Бурение, бур

Бур представляет собой заканчивающийся хвостовиком стержень 6-гранного или круглого сечения, рабочим органом которого является т. н. коронка (ей придаются разные формы; может быть и съёмной), непосредственно разрушающая забой. Бур имеет внутренний канал, через который подаётся вода для промывки или воздух для продувки шпура (рис.).

Бур с несъёмной крестообразной коронкой.
Хвостовик должен соответствовать конструкции патрона бурильного молотка, куда он вставляется. Рабочие грани коронок армируются пластинками из твёрдых сплавов.

Простейший бур представляет собой стальную трубу с заострённым нижним концом, которую при взятии пробы вколачивают или вдвигают в почву. Существуют буры различного устройства, позволяющие брать образцы почвы с требуемой глубины и с ненарушенным сложением почвы.

Рис. Бур с несъемной крестообразной коронкой.

Бурение осуществляется с целью:

эксплуатации месторождений жидких и газообразных полезных ископаемых (нефть, солевые растворы, вода, газ и пр.);

• поисков и разведки полезных ископаемых;
• изучения геологич. строения;
• проведения шпуров для взрывных работ, и пр.

Бурение заключается в постепенном углублении скважины путём разрушения горных пород на её забое, с извлечением разбуренной породы на поверхность земли и креплением стенок (спуск в скважину нескольких концентрических колонн т. н. обсадных стальных труб, с заливкой пространства между ними и стенками цементным раствором).

Бурение производится с помощью специального бурового оборудования и буровой вышки.

Различают бурение сплошное и колонковое. В процессе сплошного - горная порода разрушается по всей площади забоя, в процессе колонкового бурения — только по кольцевой площади у стенок скважины. Остающиеся при этом внутри кольца цилиндрические столбики породы (керны) извлекаются на поверхность земли и являются предметом исследования для характеристики проходимых пород.

По способу воздействия на породу различают бурение ударное и вращательное. При ударном - разрушение породы осуществляется ударами бурового снаряда, состоящего из долота с рядом приспособлений (для облегчения подъёма долота с забоя, повышения его веса и пр.). Снаряд опускается в скважину на стальном канате (ударно-канатное бурение, рис. 1) или на штангах (ударно-штанговое бурение).

Разрушенная порода, смешиваясь с находящейся на забое водой, образует буровую грязь, которую после подъёма бурового снаряда удаляют специальной желонкой (длинным ведром), опускаемой на канате. За одно долбление проходят от 1 до 2 м.

Крепление скважины осуществляется постепенно, через несколько метров. Ударный способ применяется почти исключительно при бурении на питьевую воду, притом главным образом в отдалённых местностях; в США он используется ещё и при проведении неглубоких нефтяных скважин в твёрдых породах.

Рис. 1. Схема установки ударно-канатного бурения:

1— тартальный барабан (для очистки скважины желонкой от выбуренной породы), 2 — барабан для спуска и подъёма обсадных труб, 3 — инструментальный барабан (для бурения долотом).

При вращательном бурении разрушение породы производится дробяще-скалывающим воздействием на неё вращающегося под давлением до 30 т долота, спускаемого в скважину на стальных т. н. бурильных трубах.

Откалываемые на забое кусочки породы удаляются обычно потоком непрерывно циркулирующей по скважине промывочной жидкости (вода или глинистые, реже силикатные, известковые и иные, растворы, также растворы на нефтяной основе, а в некоторых случаях эмульсии). Жидкость эта накачивается насосами внутрь бурильных труб, доходит до долота, через отверстия в нём поступает на забой скважины и поднимается вверх по кольцевому пространству между бурильными трубами и стенками скважины, захватывая частицы разбуренной породы.

Рис. 2. Схема установки вращательного (турбинного) бурения: 1 — кронблок, 2 — талевый блок, 3 — крюк, 4 — вертлюг, 5 — резиновый шланг для подачи в скважину промывочной жидкости из стояка, 6 — труба квадратного сечения, 7 — ротор (для развинчивания труб при их подъёме с целью смены долота, а также для проворачивания колонны труб в процессе работы), 8 — колонна бурильных труб, 9 — турбобур, 10 — долото, 11— двигатель и трансмиссия, 12 — лебёдка, 13 — стояк (труба для приёма промывочной жидкости от насоса), 14 — приёмный чан для промывочной жидкости, 15 — приёмная труба, 16 — насос (в специальном помещении у буровой вышки), 17 — компенсатор, 18 — нагнетательная труба, ведущая к стояку, 19 — промывочная жидкость, поступающая по жёлобу после очистки от породы, 20 — мостки.

В зависимости от метода передачи вращения долоту различают 3 способа вращательного бурения: роторный, турбинный и электробуровой.

При роторном способе двигатель, установленный на поверхности, приводит во вращение долото на забое через бурильные трубы, при помощи спец, механизма — ротора, установленного над устьем скважины в буровой вышке.

Рис. 3. Схема двуствольного бурения, а — подготовка скважины 1 для замера кривизны и других работ и бурение скважины 2, б — спуск инструмента (долота на трубах) в скважину 1 и подъём инструмента для смены долота в скважине 2, в — бурение скважины 1 и выполнение разных работ в скважине 2

Недостатком этого способа является необходимость затрачивать энергию на вращение всей колонны бурильных труб, иногда очень большой длины. Этого недостатка лишены способы бурения с применением т. н. забойных двигателей, устанавливаемых в забое непосредственно над долотом: при турбинном способе (рис. 2) вращение долота осуществляется т. н. турбобуром — многоступенчатой гидравлической турбиной; при электро-буровом способе долото вращается электрическим двигателем.

При бурении вертикальных скважин (точнее, скважин, направление которых относительно близко к вертикали) используется обычный бурильный инструмент. При бурении наклонно-направленных скважин используются специально отклоняющие устройства (кривые переводники, кривые трубы, шарнирные отклонители и пр.). Ствол такой скважины должен иметь заранее заданные направление (азимут) и углы искривления (отклонения от вертикали).

Бурение наклонно-направленных скважин раньше практиковалось лишь в тех случаях, когда нельзя было расположить буровую вышку на некотором месте земной поверхности (напр., бурение скважин с берега для добычи нефти или газа из пластов, залегающих под дном моря, озера, реки, болота, под городом, в сложных геологических условиях).

Наклонно-направленное бурение стало применяться для проведения из одной буровой вышки т. н. куста скважин (кустовое), ориентированных в различные стороны и с разными углами искривления. Для этой цели буровую вышку передвигают на небольшое расстояние или придают ей некоторый наклон.

Существует разновидность кустового бурения, т. н. многоствольное, заключающееся в том, что из одной вышки одновременно бурятся две или три наклонно-направленные скважины (рис. 3), с совмещением при том разных операций (напр., в одном стволе ведётся собственно бурение, а в другом производится подъём или спуск бурильного инструмента).

Кустовое, в частности многоствольное, наклонно-направленное - широко применяется на море (морское бурение), где оно ведётся со специальных длинных эстакад или с небольших т. н. оснований — железных конструкций в виде полуостровов или островов, установленных на (неглубоком) дне моря и выходящих на его поверхность, либо с плавучих барж. Особенно эффективно турбинное наклонно-направленное бурение, осуществляемое с непрерывным и плавным набором кривизны, со скоростью, примерно равной скорости обычного (вертикального).