И УСЛОВИЯМИ ПРОВЕДЕНИЯ БУРОВЫХ РАБОТ

Оптимизация любого процесса предусматривает определение наиболее благоприятных условий и параметров при его использовании. Решение этого вопроса зависит от характера самого процесса или содержания работы, выполняемой при этом.

Область применения бурения весьма обширна. Оно используется при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, при инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях в связи с требованиями охраны окружающей среды.

Основной целью бурения геологоразведочных скважин является получение представительных проб полезных ископаемых и горных пород, которые дают сведения о геологическом строении разреза земной коры, различных свойствах горных пород, форме и размерах рудных тел, помогают оценить горно-геологические условия эксплуатации.

Скважины по назначению разделяются на три основные группы: 1) разведочные; 2) эксплуатационные; 3) специальные.

В основе выделения категорий скважины преобладает признак, определяющий общую задачу, выполняемую на той или иной стадии геолого-разведочных работ или разработки месторождения. Исключением является категория специальных скважин, необходимость бурения которых может возникнуть на любой стадии.

Скважина разведочная предназначается для изучения месторождений полезных ископаемых с целью выделения категорий запасов и получения исходных данных для составления проекта разработки рудного объекта. Задачи, выполняемые каждой скважиной, определяются стадийностью геолого-разведочных работ и степенью разведанности изучаемого месторождения или отдельной залежи. Эксплуатационная скважина предназначена для разработки и эксплуатации месторождений воды, нефти и газа. Специальные скважины предназначены для вспомогательных работ, выполнение которых обеспечивает нормальную технологию геологоразведочного процесса и разработки месторождений.

По принципам разрушения горных пород бурение скважин осуществляется следующими способами: с применением породоразрушающих инструментов, без применения и комбинированные. К первому классу относятся механические способы, которые широко применяются благодаря своей универсальности и включают следующие виды: ударный, ударно–вращательный, вибрационный, вращательный, вращательно–ударный, вибрационно–вращательный, задавливанием инструмента. Второй класс, несмотря на значительное количество видов, имеет ограниченное применение (табл.11). Комбинированные способы представляют собой сочетание первого и второго способов бурения.

Выбор способа бурения базируется на сравнительной оценке его эффективности, которая определяется множеством факторов, каждый из которых в зависимости от геолого-методических требований, назначения и условий бурения может иметь решающее значение. Принятие решения об использовании того или иного способа – один из ответственных этапов при проектировании технологии работ, так как он определяет режимы бурения, буровой инструмент, тип буровой установки и технологию бурения скважин.

К исходным данным при выборе способов бурения относятся: целевое назначение скважин; геолого-технические условия и глубина бурения; интенсивность искривления скважин и условия залегания пород и др.

Колонковый способ бурения с применением одинарных снарядов, оснащенных алмазными и твердосплавными коронками, широко используется при поисках и разведке твердых полезных ископаемых. Но, несмотря на совершенствование технологии и технических средств бурения, проблема получения надежного выхода керна во многом не решена. Особенно ярко это проявляется при бурении в трещиноватых, дробленых, сланцеватых и перемежающихся по крепости горных породах. Наиболее высокие технико-экономические показатели и геологическую результативность буровых работ дает колонковое, а также бескерновое бурение с продувкой забоя сжатым воздухом (стандартным породоразрушающим инструментом и пневмоударником). Замена промывочных жидкостей сжатым воздухом позволяет в определенных условиях избежать осложнений, добиться значительного увеличения скоростей и производительности работ и, самое главное, повысить достоверность опробования скважин. В настоящее время используются буровые комплексы КГК-100 и КГК-300 для бурения скважин с гидротранспортом керна мягких и средних по твердости рыхлых пород.

Каждый из способов имеет рациональную область применения, определяемую назначением скважины и условиями проведения буровых работ [1, 6, 9-11, 17]. В табл. 11,12 приведены рекомендуемые способы бурения скважин для различных условий.

Основная цель бурения скважин – получение образцов пород или полезных ископаемых, необходимых для изучения геологических разрезов и составления карт, а также изучения инженерно-геологических условий строительства и др. В зависимости от задач, решаемых на основании изучения проб полезных ископаемых или образцов пород, к ним предъявляются определенные требования: достаточное для исследований количество, соответствующее пройденному интервалу; высокое качество керна и хорошая представительность [25].

Представительность керновых проб в большой степени зависит от полноты выхода керна, неравномерности оруденения и избирательности истирания полезного ископаемого в процессе бурения. Показатель неравномерности (П_н, %) для различных руд изменяется в пределах от 1,2 до 20, а степень избирательности истирания (И_изб,%) – от 3 до 40, причем наименьшие значения П_н и наибольшее И_изб характерны для руд сплошных массивных, мономинеральных и для переслаивающихся и полосчатых [16].

Таблица 11

Классификации способов бурения [7, 9]

Способы бурения	Разновидность способов бурения
Класс	Группа
I. Бурение с применением породоразрушающих инструментов	Механический	Ударный Вращательный Вращательно – ударный Ударно – вращательный Вибрационный Вибрационно-вращательный Задавливанием инструмента
II. Бурение без породоразрушающих инструментов	Гидравлический	Гидромониторный Гидроимпульсный Гидроударный
Термический	Термодинамический Термостатический Термоциклический
Взрывоударный	Взрывами твердых веществ Взрывами жидких веществ
Электрический	Электроискровой или электроимпульсный
Физико-химический	Разрушение породы растворением Разрушение породы плавлением Разрушение породы сжиганием
III. Комбинированные способы бурения	Гидромеханический	Гидромониторно-вращательный Гидромониторно-эрозионный Гидроударно-эрозионный
Термомеханический Взрывомеханический	Термовращательный. Вращательно-термоэлектродуговой. Термоударный. Взрывовращательный

Образцы пород или проб полезных ископаемых можно получить различными способами и средствами. В этой связи все породы и полезные ископаемые делятся на ряд групп по сложности получения керна или пробы.

В практике геологоразведочного бурения, на основе эталонной схемы горных пород по линейному выходу керна, построена классификация горных пород по трудности отбора керна (табл. 13). Эта классификация позволяет

Таблица 12

Рекомендуемые способы бурения для разведки морских россыпей [20]

Порода	Стадия геолого-разведочных работ	Глубина скважины и интервала, м	Способ бурения	Способ отбора керна	Снаряды для отбора керна
Ил водонасыщенный, песчано-глинистый, алевриты с детритом, с содержанием мелкого гравия и гальки до 20%	Поисковая, оценочная Разведка месторождений	≤5 ≤100 ≤40 40-100	Забивной, вибрационный Колонковый с гидротранспортом керна Забивной, виброударный Колонковый забойным двигателем на морской воде	Однорейсовый Непрерывный в виде кусков керна и шлама Поинтервальный То же	Обсадная колонна, подводный пробоотборник Керношламоприемник Стаканы глухие и разрезные, редко желонки Снаряды безнасосного бурения, ДЭКС, ДКС
То же, но с включением крупнообломочного материала, валунов и содержанием гравия и гальки более 30%	На всех стадиях	≤40 40-100	Забивной, виброударный, ударно-канатный Колонковый забойным двигателем на морской воде	—«—	Стаканы глухие и разрезные, долота, желонки Снаряды безнасосного бурения, ОЭКС
Плотные глины, скальные, крупнообломочные, кора выветривания	То же	Во всем диапазоне	Колонковый забойным двигателем на морской воде	—«—	Снаряды безнасосного бурения, ОЭКС
Коренная монолитная	—«—	То же	То же	—«—	ОЭКС, одинарные колонковые трубы с прямой промывкой

оценить по количественным характеристикам (К_уд,_,ρ_м, F_д) и структурно-текстурным особенностям горные породы по трудности отбора керна, обоснованно выбрать комплекс технических средств и технологию бурения для кондиционного выхода керна в любых геологических условиях [1,6,7].

В настоящее время используются более пятидесяти типов конструкций специальных колонковых снарядов, применяемых для повышения процента выхода керна: КГК-100 и КГК-300; трубы ДТА-2, Донбасс-Нил-1(II, III); эжекторные снаряды ГРЭС, ДЭС; двойные колонковые трубы типа ТДН-2, ТДН-УТ, ТДН-0; снаряды со съемными керноприемниками – ССК, КССК и т. д. Не исключаются и чисто технологические приемы повышения процента выхода керна при бурении конкретного комплекса пород – это безнасосное бурение, бурение «всухую», укорачивание рейса при минимальной подаче промывочной жидкости, применение больших диаметров бурения.

В основу рекомендаций по выбору технических средств и методов, обеспечивающих кондиционный выход керна при бурении, заложены критерии выбора технических средств отбора керна и классификация горных пород по трудности отбора керна (табл. 13, 14), [6,11,12,16,17].