Классификация способов разрушения горных пород при бурении скважин

Тема 1 – Введение. Общие сведения о буровых работах.

БУРЕНИЕ (а. drilling, соring, boring; н. Воhren, Воhrarbeit; ф. forage, sondage; и. perforacion) — процесс образования горной выработки преимущественно круглого сечения путём разрушения горных пород, главным образом буровым инструментом (реже термическим, гидроэрозионным, взрывным и другими способами) с удалением продуктов разрушения.

При бурении разрушение ведётся по всей площади забоя (бескерновое бурение), реже только по кольцевому пространству для извлечения керна (Колонковое бурение). Диаметры пробуриваемых выработок составляют десятки миллиметров (шпуры), сотни миллиметров (скважины), тысячи миллиметров (стволы шахтные). Глубина бурения определяется областью его применения и составляет несколько метров (в основном шпуры), десятки метров (скважины для размещения взрывчатых веществ, закрепления горных пород цементированием, замораживанием и др.), сотни и тысячи метров (скважины — разведочные на воду, нефть и газ, эксплуатационные и др.). Процесс сооружения глубоких скважин включает также крепление стенок ствола обсадными трубами с закачкой цементного раствора в кольцевой зазор между трубами и стенками.

Бурение глубоких скважин осуществляют буровыми установками, взрывных — буровыми станками, шахтных стволов — стволопроходческими агрегатами, шпуров — бурильными молотками, свёрлами и др. Технические средства бурения включают также буровой насос или компрессор для подачи бурового раствора и газа, бурильные трубы, буровую вышку с талевой системой, породоразрушающий инструмент, оборудование для приготовления промывочной жидкости, её очистки от шлама и дегазации, противовыбросовое оборудование и контрольно-измерительную аппаратуру. Бурение производится в основном механическим способом: буровой инструмент непосредственно воздействует на горные породы, разрушая их (см. буровое долото, буровая коронка); при бурении взрывных скважин в кварцсодержащих горных пород применяют термическое бурение (струёй пламени). Механические способы бурения по методу воздействия инструмента на забой подразделяют на вращательное бурение, ударное бурение, ударно-поворотное и вращательно-ударное бурение.

По типу применяемого породоразрушающего инструмента различают шнековое бурение, шарошечное бурение, алмазное бурение, дробовое и такое прочее, по типу буровой машины – перфораторное бурение, пневмоударное бурение, гидроударное бурение, роторное бурение, турбинное бурение и такое прочее, по направлению и методу проводки скважин — кустовое бурение, вертикальное, наклонно направленное, многозабойное и др. Бурение развивается и специализируется применительно к трём основном областям горного дела: добыча жидких и газообразных полезных ископаемых, поиск и разведка полезных ископаемых, добыча твёрдых полезных ископаемых взрывным способом. Такое исторически сложившееся деление весьма условно, но методологически удобно для краткого изложения столь многопланового понятия, как "бурение".

Бурение для добычи жидких и газообразных полезных ископаемых. Имеются сведения, что в Китае свыше 2 тысяч лет назад ударным способом бурились скважины диаметром 12-15 см и глубиной до 900 м для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускали в скважину на канатах толщиной 1-4 см, свитых из тростника. Ударный способ бурения до появления в конце 19 в. роторного бурения практически оставался единственным.

В России бурение первых скважин относится к 9 в. и связано с добычей растворов поваренной соли в Старой Руссе. Затем соляные промыслы развиваются в Балахне (12 в.) и Соликамске (16 в.). Появление новых методов и техники бурения относится к 19 в. в связи с возрастающей необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 в Одессе было образовано "Общество артезианских фонтанов" и пробурены 4 скважины глубиной 36-189 м.

В США первая скважина пробурена для добычи соляного раствора близ Чарлстона в Западной Виргинии (1806), первая нефть из скважины получена в 1826 в штате Кентукки случайно при поисках рассолов. В 1834 немецкий инженер Эйгаузен предложил применять при штанговом ударном бурении сдвигавшуюся пару звеньев. Идея сбрасывать соединённое со штангами долото была реализована во Франции К. Г. Киндом (1844) и Фабианом (1849), которые изобрели свободно падающий буровой инструмент (фрейфал). В 1846 французским инженером Фовелем впервые успешно была пробурена в Перпиньяне скважина с очисткой забоя струёй воды, подаваемой насосом с поверхности в полую штангу.

В середине 19 в. ударное ручное бурение стало вытесняться портативными механическими станками. В России Г. Д. Романовский в 1859 впервые механизировал работы, применив паровой двигатель для бурения скважины вблизи Подольска. Первую скважину на нефть, пробуренную станком ударного бурения, заложил Дрейк в 1859 (США, штат Пенсильвания).

Первая скважина на нефть в России была пробурена в 1864 близ г. Анапа. Развитие техники бурения связано со становлениемнефтяной промышленности. На нефтяных промыслах Баку первые паровые машины появились в 1873, а через 10 лет почти повсеместно они заменили конную тягу. При бурении скважин на нефть на первом этапе получил развитие ударный способ (бурение штанговое, канатное, быстроударное с промывкой забоя). В конце 80-х гг. 19 в. в США в Новом Орлеане (штат Луизиана) внедряется роторное бурение на нефть с применением лопастных долот и промывкой глинистым раствором. В России роторный способ с промывкой впервые применили в 1902 в г. Грозный для бурения скважины на нефть глубиной 345 м. В Сураханах (Баку) в 1901 была заложена скважина для добычи газа, через год с глубины 207 м получен газ, использовавшийся для отопления завода. В 1901 на Бакинских нефтепромыслах появились первые электродвигатели, заменившие паровые машины. В начале 20 в. в США разработан метод наклонного роторного бурения долотами малого диаметра для бурения скважин с последующим расширением.

Морская скважина впервые была пробурена в 1897 в Тихом океане у острова Сомерленд (шельф Калифорнийского полуострова, США), позже бурение на море получило широкое распространение. В СССР шельфовое бурение начато в 1924 (около Баку).

В начале 20 в. в России польским инженером В. Вольским создан быстроударный забойный гидравлический двигатель (таран Вольского) — прототип современных гидроударников. В 1924 советские инженеры М. А. Капелюшников, С. М. Волох и Н. А. Корнев сконструировали редукторный турбобур, использовавшийся до 1934 при бурении скважин глубиной до 1000 м. В 1935-39 советские инженеры П. П. Шумилов, Р. А. Иоаннесян, Э. И. Тагиев и М. Т. Гусман предложили многоступенчатый безредукторный турбобур, после чего турбинный способ бурения стал основным. В 1941 они разработали также метод наклонно направленного бурения с долотами нормального диаметра без последующего расширения, который получил распространение, так как позволял сооружать несколько скважин на одном основании. В 1940 в Баку пробурена первая скважина электробуром, разработанным А. П. Островским и Н. В. Александровым. В 1941 советский инженер Н. С. Тимофеев предложил в устойчивых породах применять многозабойное бурение.

В начале 50-х гг. по предложению Р. А. Иоаннесяна, М. Т. Гусмана и Г. А. Булаха в Махачкале впервые пройдена скважина большого диаметра (около 1 м) реактивно-турбинным способом, что позволило начать работы по сооружению шахтных стволов.

В начале 60-х гг. в США Харрисон использовал героторный винтовой насос Муано для создания объёмного двигателя, который применяют для искривления скважины при наклонно направленном бурении. В СССР для бурения скважин на нефть и газ с конца 60-х гг. используется героторный двигатель с винтовой парой со значительно большим числом заходов, что позволяет увеличить вращающий момент и снизить частоту вращения. Им бурят всю скважину, а не только участки её искривления (см. Винтовой забойный двигатель).

В США роторным способом пробурена в 1975 одна из самых глубоких скважин в мире — 9583 м (см. Сверхглубокое бурение). В СССР по программе "Верхняя мантия Земли" намечено пробурить несколько скважин глубиной до 15 км. Бурение первой такой скважины начато на Балтийском щите турбобурами (к 1981 глубина достигла 11 км).

Современное бурение скважин на нефть и газ характеризуется увеличением глубины проходки, резким возрастанием общих объёмов бурения. Средние глубины скважин в США в эксплуатации бурения составляют около 1300 м, разведочном — около 1700 м; в СССР в эксплуатационном — около 1900 м, разведочном — около 3000 м. Основные объёмы бурения в СССР приходятся на турбинное бурение (около 80% общей проходки, 1975-78). Намечается увеличение объёма роторного бурения и расширение использования героторных двигателей. В США основной способ бурения на нефть и газ — роторный; при этом предполагается увеличить процент бурения забойными двигателями. Основные направления совершенствования бурения связаны с улучшением конструкций долот, двигателей, бурильных колонн, увеличением проходки долота за рейс, использованием эффективных промывочных растворов, автоматизацией процесса бурения, улучшением конструкций скважин и повышением качества их крепления.

Поиски и разведка твёрдых полезных ископаемых. Развитие разведочного бурения на твёрдые ископаемые связано с изобретением швейцарцем Ж. Лешо алмазного бура (1862). В 1899 американским инженером Дейвисом предложено дробовое бурение. В СССР дробовое бурение применено в 1927-28 советскими учёными В. М. Крейтером и Б. И. Воздвиженским для колонкового бурения, что позволило заменить этим способом алмазное бурение в крепких извержениях и метаморфических породах. В 1928-29 в СССР начинается производство буровых станков с рычажной подачей для колонкового вращательного бурения на глубине до 300-500 м, с 1947 создаются станки с рычажной дифференциальной подачей, многоскоростные станки для глубины 300-2000 м, самоходные буровые установки. С 1960 начались работы по освоению гидроударного бурения (Л. Э. Граф, А. Т. Киселёв, Д. И. Коган), что обеспечило значительное увеличение производительности твёрдосплавного колонкового бурения. Радикально совершенствуется алмазное бурение (Ф. А. Шамшев, И. А. Уткин, Б. И. Воздвиженский, С. А. Волков и др.), объёмы которого для поисков месторождений полезных ископаемых увеличиваются. При разведке крутопадающих рудных тел, когда для пересечения их на разных горизонтах проходят несколько скважин, применяют направленное многозабойное бурение, которое проводится с помощью отклоняющих устройств, устанавливаемых в скважине на разных глубинах. Разведочное бурение на твёрдые полезные ископаемые осуществляется в основном роторным способом, на который приходится около 80% метража пробуренных скважин; в ограниченных объёмах применяются ударно-вращательное, гидроударное, шнековое, вибрационное бурение и др. Работы в области разведочного бурения направлены на обеспечение сохранности извлекаемого с большой глубины керна, разработку аппаратуры и надёжных методов опробования горных пород. Совершенствование техники и технологии разведочного бурения на твёрдые полезные ископаемые связано с внедрением бурения снарядами со съёмными керноприёмниками, гидроударного, бескернового с использованием боковых сверлящих грунтоносов, полной автоматизацией всего процесса бурения.

Бурение взрывных шпуров и скважин. Машинное бурение шпуров разработано немецким механиком Г. Гутманом (1683); развитие его связано с созданием буровых машин австрийским инженером Гайншингом (1803) и английский механиком Травелом (1813). Поршневые бурильные машины для ударного бурения шпуров (предложены инженером Соммейе) впервые применили при прокладке тоннеля в Альпах, что резко сократило сроки строительства. С середины 19 в. бурение взрывных скважин на карьерах производится мощными бурильными молотками, установленными на треногах.

В начале 20 в. внедряется вращательное бурение шпуров в мягких породах электросвёрлами. В начале 20-х гг. на карьерах США впервые использованы ударно-канатные буровые станки. В СССР этот способ применялся в 30-60-е гг. и являлся основным для бурения вертикальных скважин диаметром 150-300 мм в породах выше среднего крепости. Шнековое бурение в СССР начали применять с 1939. В 1943 на Богословских угольных разрезах (Урал) испытан первый станок вращательного бурения на гусеничном ходу.

В 1947 в США на карьерах испытан один из первых станков для бурения взрывных скважин шарошечными долотами. В СССР работы по шарошечному бурению начаты в 1956. В 60-е гг. созданы серийные шарошечные станки для бурения вертикальных и наклонных скважин диаметром 214-320 мм. Мощные шарошечные станки оказались наиболее эффективными и экономичными для бурения крепких пород.

Впервые для отбойки руд глубокие взрывные скважины применены вместо шпуров в 30-х гг. в СССР для подземных выработок на Кольском полуострове и в Кривом Роге. С этого времени начинают создаваться машины для подземного бурения скважин диаметром 60-150 мм и глубиной 10-40 м. С середины 30-х гг. развивается метод штангового бурения взрывных скважин мощными бурильными молотками, что позволило внедрять массовую отбойку в подземной разработке рудных месторождений. В конце 30-х гг. на шахтах Кривого Рога успешно внедрено многомашинное бурение глубоких скважин. В 1938 советским инженером А. К. Сидоренко предложено бурение погружными бурильными молотками, входящими в скважину вслед за продвигающимся забоем. В 1949-50 на Алтае в подземных выработках были впервые испытаны станки с погружными пневмоударниками, вращение которых осуществляется с поверхности через буровой став (С. П. Юшко). В 1954 в СССР для бурения скважин диаметром 105 мм, глубиной до 40 м создан буровой станок с погружным пневмо-ударником, работающим на воздушно-водяной смеси (см. Пневмоударное бурение). Внедрение высокопроизводительных станков этого типа позволило широко распространить эффективную отбойку глубокими скважинами, которыми в СССР бурится 50 — 60% всех объёмов для добычи руд подземным способом. С 1950 для подземной добычи создаются самоходные буровые станки с мощными пневматическими и гидравлическими бурильными молотками с длинноходовыми автоподатчиками для бурения взрывных скважин диаметром 50-70 мм, глубиной до 30 м. С 50-х гг. ведутся работы по огневому бурению скважин в крепких кварцсодержащих породах. Бурение взрывных скважин на карьерах в СССР осуществляется в основном шарошечным способом (около 70%, 1981), используется шнековое бурение (около 20%). При подземной разработке угольных месторождений наибольшее распространение имеет бурение бурильными молотками и электросвёрлами, рудных — бурильными молотками, погружными пневмоударниками, шарошечными долотами.

Тема 2 – 2.1 Конструкция скважин и их выбор.