Способы бурения скважин и их классификация

Преобладающее большинство способов разрушения горных пород при бурении скважин заключается в механическом разделении некоторого объема твердой массы на элементы — частицы небольшого размера. Это происходит под действием концентрированных напряжений, превышающих сопротивление сил внутренних связей в горной породе.

Разрушающие напряжения могут формироваться под действием внешних сил, прикладываемых к внедряемому в породу специальному инструменту, обладающему обычно большей твердостью, чем сама порода, или без применения специальных инструментов — при движении струи жидкости с большой скоростью и под большим напором, при действии взрывной волны, гидравлического удара и т. д. Кроме того, разрушающие напряжения могут создаваться и в результате действия внутренних сил, возникающих, например, при нагревании породы или при электрическом пробое короткими импульсами тока высокого напряжения и т. д.

Следует подчеркнуть, что разрушение породы в данном случае представляет собой также процесс механического нарушения их сплошности в том или ином объеме с отделением некоторых элементов — частиц, но без изменения состава и свойств самой породы (природы этих частиц). Поэтому протекающие при таких способах воздействия на породы процессы разрушения, естественно, относятся к физическим явлениям.

В таблице приведена классификация используемых или предлагаемых способов бурения скважин, в основу которой положены рассмотренные выше процессы и способы разрушения горных пород. Основные признаки классификации — средства и используемая энергия, с помощью которых может разрушаться порода при формировании ствола скважины.

К I классу относится широко используемый в практике механический способ бурения, при котором реализуются механические процессы разрушения пород, возникающие за счет действия силового поля, создаваемого ударом, вращением, вибрацией и осевой нагрузкой или задавливанием инструмента.

Классификация способов бурения

В соответствии с этим по характеру действующих нагрузок можно выделить четыре основных и несколько комбинированных способов разрушения пород. При ударном (ударно-поворотном) способе бурения породы разрушаются путем нанесения ударов породоразрушающим инструментом (долотом или шарами) с определенной силой Pд и скоростью v. После каждого удара долото поворачивается на некоторый угол без нагрузки. В таких условиях реализуются процессы смятия, дробления и скалывания породы.

Вращательный способ осуществляется при вращении внедрившегося породоразрушающего инструмента под действием постоянной (статической) осевой нагрузки Gо и силы резания Fр (протекают процессы смятия, раздавливания, скалывания, сдвига, отрыва, резания, истирания).

Вращательно-ударный способ осуществляется с помощью специального породоразрушающего инструмента шарошечного типа, при вращении которого зубья перекатывающихся шарошек наносят удары по забою, в результате чего порода разрушается, как и при ударном способе за счет смятия, дробления, скалывания и только частично за счет резания в момент проскальзывания шарошек.

Ударно-вращательный способ реализуется путем вращения инструмента под действием силы Fp и внедрения его под действием осевой нагрузки Go и ударов, наносимых с помощью специальных механизмов с определенной частотой ψ. При этом реализуются процессы смятия, раздавливания, скалывания, резания и истирания породы.

Вибрационный способ заключается в погружении специального бурового инструмента, обычно цилиндрической формы (трубы), в рыхлую породу под действием вынужденных высокочастотных возвратно-поступательных продольных колебаний (вибраций), динамической нагрузки Рд и осевой нагрузки (протекают процессы смятия, перемещения и уплотнения в стенках скважины элементов породы).

Вибрационно-вращательный способ заключается в разрушении породы при вращении под действием силы резания Fp специального инструмента, внедряющегося в породу под действием осевой нагрузки Go и динамических высокочастотных импульсных нагрузок (вибраций) Рд. При этом реализуются процессы смятия, раздавливания, дробления, скалывания, резания, истирания.

Способ задавливания заключается в погружении породоразрушающего инструмента, имеющего форму конуса или полого цилиндра, в мягкую породу под действием осевой нагрузки Go. Разрушаемая порода в этом случае уплотняется в стенках скважины (процессы смятия и перемещения массы).

II класс включает несколько групп способов бурения, при которых порода разрушается под действием физических или вещественных нолей с использованием различных видов энергии. При реализации этих способов бурения могут протекать те или иные процессы разрушения, приведенные в табл. 1 (плавление, испарение, горение, растворение).

Способы разрушения, входящие в III класс, представляют собой ту или иную комбинацию из способов I и II классов. В практике бурения геологоразведочных скважин применяются пока только механические способы I класса, характеристика которых приведена в табл. 2.

Способы бурения и их характерные признаки