затрубным пространством или двух пластов между собой.

Постоянный тампонаж осуществляют с помощью колонны труб и цемента или только цемента, - быстродействующего портландцемента, называемого тампонажным.

Проверяют герметичность труб и количество тампонажа путем нагнетания воды в скважину и наблюдения за ее подъемом в затрубном пространстве; пробурив цемент и углубившись на 0,5 м. ниже цемента, тем самым проверяют качество тампонажа. После получения положительного результата простреливают (перфорируют) колонну и цементное кольцо против исследуемого пласта и приступают к его пробной эксплуатации.

После окончания цементировочных работ обвязывают устье скважины и против продуктивного пласта простреливают (перфорируют) эксплуатационную колонну и цементный камень для создания каналов, по которым в процессе эксплуатации нефть (газ) будет поступать в скважину.

Для вызова притока нефти (газа) проводят освоение скважины, сущность которого сводится к тому, чтобы давление столба промывочной жидкости, находящейся в эксплуатационной колонне, стало меньше пластового. В результате создавшегося перепада давления нефть (газ) из пласта начинает поступать в скважину и после комплекса исследовательских работ скважину сдают в эксплуатацию.

2. Немеханических способов бурения

Из немеханических способов бурения известны следующие физико-механические способы: огневой, взрывной, электроимпульсный, гидравлический. Огневое бурение не зависит от крепости буримых пород. Разрушение происходит в результате появления термонапряжений в поверхностном слое породы под действием раскаленных струй газов при температуре более 2000°, вылетающих из сопел горелок со скоростью более 2000 м/с. Этим способом хорошо разрушаются кварцсодержащие породы, поскольку коэффициент линейного теплового расширения у кварца намного меньше, чем у большинства других породообразующих минералов.

Топливом при огневом бурении служит бензин или керосин, а окислителем – сжатый воздух.

При взрывном бурении порода разрушается на забое в результате взрывания' зарядов ВВ, последовательно подаваемых на забой. Известны два варианта взрывного бурения. При первом варианте (патронное бурение) заряды твердых ВВ, снабженные детонаторами ударного действия, подают на забой по трубам потоком сжатого воздуха, поступающего от компрессора.

Во втором варианте (струйное взрывное бурение) на забой непрерывно подают жидкие компоненты ВВ (горючее и окислитель). В формирующийся заряд (с частотой от 1 до 1000 мин -1 и более) с помощью электромагнитного клапана подают небольшое количество инициирующего состава.

Практического значения взрывной способ бурения шпуров не имеет, так как коэффициент использования энергии ВВ на разрушение породы низок, при работе взрывного бура образуется значительное количество ядовитых газов, а также затруднено бурение в обводненных и трещиноватых породах.

Не вышли за рамки исследований и не получили промышленного распространения такие физико-механические способы бурения, как электрический, ультразвуковой, электрогидравлический, струями воды под высоким давлением (гидравлический), плазменный и др.

Известны также и комбинированные способы бурения скважин. Например, ударно-шарошечные долота представляют собой комбинацию погружного пневмоударника и шарошечных долот. К комбинированному относят режуще-шарошечный инструмент для бурения перемежающихся по крепости пород; долота, работающие по термомеханическому способу, и др. Но все они не имеют широкого практического использования и совсем не применяются для бурения шпуров.

Читайте также: