Вращательное колонковое бурение

Сущность вращательного колонкового бурения заключается в разрушении породы кольцевым забоем, что обеспечивает получение «керна» - столбика породы цилиндрической формы. Бурение происходит следующим образом (см. рис.1).

Электродвигатели 19 приводят в действие буровой станок 7 и буровой насос 18. С помощью лебедки 16, талевого каната 12, талевого блока с крюком и элеватором 11, кронблока 13 на забой опускается буровой снаряд, состоящий из коронки 1, колонковой трубы 3, переходника 4 и колонны бурильных труб 5. Ведущая труба, соединенная с сальником-вертлюгом 10 и зажатая в патронах 9, соединяется с колонной бурильных труб 5 и приводится во вращение вращателем 8 (шпиндельного типа) станка 7. Вращение через колонну бурильных труб предается коронке, которая разрушает породу. Предварительно от насоса 18 по нагнетательному шлангу 17 через сальник-вертлюг 10 внутри колонны бурильных труб на забой скважины подается очистной агент, который охлаждает коронку, удаляет шлам с забоя и выносит его по стволу скважины на поверхность. Проходя через очистные желоба 20 и отстойник 21, очистной агент попадает в зумпф, откуда снова всасывается через нагнетательный шланг 23 насосом 18 и подается в скважину. Если породы устойчивы, то в качестве очистного агента используется техническая вода. При разбуривании неустойчивых пород в воду добавляются глина и различные реагенты.

Эти растворы, циркулируя по скважине, образуют на ее стенках коку толщиной 3-6 мм, которая удерживает стенки скважины от обрушения. После наполнения колонковой трубы 3 керном 2, буровой снаряд поднимают на поверхность для извлечения керна.

Через 50-100 метров замеряют азимут и угол наклона скважины. При необходимости закрепляют опасные участки скважины обсадными трубами. После чего продолжают бурение. Недостатками являются относительно небольшие диаметры бурения и необходимость остановки вращения (бурения) при перекреплении гидропатрона, с помощью которого создается осевая нагрузка на забой скважины.

Колонковое бурение применяется для бурения скважин преимущественно с отбором керна, т.е. преимущественно при разведке твердых полезных ископаемых и бурении некоторых разновидностей эксплуатационно-технических скважин, в том числе из подземных горных выработок, залегающих в пределах возможности сооружения шахт и карьеров.

Вращательное роторное бурение

Несмотря на то, что при роторном бурении используются буровые установки другой конструкции, схема бурения, то есть разрушение породы, ее удаление и закрепление стенок скважины аналогична применяемой при колонковом бурении (см. рис.1).

Роторное бурение принципиально отличается от колонкового роторным типом вращателя. Ротор обеспечивает вращение инструмента и его подачу на забой скважины под собственным весом (свободная подача), непрерывность вращения и высокие значения величины крутящего момента, обеспечивающие возможность бурения скважин большей глубины и диаметра.

Роторное бурение предназначено в основном для разведки и добычи жидких, газообразных и растворяемых полезных ископаемых, залегающих на различных глубинах – от нескольких метров (самоходные установки) до 10 и более километров. Бурение в основном ведется в породах средней твердости и мягких, часто неустойчивых, реже в твердых и крепких. Указанные характеристики пород обусловлены тем, что запасы воды, нефти и газа (львиная доля эксплуатационного бурения) сосредоточены преимущественно в прогибах земной коры (месторождения площадного типа) и перекрыты сверху осадочными и метаморфическими породами.

Бурение подвижным вращателем

Основной отличительной особенностью бурения с подвижным вращателем от колонкового и роторного бурения является сам подвижный вращатель 1 (см. рис.2). Подвижный вращатель позволяет сочетать достоинства колонкового вида бурения (принудительная осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент) и роторного – непрерывность вращения инструмента (отсутствие необходимости перекрепления), а также осуществляет СПО (спуско-подъемные операции). Указанные особенности бурения с подвижным вращателем позволяют непрерывно транспортировать керн (бурение с гидротранспортом керна) и шлам (шнековое и бескерновое бурение). Характер процессов разрушения породы и закрепления стенок скважины в основном аналогичен изложенным выше.

Недостатком является ограничение глубины бурения из-за сложности изготовления компактных гидродвигателей большой мощности (100 кВт и более), которые являются основной составной частью подвижного вращателя.

По этой причине приоритеты колонкового и роторного бурения в области сооружения скважин большой глубины и большого диаметра в настоящее время сохраняется только частично.

Следует также учитывать, что при колонковом, роторном и бурении подвижным вращателем ( в отличие от ударно-канатного) в скважине, как правило, циркулирует очистной агент, с помощью которого могут приводиться в работу забойные гидро- и пневмоударники, забойные машины (турбобуры, винтовые двигатели и электробуры), алмазный породоразрушающий инструмент.

Возможность использования указанных средств бурения позволяет существенно увеличивать производительность перечисленных видов бурения.

Установки, оснащенные подвижным вращателем, в настоящее время наиболее универсальны и перспективны, так как позволяют реализовать практически все виды и разновидности бурения и автоматизировать наиболее трудоемкий и опасный вид работ – СПО. При этом конструкция установки не только усложняется, но наоборот становится проще.

Подвижный вращатель включает в себя сальник-вертлюг, исключает необходимость применения гидропатрона и специальной ведущей трубы, выполняет СПО, позволяет использовать бурильные трубы (одинарные, двойные, шнековые).

Достоинства установок, оборудованных подвижным вращателем, позволяют применять их при сооружении широкого спектра скважин, сооружаемых с отбором и без отбора керна. Буровые установки, реализующие этот вид бурения, непрерывно совершенствуются, а объемы бурения постоянно увеличиваются.

Из книги «Бурение скважин различного назначения»
под редакцией док-ра техн. наук, проф., чл.-корр РАЕН
Н. Сердюка

Это интересно
БУР, БУРА, БУРАВ, БУРИЛЬЩИК...

---

Нет, как ни верти, точнее, как ни сверли свой мозг, а слово бурение является однокоренным по отношению к потомкам европейских колонистов в Южной Африке бурам, а также к популярной в России карточной игре буру.

Кстати, карточная игра бура так же как и бурение стала развиваться во времена Петра I. Только если бурение считали действием , приносящим пользу государству, то бура, как игра, была запрещена, и согласно одной из статей Соборного уложения 1649 года нарушивших запрет надлежит «бить кнутом и рубить им руки и пальцы»…

Вспоминается эпизод из советского фильма 70-х годов «Вкус хлеба», когда председатель совхоза Степан Сечкин (роль исполнял Сергей Шакуров) спрашивает у прибывших на поднятие целины зэков:

- Бурильщики есть?

И ему ответствуют:

- Есть. Мы не только в буру можем, но и в очко, покер, подкидного…

И все же, чтобы не было недоразумений, определимся, что же такое бурение. На этот счет существует множество определений. Вот, к примеру, как о бурении писал Даль в своем знаменитом словаре: «БУРЕНИЕ ср. действие это, сверление… Бур м. бурав, сверло, для сверления земли или скалы, камня, напр. для буровых или артезианских колодцев, для добычи подземного рассола на солеварнях, для шурфовки: это земляной бур; для взрыва камней порохом, горный бур. Бур не стоит, скоро тупится; бур пал, выкрошился, вовсе затупился; подварить у бура кудри, поправить в кузне. Буровой, относящийся к буру; им пробуренный. Буровая мука, каменная пыль из дудки, буровой скважины. Бурить, буравить, сверлить землю или камень буром; -ся, сверлиться, буравиться… Бурщик, бурильщик м. мастеровой, работник действующий буром.»

Но все же более понятно определение из Большого Энциклопедического словаря: «БУРЕНИЕ – процесс сооружения горной выработки (шпура, буровой скважины, реже шурфа, шахтного ствола) преимущественно круглого сечения в земной коре для изучения геологического строения, поисков, разведки, добычи полезных ископаемых, инженерно-геологических изысканий и др. Применяется бурение шпуров в искусственных материалах (бетоне и т.п.). Основной способ бурения – механический». Любопытно, что этимология слова бурение может исходить как к немецкому bohren (сверление), так и древнерусскому буравъ, впервые упоминавшемуся в 1568 году в Купчей грамоте Кирилловского монастыря. Предполагают, что буравъ имеет древнетюркское происхождение от bur – сверлить, вертеть.

БУРОВИК или БУРИЛЬЩИК?

Буровик и бурильщик – слова, в общем-то, разные. Хотя разница между ними не такая существенная, как, к примеру, между пожарным и пожарником. Как отмечал в своей замечательной книге «Москва и москвичи» Владимир Гиляровский, пожарный – это тот, кто тушит пожары, а пожарники – это те бедолаги, кто пострадал от пожара и побирается, просит милостыню. Итак, согласно определению Современного толкового словаря русского языка Ефремовой:

БУРОВИК, м. разг. 1. Специалист в области бурения.

БУРИЛЬЩИК - тот, кто производит бурение.

В заключение этих этимологических изысканий приведу веселую притчу из жизни индийского святого Саи Бабы.

Баба вошел во двор Дхармакшетры в Бомбее. Здесь он увидел бригаду бурильщиков, готовящихся бурить скважину для воды. Бурильщики спросили: "Свами, можем мы здесь бурить?" "Да", - ответил Свами, - "там вы бурить можете". Они поблагодарили и начали бурение, а Баба вошел в дом.

Бурильщики работали несколько дней, но воды все не было. Они пробурили скважину уже гораздо глубже обычного, но безрезультатно. Тогда бригадир опять обратился к Бабе: "Мы там все бурим и бурим, но воды нет". "Да, я знаю, там вообще нет воды, - ответил Свами, - но ты же не спрашивал о том, есть ли там вода. Ты только спросил, можно ли там бурить". Так что будьте внимательны, чтобы потом не платить двойную цену за пустую скважину. Думайте, когда что-нибудь просите!

Часть I

Кремниевый бур

История бурения, как вида человеческой деятельности, судя по археологическим находкам и исследованиям, берет начало около 25 тыс. лет назад, когда первобытные люди при изготовлении различных инструментов сверлили в них отверстия для того, чтобы прикрепить рукоятки. При этом в качестве рабочего инструмента применялся кремниевый бур. Понятно, что бурение, а точнее, сверление это было примитивным.

Бурение в Древнем Египте

Уже в Древнем Египте около 6000 лет назад при грандиозном по масштабу строительстве пирамид применялось вполне передовое по тем временам вращательное бурение.

Бурение в Древнем Китае

Достаточно высокой степени совершенства буровая технология достигла в Древнем Китае при добыче воды и соляных растворов. Первые сведения о древнекитайских скважинах на воду содержатся в работах знаменитого Конфуция, которые были написаны около 600 г. до нашей эры. Кроме того, свидетельства о бурении можно почерпнуть из древней китайской живописи, вышивки на шелке, барельефов, панно, гобеленов. Для разрушения на забое скважины горных пород применялись бамбуковые шесты, на которые крепился породоразрушающий инструмент в виде металлического зубила. Скважины при этом сооружались методом ударного бурения и достигали значительных для такой технологии глубины – 900 метров.

На пеньковом канате буровой инструмент поднимался над забоем скважины и сбрасывался вниз с высоты. При этом горная порода разрушалась, мелко раздробленные частицы горной породы смешивались с водой, после чего они вычерпывались из скважины небольшим (меньшим по диаметру) ведром. В истории сохранилось имя великого китайского инженера и ученого Ли Бина, который придумал и внедрил такую технологию бурения.

Имеются исторические свидетельства о том, что буровики Древнего Китая находили при бурении нефть и газ. Более того, в Сычуане в III столетии до нашей эры уже добывали газ из скважины глубиной около 240 метров, который использовался для выпаривания соли.

Бурение от Леонардо да Винчи

Великий итальянец Леонардо да Винчи знаменит не только тем, что написал загадочную картину «Джоконду». Это, ко всему прочему, был гениальный инженер-изобретатель, оставивший в качестве наследия множество рисунков и схем различных инструментов и приспособлений для бурения и сверления, без которого было не обойтись при реализации проекта водоснабжения долины реки Луары во Франции. Кстати, этот проект также был разработан великим Леонардо, который последние годы своей жизни провел во Франции под покровительством короля Франциска I.

Понятно, что все эти гениальные инженерные изобретения со всеми рисунками, набросками, схемами не только стали достоянием французов, но послужили огромным импульсом для развития инженерной мысли в средневековой Франции, в частности, в такой важной области человеческой деятельности, как бурение артезианских скважин на воду и сооружение ирригационных систем.

Одна из замечательных придумок Леонардо да Винчи - «ложковый» («ложечный») бур. Он с успехом применялся при ручном и механическом бурении неглубоких скважин с извлечением разбуриваемой породы. В Россию эта конструкция пришла из Франции в 40-е годы XIX века и называлась она «сверлящим снарядом-желонкой». Поначалу бурение с применением «ложкового» бура активно применялось нефтяниками.

Французские достижения в бурении

Как уже говорилось, на французскую инженерную мысль, в том числе и связанную с развитием технологии бурения, неоценимое влияние оказали изобретения Леонардо да Винчи.

Французские буровики, основываясь на его идеях, стали изготовлять и широко использовать долота спирально-винтового типа при бурении артезианских колодцев. Причем изначально колодцы у французов были достаточно большого (больше, чем у американцев) диаметра. К примеру, есть данные, что в середине XIX века забуривание начиналось с диаметра 120 см, а на 550-метровой глубине скважину заканчивали диаметром 40-50 см. Так, колодец питьевой воды под названием «Пааси» (недалеко от Парижа) имел глубину 586 метров и диаметр 71 см. Такой колодец бурился в течение полутора лет с использованием энергии пара и был введен в эксплуатацию в марте 1857 года.

Известно также, что буровой инструмент, который применялся в России до 80-х годов XIX века так или иначе был заимствован из французских разработок, о чем может свидетельствовать Французская энциклопедия, составленная Дидро и другими просветителями из Франции в 1760 году.

Приведем один из примеров технологии бурения, применявшейся в то время: для забуривания скважины использовался винтовой бур с кованной штангой квадратного сечения и с закрепленной попереченой. Штанга подвешивалась хомутом к крюку (своеобразный вертлюг) над устьем скважины. Процесс бурения происходил при помощи вращательных усилий нескольких бурильщиков, которые прикладывались к специальной поперечине. Винтовой бур после того как порода была раздроблена и разрыхлена поднимался на поверхность и заменялся ложечным буром, который в свою очередь поднимал разбуренную породу из скважины. По достижении необходимой глубины в пробуренную скважину вбивался специально изготовленный деревянный кондуктор квадратного сечения, после чего бурение скважины продолжалось с использованием других буров.

В 1745 г. во Франции инженером Шаблоньером была пробурена первая нефтяная скважина, а уже к 1785 году на месторождении нефтенасыщенных песков в Эльзасе было сооружено несколько неглубоких – 15-25 метров – скважин.

Французы раньше других стали использовать балансир, который обеспечивал ритмические удары долота о забой при бурении артезианских скважин. Применение балансира позволило использовать при бурении не мускульной энергии, а энергии пара.

Бурение с циркуляцией жидкости и использованием полых кованных труб вместо ранее применявшихся штанг также впервые была опробована во Франции. Справедливости ради, стоит отметить, что первый патент на использование циркуляции жидкости и конструкцию вертлюга при вращательном бурении принадлежит англичанину Роберту Берту. Однако это изобретение не было реализовано на практике. А вот француз Фавелл в отличие от Берта аналогичное изобретение для ударно-штангового бурения скважин с периодическим поворотом труб, - в котором предусматривалось нагнетание жидкости во внутреннюю полость трубы и вынос шлама через затрубное пространство - не только довел до ума, но и с помощью собранной им установки таким образом пробурил летом 1845 года за 140 часов артезианскую скважину глубиной 170 метров, что по тем временам было выдающимся достижением. При этом использовались специальные кованые трубы с резьбовым соединением. Принцип Фавелла и в настоящее времени применяется в бурении.

Алмазное колонковое бурение также изобрел француз Рудольф Лешот. Он сконструировал и удачно использовал установку для бурения взрывных шпуров при сооружении первого туннеля в Швейцарских Альпах. Свое изобретение Лешот оформил в США соответствующим патентом в 1863 году.

Достижения и идеи инженеров из Франции распространялись в различные страны, где производилось бурение артезианских, солевых, а позднее нефтяных скважин. К примеру, общеизвестно влияние французских изобретений на американскую практику. Так, в Луизиане в 1823 году для нужд плантаций с целью добычи воды успешно использовалась установка для вращательного бурения. Установка эта была сконструирована приехавшим в Америку безвестным французским инженером. С ее помощью бригадой из четырех человек были пробурены несколько скважин со средней глубиной 122 метра и диаметром 16,5 см. Эта самая установка и «инструмент Прудома», названный по фамилии владельца плантации, явились своеобразными предтечами уже американских изобретений в области бурения скважин.