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.