Краткая история бурения скважин

Российский государственный геологоразведочный университет

Имени Серго Орджоникидзе МСГРИ-РГГРУ.

Л.Д. Базанов,

Технология бурения геологоразведочных скважин

На твердые полезные ископаемые

Учебное пособие.

Для студентов вузов специальности 130102,3 «Технология и техника

Разведки месторождений полезных ископаемых»

Москва 2015

.

.

Оглавление

1.Введение……………………………........................................................................... . .. 4

2. Краткая история геологоразведочного бурения……………………… ………….... .. .8

3. Основы проектирования бурения скважины………………………...…………….... ..13

4. Выбор и обоснование трассы скважины…………………………………………….....15

5. Обоснование выбора разновидности бурения…………… ……………………… …20

6. Основы выбора очистного агента ………………………………………..………… …30

7 Составление конструкции скважины..………… ……………………………………….37

8. Выбор технических средств для бурения геологоразведочных скважин…………….40

8.1. Выбор буровой установки………………………………….…………….....................40

8.2. Выбор бурового насоса……………………………………………………………...…46

8.3 Выбор буровой мачты, вышки ……………..……………………..……………………49

8. 4. Методика выполнения С.П.О…………………………………………………………53

9. Обоснование технологии бурения скважины………… ………..……………………...55

9.1. Общие положения. Технология и режим бурения …...………………………………55

9.2. Параметры эффективности технологии бурения……………………………………..56

9.3. Общие основы выбора параметров режима бурения………………………………. ..61

9.3.1. Основы выбора осевой нагрузки на ПРИ… ………………………………...…..… .61

9.3.2. Основы выбора рациональной частоты вращения П.Р.И …...………………… ….64

9.3.3. Анализ затрат мощности на процесс бурения………………………………………69

9.3.4. Основы технологии промывки скважин. …………………………………….……..73

9.4 Технология бескернового бурения.…………………………………………..…….…..79

9.4.1 Бескерновое бурение долотами режущего действия……………………...………...81

9.4.2. Бескерновое бурение шарошечными долотами…………………………………….83

9.5.Технология колонкового бурения ………………………….……………………….....3

9.5.1.Технология твердосплавного бурения…………………… ……………………..…..3

9.5.2. Технология алмазного бурения ……………………………………………….….…9

.9.5.2.1. Алмазы и сверхтвердые материалы и их свойства………………………….…..10

.9.5.2.2. Работа резцов при алмазном бурении…..……………………………………......13

9.5.2.3. Алмазные коронки ………………………………………………………….… . .. 14

9.5 2.4 выбор параметров режима бурения алмазными коронками …………………….20

9.5.2.5. Особенности технологии алмазного бурения……………………………………25

9.5.2.6. Износ алмазов и отработка алмазных коронок ………………………………...27

Технология бурения геологоразведочных скважин

снарядами с дополнительными механизмами ..…………….…………………….. 31

10.1 Применение забойных механизмов, создающих ударные импульсы ………….…31

10.1.1 Технология гидроударного бурения……………………… .. …………………....32

10.1.2 Ударно-вращательное бурение пневмоударниками ……………………………..35

10.2 Применение забойных винтовых гидравлических двигателей при бурении интервалов геологоразведочных скважин…… ……………………………………………….…39

11. Колонковое бурение специальными снарядами с подъемом керн без подъема бурильных труб ……………………………………………………..……..40

11.1 Технология бурения снарядами со съемным керноприемником ССК ……………41

11.2 Бурение снарядами с гидро и пневмотранспортом керна ………………………...46

12. Методы получения геологической информации при бурении на ТПИ…………...51

12.1 Факторы, вызывающие разрушение керна ………………………………...……...53

12.2 Технологические мероприятия для получения кондиционного керна…………..57

12.3 Технические средства для получения кондиционного керна …………………....58

12,4 Технико-технологические средства для получения кондиционного керна…….61

12.5 Получение ориентированного керна – кернометрия ……………………………...67

12.6 Другие источники геологической информации при бурении скважин ………....72

13 Основы оптимизации и автоматизации геологоразведочного бурения …………...75

13.1. Критерии оптимизации процессов бурения………………………………………..75

13.2. Пути механизации и автоматизации в геологоразведочном бурении …………...79

13.3. Объекты и методы измерений параметров бурения …………………………….. 81

14. Подведение итогов курса. Основные термины , определения и индексы….……84

Рекомендуемая литература……………………………….………………………….…91

Введение

В данном учебном пособии дается системное изложение основ современной технологии бурения геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых. Оно изложено в виде текста лекций и практических занятий курса «Бурение геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые» и соответствует программе курса «Бурение на ТПИ» для специализации РТБ и являются добавлением к имеющимся учебникам по бурению разведочных скважин.

В настоящее время бурение скважин является одним из важнейших направлений развития промышленного производства во всем мире. И, хотя, основное внимание в мире уделяется бурению скважин для разведки и добычи углеводородного сырья, бурение геологоразведочных скважин также является весьма актуальным для обеспечения сырьевой независимости нашей страны.

Для оценки места и роли изучения курса бурение на ТПИ, рассмотрим для чего вообще бурятся скважины.

По существу основные применения буровых скважин можно разделить на пять групп в соответствии с их назначением, технологией и техникой их бурения. Такое деление приведено на рис. 1

Кроме приведенных в диаграмме назначений буровых скважин существует еще много случаев применения бурения скважин для решения частных задач, например, скважина для спасения чилийских горняков, скважины для тушения подземных пожаров и.т.п.

Бурение геологоразведочных скважин при разведке твердых полезных ископаемых в этом ряду занимает важное место и по объемам и по стратегической важности, практически сразу после разведки и добычи углеводородов.

В последние годы в нашей стране, наряду с отечественной, широко применяется зарубежная техника и технологии в разведочном бурении. В данном учебном пособии соответственно рассмотрены современные технологии и технические средства бурения разведочных скважин , в первую очередь, отечественные, а также ведущих зарубежных фирм .

Бурение скважины может осуществляться различными способами с использованием различных технических средсв и технологий. В зависимости от назначения скважин горно-геологических и технико-технологических условий бурения применяется та или иная разновидность бурения. Применяемые в настоящее время виды и разновидности бурения скважин различного назначения приведены в табл.1. В таблице приведены примерные величины основных параметров бурения скважин и главные области их применения

Рис: 1

Способы, виды и разновидности бурения Таблица 1

Способы, виды и разновидности бурения	Параметры бурения	Главные области применения
Категория пород по буримости	Глубина скважин до, м	Диаметр скважин мм
Ударно-канатное	I - XII		140 - 700	Разведка россыпей. Бурение на воду
Бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента	Мелкое ударное бурение	I –III		93 – 168	Инженерная геология, Геологоразведка. Разведка россыпных месторождений Малое водоснабжение. Взрывные сейсмоскважины. Взрывные при открытой разработке в угольных карьерах. Технические скважины (в строительстве, в горных работах и другие)
Медленно-вращательное и комбинированное	I – V	30 - 50	112 – 250
Бурение задавливанием и винтобурение	I – III	24 - 40	50 – 65
Вибрационное, виброударное и виброударно-вращательное	I – IV I - V		93 – 168
Шнековое	I - IV (V)		60 -250
Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента	Геологоразведочное	Бескерновое (со сплошным забоем)	I – XII	Не ограничена	73 – 151 (250)	Геологоразведочные скважины на интервалах, где не нужен керн (
Колонковое	Простые снаряды	Твердосплавное	I – VIII	» 1500	36 - 151	Целесообразно до глубин скважин до 200 – 300 м, глубже лучше применять ССК.
С резцами из СТМ	V - VIII		36 – 132
Алмазное	VI - XII		36 – 112
Простые снаряды с забойным механизмом	Гидроударное Ударно-вращательное Вращательно-ударное	VI –XI IX - XII	≈ 500 » 1500	59 – 151 59 - 76	С твердосплавными коронками. С алмазными коронками против заполирования алмазов и самозаклинивания керна.
Пневмоударное Ударно-вращательное	VI - XI	» 500 (до1000)	76 - 300	В сухих и слабообводненных скважинах.
С компрессором высокого давления.
С забойным двигателем		» 1500	59 - 76	Для отклонения интервала скважины при направленном бурении.

Механическое вращательное с циркуляцией очистного агента			Специаль-ные снаряды с подъемом керна без подъема труб	Снаряды со съемным керноприемником КССК, ССК, LJNGYEAR и подобные	V – XI (XII)	1500 – 3500	46 – 95 (47 -145)	При глубине скважин более 200 – 300 м. Современный прогрессивный вариант!
Снаряды (Комплекты) с гидро (пневмо) транспортом керна или шлама КГК, КПК	I - V	300 - 500	76- 250	Прогрессивный метод, но только в слабых породах. Прогрессивный вариант с кольцевым пневмоударником для твердых пород до 1200 м.
Эксплуатационное	Бурение эксплуатационных скважин на нефть и газ	Роторное	I - XII	(с горизонтальным окончанием до 13000м)	120 - 490	Доразведка и добыча и нефти, конденсата и газа (Применялось до 2008 года)
С подвижным вращателем
Турбобуром	V - XII
Гидравлическим двигателем
Электробуром		146 - 390
Бурение водозаборных и гидротермальных скважин	I - IX	200 - 350 2000-2500	112- 350	Добыча воды, рассолов и гидротепла
Бурение геотехнологических скважин	I - IX	50 -700	70 - 500	Добыча ТПИ (уран, сера, железо и др.)
Бурение технических, научных и вспомогательных скважин	I - XII	10 - 12300	70 - 900
Физические способы разрушения горных пород	Гидромониторное бурение	I - IV	В сочетании с добычей ТПИ.
Термодинамическое бурение	VI –XII	Для бурения взрывных скважин.
Взрывное бурение	V - XII	Эффективно, но опасно.
Термостатическое плавлением	VI - XII	Опытное.
Плазменное бурение	VI - XII	Опытное.
Электроимпульсное бурение	IV - VII	Опытное.
Лазерное бурение		Опытное.
Кавитационное бурение		Опытное.
Реактивное		Опытное.
Магнитострикционное		Опытное
Ультразвуковое		Опытное

Из показанных физических способов бурения реальное применение имеет, пожалуй, только гидромониторное бурение, применяемое при разработке месторождений в песчаных толщах на глубине, главным образом урановых месторождений. В небольших объемах применяется термическое бурение при проходке взрывных скважин в наиболее твердых породах и для бурения в толщах льда в Антарктиде. Другие нетрадиционные методы бурения были разработаны, испытаны и, в принципе, показали удовлетворительные результаты, но из-за сложности техники и технологии не выдерживают конкуренции с механическими способами бурения. Подробно физические способы бурения описаны в учебнике «Бурение разведочных скважин», глава 2.9 [1]

Скважины, используемые для геологоразведки (кроме разведки нефти и газа и гидрогеологических скважин) можно разделить на две группы (с учетом их глубины и способа удаления разрушенной породы): «бурение неглубоких скважин без циркуляции очистного агента»и«Механическое вращательное бурение при разведке месторождений твердых полезных ископаемых (бурение на ТПИ)». В первую группу видов бурения входят: разведка твердых полезных ископаемых на малых глубинах – россыпные месторождения, мелкие поисково-съемочные скважины, разведка стройматериалов и бурение при инженерно-геологических изысканиях.

Первая группа изучается в курсе "Неглубокое бурение", (смотри учебник « Бурение разведочных скважин», глава 8 [1]).

"Бурение на ТПИ" представляет собой механическое вращательное бурение с циркуляцией очистного, агента, применяемое при разведке месторождений твердых полезных ископаемых. Курс "Бурение на ТПИ" предусматривает изучение техники и технологии бурения разведочных скважин. При этом, учитывая наличие самостоятельных курсов по отдельным разделом техники и технологии разведочного бурения, («Основы разрушения горных пород при бурении», «Очистные агенты», «Искривление скважин и направленное бурение»), соответствующие разделы в данном курсе не рассматривается или рассматривается только в общем, плане.

Краткая история бурения скважин.

Принято считать, что прародителем бурения скважин в горных породах было сверление отверстий в каменных бусах и в каменных молотках и топорах еще в каменном веке 10000-12000 лет назад (в английском и немецком языках сверление и бурение обозначаются одним словом - Drill – сверло, сверлить, Bore – буравить, сверлить). За 5000 лет до нашего времени в древнем Египте умели сверлить отверстия в блоках твердых горных пород уже явно с буровой технологией, используя медную трубку и подсыпая на «забой» крупный кварцевый песок – напоминает колонковое бурение, где песчинки играли роль резцов. Но более-менее глубокие скважины люди начали бурить ударным способом. Около 3000 лет назад в древнем Китае ударным способом на бамбуковых штангах бурили скважины для добычи рассолов. В XII веке скважины в Китае достигали глубины до 500 метров, имеется описание одной скважины глубиной в 1243 метра.

В России первые соляные скважины были пробурены в XII веке. Глубина скважин достигала 100 метров, а диаметр до 1 метра. Закреплялись стенки скважин деревянными трубами из выдолбленных стволов деревьев (в политехническом музее в Москве есть образцы таких деревянных обсадных труб).

В Европе в 1126 году ударным способом в провинции Артуа была пробурена первая скважина на воду, из которой стала изливаться вода (отсюда напорные водозаборные скважины стали называться Артезианскими).

В 1500 году Леонардо-да-Винчи сделал чертеж совершенного по тому времени станка для ручного вращательного бурения. К 1590 году относится информация об отборе образцов породы при бурении скважины – прототип керна. К этому же периоду относится применение в России ручного вращательного бурения бурами, напоминающими современный ложковый бур, (скважину называли -«труба», а бурильщика –«трубный мастер»).

В 1840 – 1887 годы во Франции развивалась техника и технология ударно-штангового бурения. В 1843 году там впервые применили промывку скважин водой.

В 1876 году в Москве была пробурена первая артезианская скважина ударно-штанговым способом на глубину 458 метров, с конечным диаметром 432 мм.

В то же время в США начали применять ударно-канатное бурение.

Но все же, началом геологоразведочного бурения можно считать конец XIX века. В 1862 году в Альпах при проходке туннеля в твердых горных породах по предложению швейцарского часовщика Лешо было применено первое алмазное бурение, Бурение (шпуров) велось коронкой диаметром 42 мм с крупными и очень дорогими алмазами «Карбонадо», с получением керна диаметром 31 мм, станком вращательного бурения с ручным приводом. Уже в 1864 году был изготовлен станок с приводом от парового двигателя. С 1870 года стали выпускать буровые станки для алмазного бурения с приводным паровым двигателем мощностью в 5 – 7 л.с. и с частотой вращения более 360 об/мин. В конце XIX века (1878 год) происходит широкое внедрение геологоразведочного бурения – создаются станки вращательного бурения: Сулливан – с гидравлической подачей, станки Крелиус с ручной рычажной подачей - практичные и способные бурить скважины до 1000 метров (последние - основные станки разведочного бурения вплоть до 50 годов прошлого века и в нашей стане).

В 1899 году в добавление к дорогому алмазному бурению американский инженер Дэвис предложил дробовое бурение.

В 1901 году польский инженер Вольский предложил для бурения прототип гидроударника («Гидротаран Вольского»).

В 1915 году германский инженер Лемм предлагает твердосплавное бурение (использовался твердый сплав – литой карбид вольфрама – воломит).

В России в конце XIX века началось геологоразведочное бурение на Урале, в Рудном Алтае, в Донбассе. Применялись станки Сулливан, Крелиус. В 1900 году буровой станок сконструировал русский инженер Войслав.

Основное развитие геологоразведочного бурения в России (СССР) начинается с 1923 года на Курской Магнитной аномалии – КМА, а с 1925 года начинается разведка рудных месторождений Соликамска, Нижнего Тагила, Норильска – пока зарубежными станками,

До 1927 года в СССР колонковое бурение в твердых породах осуществлялось с использованием дорогих крупноалмазных коронок. С 1927 года была разработана технология и началось внедрение дробового бурения. Надо отметить, что до середины пятидесятых годов дробовое бурение полностью обеспечивало все объемы разведочного бурения в породах VII – XII категорий по буримости. Только с открытием Якутских алмазов в 1953 году в нашей стране дробовое бурение стадо замещаться алмазным.

И в разработке технологии дробового бурения, и во внедрении алмазного бурения самое активное участие принимала кафедра разведочного бурения МГРИ.

С 1928 года начинается выпуск отечественных буровых станков вращательного (колонкового) бурения КА-300, а с 1938 г.- КАМ-500. Эти станки, шпиндельные, с ручной рычажной подачей, совместно со Шведскими станками фирмы «Крелиус», обеспечивали весь объем бурения разведочных скважин до середины 50 –х. годов.

Еще в 1940 – 1943 годах на базе станка ударно-канатного бурения был создан первый станок вращательного бурения с подвижным вращателем и стало применяться шнековое бурение.

В 1946 году выпускается очень удачный буровой станок для бурения из подземных выработок с винтовой подачей ГП-1.

В 1947 году завод им. Воровского (ЗИВ) на Урале выпускает станки с рычажно-винтовой подачей ЗИВ-75 и ЗИВ-150 (с самоходным вариантом на автомашине -СБУД-150-ЗИВ).

С 1952 года начался выпуск простых и надежных шпиндельных буровых станков с гидравлической подачей Ленинградским заводом им. Фрунзе – ЗИФ. Выпускались 3 типоразмера: ЗИФ-300, ЗИФ-650 и ЗИФ-1200. Два из этих станков живы и по сей день (ЗИФ-650М под маркой - СКТО-65 и ЗИФ-1200МР под маркой - СКТО-75).

В 1946 году было образовано Министерство геологии СССР, которое возглавило все геологические и технические работы в геологоразведке страны. С 1975 по 1989 год министром геологии СССР был наш человек - выпускник МГРИ группы РТ-48 Евгений Александрович Козловский

Еще в начале тридцатых годов был создан центральный научно-исследовательский геологоразведочный институт – ЦНИГРИ, в котором начали проводить работы по созданию мелкоалмазных коронок. В сороковые годы в разработке технологии и техники разведочного бурения, кроме МГРИ принимали участие буровые кафедры в Ленинградском и Свердловском горных институтах и в Днепропетровском политехническом институте.

В 1946 году в Москве было создано «ЦКБ позднее СКБ (Специальное конструкторское бюро) Министерства геологии СССР», в котором большинство специалистов составляли выпускники МГРИ. Ими были разработаны и внедрены гидроударники, и фактически создано гидроударное бурение, затем были разработаны и успешно внедрены снаряды со съемным керноприемником – КССК-76 и комплекты с гидравлическим транспортом керна – КГК-100. В отделении СКБ разработаны комплекты приборов для контроля процесса бурения типа КУРС-411, КУРС-613, РУМБ и другие.

В 1955 году в Ленинграде образован Всесоюзный институт техники разведки – «ВИТР». С участием ВИТР’а и СКБ были разработаны шпиндельные буровые станки нового поколения с гидравлической подачей с элементами автоматизации, серии - «СКБ»(Станок Колонкового Бурения). Созданы УКБ(1)-12,5/25, СКБ-2 – 50/100 (последних сделано всего 2 экземпляра – один из них в музее на Сергиево-Посадском полигоне МГРИ-РГГРУ), УКБ-3 – 200/300 (впоследствии с производства сняты из-за конструктивных недостатков), СКБ-4, СКБ-5, (а вот СКБ-6 в серию не пошел), СКБ-7 и СКБ-8. (УКБ - Установка Колонкового Бурения). В ВИТРЕ разработаны конструкции и организовано производство улучшенных алмазных буровых коронок, разработаны и внедрены комплекты снарядов со съемным керноприемником ССК-46, ССК-59 и ССК-76.

В начале девяностых годов в ВИТРе были разработаны конструкции современных буровых станков с подвижным вращателем – АБ-2, АБ-5 и роботизированный буровой комплекс РБК-4. К большому сожалению, в связи с перестройкой экономики в нашей стране, производству отечественных буровых станков предпочли закупку более качественных, но и более дорогих, импортных буровых станков.

В настоящее время, в связи с импортозамещением, целесообразно и необходимо создать и начать выпуск отечественных современных высокооборотных буровых станков с подвижным вращателем и с системой «автоперехват».

История МГРИ - РГГРУ

В сентябре 1918 года была создана Московская Горная Академия, в которой был геологоразведочный факультет, официально считающийся родоначальником МГРИ-РГГРУ.

В 1930 году из МГА выделился единственный в своем роде Московский Геологоразведочный Институт – МГРИ,Таким образом, МГРИ-РГГРУ имеет два года рождения – 1918 год и 1930 год.

С 1931 по 1941 г. Техническими вопросами геологоразведки занималась кафедра «Разведочного дела» под руководством В.М.Крейтора. В это время на кафедре работали основоположники разведочного бурения Б.И.Воздвиженский, Н.И.Куличихин, С.А.Волков.

В 1946 году из кафедры разведочного дела выделилась кафедра «Техники разведки», а с 1947 года в МГРИ была (впервые в стране) организована специальность «Техника разведки - РТ». С 1948 года такая специальность создана также в Ленинградском горном, Свердловском горном и в Днепропетровском политехническом институтах.

Только из первых четырех выпусков РТ МГРИ вышло 10 докторов наук по технике разведки, один министр геологии СССР, один зам. Министра, 3 начальника территориальных геологических управлений.

В 1951 году из кафедры «Техники разведки» было создано две кафедры: кафедра горного дела во главе с Н.И. Куличихиным и кафедра разведочного бурения,возглавленнаяБ.И.Воздвиженским(с 2009 года «Кафедра бурения скважин», сейчас кафедра «Современных технологий бурения скважин»). И в разработке технологии дробового бурения, и во внедрении алмазного бурения самое активное участие принимала кафедра разведочного бурения МГРИ.

Сотрудники кафедры внесли существенный вклад в создание буровых станков для бурения инженерно-геологических скважин, во внедрение и совершенствование алмазного бурения, бурения с эмульсионными промывочными жидкостями и с пеной, в разработку технологий получения кондиционного керна, в задачи оптимизации разведочного бурения. Кафедра была инициатором создания и внедрения в нашей стране снарядов со съемными керноприемниками – КССК. Выпускниками кафедры, работавшими в СКБ, были разработаны и внедрены гидроударники, и фактически создано гидроударное бурение, затем были разработаны и успешно внедрены снаряды со съемным керноприемником – КССК-76 и комплекты с гидравлическим транспортом керна – КГК-100.