Класифікація способів буріння свердловин

У основу класифікації способів буріння свердловин можуть бути покладені різні принципи: спосіб руйнування порід, форма забою, характер енергії, що використовується або конструкція приводу, призначення свердловини і т.д. найпоширенішим в даний час є розділення способів буріння по декількох ознаках: колонкове буріння - за формою забою; роторне - по конструкції обертача; ударне - за способом руйнування порід; шнекове - за способом транспортування продуктів руйнування; ручне буріння - по вигляду енергії і т.д. Проте слід відзначити, що, при колонковому бурінні руйнування порід може здійснюватися не тільки кільцевим забоєм, але і суцільним, так само як і при роторному, шнековому і т.д. Існує також класифікація, заснована перш за все на способах руйнування гірських порід (механічний, фізичний, хімічний і т. д.) і уточнювану додатковими визначеннями – за призначенням, виду енергії або конструкції бурового механізму, за способом транспортування продуктів руйнування.

У практиці розвідувального буріння широко застосовується механічний спосіб руйнування гірських порід. Цей спосіб залежно від характеру дії породоруйнівного інструменту на гірську породу ділиться на наступні види буріння.

а) Обертальне – руйнування гірської породи на забої свердловини відбувається шляхом різання, сколювання і стирання спеціальними буровими інструментами (долота обертального типа, алмазні і твердосплавні коронки і ін.). Цей вид буріння залежно від способу руйнування забою ділиться на буріння суцільним забоєм або безкернове (рис. 2, а) і буріння кільцевим забоєм або колонкове (рис. 2, б). Цей спосіб буріння широко застосовується при пошуках і розвідці корисних копалин.

У першому випадку породоруйнівним інструментом – долотом – руйнується порода по всьому забою, а в другому - вибурюється тільки кільцевий забій, а в центрі свердловини залишається ціла колонка породи, тобто керн. Керн використовується в геології для вивчення структури і речовинного складу породи.

Обертальне буріння ділиться на буріння з двигуном на поверхні, від якого обертання буровому інструменту передається бурильними трубами, і на буріння із забійним двигуном, коли останній опускається в свердловину на бурильних трубах безпосередньо за буровим інструментом. Забійними двигунами можуть бути турбобур, гвинтовий двигун, електробур, гідровібратор і ін.

Якщо обертання колоні бурильних труб передається від двигуна через особливий механізм - ротор, розташований над гирлом свердловини, то такий вид буріння називається роторним.

При колонковому бурінні для руйнування породи, як правило, застосовуються алмази і тверді сплави, запресовані в коронку, тому розрізняють буріння алмазне і твердими сплавами.

При обертальному бурінні зруйнована порода (шлам) виноситься із забою свердловини на поверхню промивальною рідиною (водою, глинистим або соляним розчином і т. д.) або видувається стислим повітрям; при бурінні шнеком – по його витках; при бурінні ложкою або змійовиком – підіймається з свердловини разом з цим інструментом. При колонковому бурінні іноді значна частина зруйнованої породи підіймається на поверхню в шламових трубах.

Шнекове буріння є різновидом обертального буріння, коли порода руйнується спеціальним різцем, який під дією осьового тиску занурюється в породу, а під дією окружного зусилля, що виникає при безперервному обертанні його, ріже породу в забої свердловини. Шлам, що утворюється при цьому, безперервно виходить з свердловини по витках шнека, що обертається.

б) Ударно-канатне – гірська порода руйнується за допомогою ударів по забою спеціальним буровим інструментом (долота ударного типу, бурові стакани).

Буровий інструмент опускається в свердловину і приводиться в дію сталевим канатом. Зруйнована порода (шлам) віддаляється з свердловини на поверхню желонками різної конструкції. При прохідці м'яких порід желонка застосовується і як породоруйнівний інструмент.

в) Ударно-обертальне – руйнування гірської породи відбувається за рахунок одночасної ударно-обертальної дії породоруйнівного інструменту – гідро- або пневмоударника на забій свердловини. Гідро- або пневмоударник завдає частого удару по коронці, оснащеній (армованої) різцями з твердих сплавів з одночасним обертанням її. Шлам виноситься з свердловини на поверхню водою або стислим повітрям.

г) Вібробуріння – занурення вібратором (віброзанурювачем, вібромолотом) породоруйнівного інструменту – зонда (зонд — труба з подовжнім прорізом) в м'який грунт з великою швидкістю (0.1... 2 м/хв і більш). Під дією вібрації (1250... 2000 коливань в хвилину) виникаючі в ґрунті фізичні явища викликають зменшення сил тертя і зчеплення в ґрунті.

Дослідження показали, що при вібрації грунт розріджується, завдяки чому між буровим інструментом і стінками свердловини різко зменшується тертя. Після підйому зонда на поверхню з нього можна вибирати породу з непорушеною структурою.

Нарешті, по вигляду вживаній енергії розрізняють буріння ручне і механічне. По вигляду корисних копалин слід розрізняти буріння на тверді, розсипні, рідкі і газоподібні корисні копалини.

д) Нові способи руйнування гірських порід по видах енергії, що подається в зону роботи породоруйнівного інструменту, умовно можна підрозділити на термічні, вибухові, гідравлічні, електрофізичні і комплексні.

Термічне буріння найбільш перспективне в дуже міцних, багатих кварцом породах. Найбільш працездатними є реактивні пальники, що забезпечують температуру факела 2250... 3000 ⁰К, а швидкість витікання розігрітих газів 1800... 22000 м/с.

Для здійснення процесу вибухобуріння заряд компонентів рідкої ВР, ув'язнений в пластмасову оболонку, автоматично вводиться в нагнітальну лінію бурових насосів через спеціальний шлюзовий пристрій. Пройшовши по нагнітальній лінії і колоні бурильних труб, снаряд (ампула), рухаючись в потоці промивальної рідини, йде до забою. При сталому процесі вся колона бурильних труб від забою до гирла заповнена рухомими групами в 15... 20 ампул. В процесі випуску ампул буровий інструмент залишається нерухомим і забій з кожним вибухом віддаляється на певну відстань.

Сучасні досягнення у області фізики привели до появи серії нових методів руйнування гірських порід: лазерного, електроімпульсного, плазмового і ін.

Промінь лазера створюється «нагнітанням» енергії в групи атомів кристала або об'єму газу до вищого енергетичного рівня, а потім відбувається скидання енергії в них до нижчого рівня. При цьому атоми віддають фотони однакової частоти, утворюючи когерентний світловий промінь. Промінням лазера можна сконцентрувати на площі 1 м² енергію порядку 1 млн. Вт, при цьому розвивається температура 300... 540 °С. Відбувається нагрів порід, які розщеплюються і втрачають свою міцність. Але через низькі механічні швидкості лазери в даний час непридатні для буріння стволів в розмірах нафтових свердловин.

Найперспективнішим є електроімпульсний метод. При цьому методі свердловина заповнюється (промивається) - рідиною (трансформаторним маслом, дизельним паливом), електрична міцність якої перевищує електричну міцність твердого діелектрика, тобто породи. У свердловині до забою щільно притискують два електроди і подають імпульси напруги з крутим фронтом при дуже малому часі дії кожного імпульсу (1×10^-6 с і менше). В цьому випадку заряд проходить через тверде тіло. Електричний пробій супроводжується ефективним руйнуванням породи. У цьому полягає принципова різниця між електроімпульсним способом і електрогідравлічним, де розряд проходить через рідину. Амплітуда імпульсів досягає 250 кВ. Частота імпульсів – до 30 Гц. Електроімпульсний метод буріння характеризується малою енергоємністю і відсутністю обертання бурового снаряда.

При плазмовому способі руйнування порід струмінь холодної плазми, що має температуру від 5000 до 50 000 ⁰К, прямує до забою свердловини. Джерелом плазми є плазмотрон, званий іноді плазмовою головкою електродуги. При випробуванні плазмобуров було встановлено, що підвищення температури плазмового струменя спочатку викликає різке збільшення інтенсивності руйнування порід і досягає максимуму при 4300... 4800 ⁰К.