Общие сведения о разведочных скважинах
Скважина представляет собой полость, называемую обычно горной выработкой, сооружаемую в массиве горных пород, имеющую цилиндрическую форму и значительную протяженность при сравнительно небольшом поперечном размере.
Полость скважины называется стволом, который имеет начало — устье, и конец, именуемый дном, или забоем, если скважина находится в процессе углубки (проходки). Боковая поверхность ствола скважины называется ее стенкой. Скважина имеет ось — воображаемую линию, проходящую через центры поперечных сечений ствола. Проекции оси скважины на вертикальную плоскость называются ее профилем, а на горизонтальную — планом.
Положение ствола в пространстве характеризуется углом наклона ее оси т] или зенитным углом в и азимутальным углом а. По этому признаку выделяются следующие типы скважин: вертикальные, расположенные под углом — 90° к горизонту; наклонные (нисходящие и восходящие или восстающие) — расположенные под углом 0° < г\ < 90°; горизонтальные—расположенные под углом >; = 0°. Для нисходящих скважин угол наклона принимается условно со знаком плюс ( + »/), для восходящих — со знаком минус (-п). Наклонные и вертикальные скважины, пройденные из подземных выработок, называются подземными.
При бурении скважин практически любым способом ось ее ствола не остается прямолинейной, а приобретает, как правило, форму кривой — изогнутой в плоскости или в пространстве линии, именуемой траекторией или трассой скважины. Таким образом, скважины могут быть плоско искривленными и пространственно искривленными, а по форме оси (траектории) — прямолинейными и искривленными, когда скважины по мере углубки меняют свое начальное направление.
Процесс изменения пространственного положения скважин называется искривлением, которое может оказаться чрезмерным, что требует особых мер борьбы с ним. Иногда наоборот, в определенных условиях возникает необходимость вызвать более интенсивное искривление скважин в желаемом направлении. Такой вид бурения в первом и втором случаях считается направленным.
В зависимости от пространственного положения оси скважины глубина расположения ее забоя по вертикали Н может существенно отличаться от длины ствола скважины по ее оси L. Если для вертикальных скважин Н => L, то для наклонных или искривленных глубина расположения забоя Н всегда меньше длины ствола скважины (см. рис. I).
Наконец, скважины могут иметь один или несколько стволов. В связи с этим выделяются одно- и многоствольные скважины. Многоствольные скважины в отличие от одноствольных имеют несколько дополнительных стволов при одном основном, устье которого располагается на поверхности земли.
Под сооружением скважин понимается выполнение целого ряда операций или работ, как правило, с использованием сложного комплекса машин, механизмов и приспособлений, получившего название буровая установка.
Собственно бурение скважин включает ряд основных и вспомогательных процессов и операций. К числу основных относятся: разрушение пород на забое — углубка скважины (УС) и удаление продуктов разрушения (УПР). Вспомогательными операциями при этом являются: спускоподъемные операции (СПО) и подготовительно-заключительные операции (ПЗО). Используемый при этом буровой инструмент по мере углубки ствола скважины опускается на забой и поднимается для замены изношенных его частей или очистки забоя от продуктов разрушения. В зависимости от условий и цели бурения или назначения скважин, кроме названных основных процессов, выполняются и ряд других: закрепление стенок
Скважин; получение образцов пород или проб полезных ископаемых; Исправление искривившихся скважин или преднамеренное их искривление (при направленном бурении).
Получение образцов пород или проб полезных ископаемых осуществляется либо параллельно с разрушением пород (углубкой скважины), либо раздельно — после ее углубки (табл. I). При этом на забое кольцевой формы выбуривают столбик породы или керн, который извлекают на поверхность в колонковом снаряде. При достаточной сохранности он является тем фактическим
материалом, ради которого бурят скважину и по которому решают многие геологоразведочные задачи — составляют геологические разрезы и карты, открывают и разведывают месторождения полезных ископаемых и т. д. Получают образцы пород или пробы полезных ископаемых и из стенок скважины. Это делается бурением (сверлением) дополнительных скважин в стенке основной, фрезерованием стенки и другими способами. Кроме того, существуют и другие способы получения необходимого для решения геологоразведочных задач материала — сбор шлама, бурение дополнительных скважин, геофизические исследования и т. д.
Способы бурения геологоразведочных скважин
В настоящее время разработано или предложено большое количество способов бурения скважин, основанных на тех или иных процессах или методах разрушения пород. Все современные способы разрушения пород делятся на три основные класса: разрушение, осуществляемое с помощью специальных породоразрушающих инструментов, без породоразрушающих инструментов и комбинированные способы разрушения. В соответствии с таким принципом классификации способов разрушения пород выделяется большое количество разновидностей способов бурения скважин. Пользуясь рядом признаков, уточняются и характеризуются индивидуальные особенности того или иного способа бурения или область его применения.
По виду полезных ископаемых или цели бурения — бурение скважин на твердые или жидкие и газообразные полезные ископаемые, бурение инженерно-геологических или гидрогеологических скважин и т. д.
По глубине скважин выделяют бурение неглубоких, глубоких и сверхглубоких скважин. Этот признак весьма условен. Для геологоразведочных работ (на твердые полезные ископаемые) неглубокими считаются скважины глубиной от нескольких десятков до 100—250 м, глубокими —до 1000—2000 м, сверхглубокими — более 2000 м. При бурении скважин на нефть и газ эти цифры существенно меняются: мелкие скважины — до 1000—2000 м, глубокие—до 4000—5000 м и сверхглубокие — до 10 000 м и более.
По способу удаления продуктов разрушения различают бурение скважин с промывкой, с продувкой и с механическим или комбинированным УПР.
По форме забоя выделяют бурение скважин с разрушением породы на забое кольцевой формы (колонковое бурение) или с разрушением породы по всей площади дна скважины (бескерновое бурение).
По типу породоразрушающих инструментов, что характерно только для механических способов бурения, выделяют бурение твердосплавное, алмазное, дробовое, шарошечное и т. д.
По способу или средству передачи энергии, используемой для разрушения пород, можно выделить бурение на трубах, на канате, на кабеле, на шлангокабеле или с автономным источником энергии.
По конструкции вращателя или источнику движения породо-разрушающего инструмента различают роторное (вращение с помощью ротора), шпиндельное (вращение с помощью шпинделя) или турбинное бурение, электробурение (источником вращения являются турбина или электродвигатель, опускаемые в скважину), гидро- или пневмоударное бурение с применением гидро-г или пневмоударников, магнитострикционное (с применением магни-тостриктора), вибрационное или виброударное (с применением вибратора) и т. д. Следует отметить, что эти названия способов бурения нельзя считать удачными, так как они в основе своей ие имеют единого признака.
Отсюда видно, что с учетом многообразия признаков, характеризующих процесс и технические средства бурения, возможно выделение очень большого количества способов, отличающихся друг от друга. Основными из них являются следующие: вращательное бурение скважин с промывкой или продувкой; вращательное бурение с удалением продуктов разрушения шнеком; ударное бурение скважин; вибрационное бурение; бурение скважин задав-ливанием инструмента; бурение скважин с применением комбинированных или специальных способов.
Из большого числа известных способов бурения при сооружении геологоразведочных скважин используют главным образом механические, осуществляемые с применением породоразрушающих инструментов того или иного типа и специального бурового оборудования.
Области применения буровых скважин—это, прежде всего, геологоразведочные работы, горнодобывающая и строительная промышленность, водоснабжение и мелиорация земель. По своему назначению скважины могут быть: геолого-поисковые, геологоразведочные, гидрогеологические, инженерно-геологические, эксплуатационные и технические.
Целевое назначение скважин может быть и комплексным, когда при бурении одной скважины решается целый ряд задач, например, поискового и разведочного характера. При этом скважина в дальнейшем может перейти в разряд эксплуатационных или технических. При разведке твердых полезных ископаемых обычно бурят скважины, имеющие диаметр от 150 до 36 мм, на глубину до 2000 м и более.