Обоснование выбора разновидности бурения.

Бурение геологоразведочных скважин на ТПИ включает несколько разновидностей, различающихся применяемым оборудованием и инструментом и, главное, технологическими решениями.

Можно выделить около двух десятков разновидностей бурения разведочных скважин, имеющих как принципиальные, так и незначительные частные различия. Основные разновидности бурения скважин при разведке месторождений твердых полезных ископаемых приведены в табл. 2.

Группа разновидностей геологоразведочного бурения - "вращательное бурение с циркуляцией очистногоагента" и является собственно предметом изучения курса "бурение на ТПИ". В этой группе объединены разновидности бурения, различающиеся применяемым породоразрушающим инструментом (ПРИ), применением простых или специальных снарядов, снарядов с забойным механизмами, особенностями технологии бурения.

Прежде всего, разновидности геологоразведочного бурения этой группы делятся на две принципиально отличные подгруппы по площади разрушения породы на забое скважины:

• разрушение породы по всей площади забоя скважины - "бурение сплошным забоем" или правильнее "бескерновое бурение"

• разрушение породы по кольцевой площади - "бурение с кольцевым забоем" или "колонковое бурение". При бескерновом бурениився порода на забое скважины разрушается и отделяется от забоя в виде мелких частиц - "шлама", которые очистным агентом удаляются с забоя и далее на поверхность. При колонковом бурении порода на забое разрушается по кольцу, а в центре забоя остается неразрушенная часть, которая по мере углубления скважины образует столбик (колонку) породы -керн.

Принципиальное различие между этими подгруппами в том, что при бескерновом бурении, как правило, углубка скважины продолжается до полного износа породоразрушающего инструмента. Углубка за рейс составляет в этом случае в мягких породах - сотни, в средних и твердых породах - десятки метров, но при этом не получается целых образцов породы, т.е. геологическая информация, представленная вынесенным на поверхность шламом и геофизическими исследованиями, весьма ограниченна.

В колонковом бурении, при использовании простых снарядов, углубка скважины ведется ограниченными рейсами, протяженностью от 0,5-1,0 м до 5-10 м, не превышающими длину колонковой трубы, При этом на поверхность поднимается весь буровой снаряд – колонна бурильных труб с колонковой трубой с керном. При использовании специальных снарядов колонкового бурения (ССК, КГК) углубка за рейс сравнивается с рейсами бескернового бурения, но сохраняется получение керна.

Виды и разновидности геологоразведочного бурения на Т.П.И. Таблица 2

( механическое вращательное бурение с циркуляцией очистного агента)

Виды и разновидности	Параметры бурения	Особенности и основные области применения
Породы	Максим. глубина, м	Диаметр, мм
Бескерновое	I –ХII	Не огран.	46 -151	Там, где не нужен керн, производительнее и дешевле чем колонковое, (кроме пород ХII категории).
Колонковое	Простыми снарядами.	Твердосплавное	I-VIII		36 -151	Тенденция к уменьшению объемов и к замене бурением с резцами из СТМ.
С резцами из сверхтвердых материалов (СТМ) и АТП, PDC	VI – IХ	Не огран.	46 -151	Перспективное, объемы расширяются, заменяет твердосплавное и частично алмазное.
Алмазное	VII-ХII	Не огран.	36 – 112	Основное для пород IХ – ХII категорий по буримости.
Дробовое	VII-ХII		76 -151	Старое, но может использоваться для скважин большого диаметра в породах IХ – ХII категорий, как исключение.
Снарядами с забойным механизмом	С ударными импульсами	Гидроудар-ное.	Ударно-вращательное.	VI – ХI		59 -151	Для бурения твердых прослоек диметром до 151 мм, для бурения строго вертикальных прямолинейных скважин (снаряд ведет себя как отвес).
Вращательно-ударное.	VII-ХII		59 – 76	При бурении алмазными коронками или коронками с резцами из СТМ для борьбы с самозаклиниванием керна и с заполированием алмазных коронок.
Пневмоударное	VI – ХI	500 (1200)	59 – 151	При бурении с продувкой и с пеной. Повышает скорость бурения в 2 – 3 раза, при высоком давлении до 2,5 МПа повышается возможная глубина бурения.
С забойным двигателем	VI- ХII		59 - 76	Только для отбуривания интервалов направленного бурения (в других случаях не применяется из-за малого крутящего момента при имеющихся насосах).
Специальными снарядами с подъемом керна без подъема бурильных труб	Со съемным керноприемником	Снаряды КССК	VII- ХI		76, 95	КССК - эффективны в породах средней крепости, в сложных геологических разрезах.
Снаряды ССК (ВИТР),	V -XII		46 - 76	ССК - эффективны для высокооборотного алмазного бурения в однородных, монолитных породах.
Cнаряды Longyear	V -XII	до 5000	46 - 122	Снаряды фирмы Longyear, применяемые и в нашей стране, универсальны.
С транспортом керна по двойной колонне труб	Комплект с гидротранспортом керна (КГК)	I – V		76 - 215	Весьма перспективны, высокопроизводительны при отличной геологической информации (полный выход керна), но эффективны только в мягких и слабых породах. КПК с кольцевым пневмоударником применим в скальных породах с использованием современных технологий и компрессоров высокого давления.
Комплект с пневмотранспортом керна или шлама (КПК)	I - V		76 – 112

Использование специальных снарядов значительно дороже бескернового и колонкового бурения простыми снарядами, но при достаточной глубине скважин окупается повышением производительности и качества бурения, за исключением бурения в породах XII категорий (где углубка за рейс и при бескерновом бурении и при бурении простыми колонковыми снарядами и снарядами ССК не превышает 5-12 м). В остальных случаях бескерновое бурение дешевле и производительнее колонкового.

Если геологу необходим керн - выбирается колонковое бурение.

В тех интервалах скважины, где геолог может обойтись без керна (при достаточности косвенной информации), применяется бескерновое бурение (кроме пород ХII категории).

Обычно верхние интервалы разведочных скважин, представленные наносами или хорошо изученными пластами, проходятся бескерновым способом, а далее скважина бурится колонковым способом. Некоторые скважины (опорные, поисковые, структурные и т.п.) проходятся целиком колонковым способом. Полностью бескерновым способом проходятся эксплуатационные и некоторые разведочные скважины при достаточности косвенной геологической информации (сбор шлама, геофизические исследования в скважине, отбор боковых проб).

На интервалах колонкового бурения осуществляется выбор из трех разновидностей: бурение простыми снарядами, бурение простыми снарядамис забойными механизмами и бурение специальными снарядами.

Каждая из разновидностей колонкового бурения отличается применяемыми техническими средствами, и технологией бурения и имеет свою рациональную область применения, определяемую характером буримых пород, глубиной и диаметром скважины, требованием к геологической информации и другими условиями бурения. Последовательность выбора разновидностей зависит от их доступности, способности решения конкретных задач бурения данной скважины и стоимости.

Бурение простыми снарядами наиболее простая дешевая и надежная разновидность колонкового бурения. Недостатком этой разновидности является ограниченная углубка за рейс и неспособность решать некоторые частные задачи, например борьба с заполированием алмазов, борьба с самозаклиниванием керна, сохранение керна в сложных геологических условиях. С использованием простых снарядов бурятся скважины сравнительно небольшой глубины, где время на спускоподъемные операции (СПО) незначительно, а также скважины или интервалы скважин повышенного диаметра, когда нет такого диаметра снарядов ССК, и в породах XI – XII категорий по буримости, где проходка на алмазную коронку не превышает 8 – 12 метров. Последние обстоятельства не касаются снарядов Longyear, имеющих набор размеров от 46 до 146 мм и высококачественные алмазные коронки.

При бурении простым снарядом различаются варианты по материалам резцов коронок. Резцы из твердого сплава ВК - твердосплавное бурение, резцы из сверхтвердых материалов (СТМ), включающих спеки синтетических алмазов, нитриды бора, композицию твердого сплава и алмазного напыления (АТП, PDC) - бурение с резцами_из СТМ; резцы из природных и синтетических алмазов - алмазное бурение. До конца 50–ых годов в твердых породах применялось дробовое бурение, где роль резцов выполняла чугунная или стальная дробь. Область применения каждого из этих четырех вариантов определяется буримостью проходимых пород и, косвенно, глубиною скважины. Рациональные области применения разновидностей приведены в табл. 3 и видны из графика (рис.10), где показана зависимость эффективности применения разновидностей колонкового бурения по видам П.Р.И. от категории пород.

Таблица 3

1-Твердосплавное, 2-СТМ, 3 – Алмазное. Рис 10

Бурение простым снарядом с забойным механизмом,

Разновидности этой группы, как правило, применяются на отдельных интервалах скважины для решения конкретных задач, связанных со свойствами проходимых пород или с особенностями бурения. Забойные механизмы применяются для создания ударных импульсов (гидроударники, пневмоударники), для сохранения керна (ДКС, ЭКС), или для вращения П.Р.И. без вращения бурильных труб (забойные двигатели).

При использовании ударных машин, добавляются ударные импульсы на резцы к вращательному движению породоразрушающего инструмента. Разновидность бурения называется ударно-вращательное или вращательно-ударное в зависимости от того, какое воздействие на породу ударное или вращательное преобладает.

. При бурении с промывкой (кроме промывки вязкими, плотными, глинистыми растворами) в скальных породах VI-ХII категорий могут применяться забойные гидроударники. При этом возможны два случая применения гидроударников: использование среднечастотных гидроударников с повышенной энергией ударов и использование высокочастотных гидроударников с малой энергией ударов.

Первый вариант, называемый "ударно-вращательное" бурение применяется там, где эффективно использовать разрушение породы коронками с твердосплавными резцами за счет энергии удара при минимальной осевой нагрузке. Это позволяет бурить прослойки твердых пород IХ-ХI категорий в скважинах диаметром 151 мм, (таких алмазных коронок не применяют), или бурить вертикальные строго прямолинейные скважины, поскольку при малой осевой нагрузке буровой снаряд висит в скважине как отвес (скважины обычного вращательного бурения под действием осевой нагрузки почти всегда искривляются). В остальных случаях незначительный выигрыш производительности от ударно-вращательного бурения не покрывает дополнительных затрат.

Вращательно-ударное бурение осуществляется высокочастотными гидроударниками, создающими небольшую энергию удара с большой частотой, т.е. они создают направленную вибрацию и используются с алмазными коронками. Повышение скорости бурения при этом очень незначительное и не во всех породах. Применяются они только в тех случаях, когда свойство вибрации снижать трение необходимо для улучшения процесса бурения. Так в очень твердых малоабразивных породах происходит интенсивное истирание контактной поверхности алмазных резцов за счет трения, и резцы (еще не изношенные) заполировываются, при этом проходка за рейс снижается до 1.0 - 0,5 метра. Мелкие ударные импульсы снижают трение, облегчают внедрение алмазов в породу и заполирование уменьшается. Другой случай эффективного применения вращательно-ударного варианта - бурение в трещиноватых или перемежающихся породах, где происходит самозаклинивание кусочков керна в коронке или в колонковой трубе. Осевая вибрация, создаваемая гидроударником, снижая трение, уменьшает или ликвидирует самозаклинивание керна, позволяет сохранить керн и увеличить углубку за рейс.

Гидроударное бурение может применяться и при бурении снарядами со съемным грунтоносом - ССК

Если бурение ведется с продувкой (районы с многолетнемерзлыми породами, суровые зимние условия, безводные районы) и в скальных породах V1 – ХI категорий, то очень эффективно применять забойные пневмоударники, которые, используя энергию потока сжатого воздуха, создают мощные ударные импульсы. Это позволяет существенно увеличить разрушение породы на забое коронками с твердосплавными резцами и в 2 – 3 раза повысить скорость и снизить себестоимость бурения.

Пневмоударное бурение с использованием кольцевых пневмоударников применимо и при бурении снарядами с пневмотранспортом керна - КПК, а при наличии компрессоров высокого давления (до 2,5 МПа), глубина пневмоударного бурения может доходить до1200 метров.

Забойные двигатели- имеющиеся винтовые гидравлические двигатели диаметром 54 и 70 мм, разработанные нефтяниками для прочистки нефтеподъемных труб, применяются в разведочном бурении исключительно по целевому назначению при отбуривании участков скважин направленного бурения в комплексе со специальными средствами направленного бурения. Для обычного бурения разведочных скважин, имеющиеся забойные двигатели оказались неэффективными, так как их параметры (крутящий момент, частота оборотов), при имеющихся в геологоразведке насосах, недостаточны для обеспечения нормальной производительности бурения.

Снаряды (колонковые наборы) для получения кондиционного керна (двойные колонковые трубы и снаряды с обратной циркуляцией) представляют собой специальные колонковые наборы, предназначенные для бурения в тех интервалах скважины, где необходимо защищать образующийся столбик керна от разрушения в процессе бурения. Эти снаряды используются в перемежающихся, трещиноватых, раздробленных, разрушаемых, рыхлых, размываемых и легко разрушаемых породах, там, где геологу необходим кондиционный керн, особенно в зонах полезного ископаемого.