Технология ударно-канатного бурения

Технология канатно-ударного бурения зародилась в Китае около 4000 лет назад. Ударно-канатное бурение — самый древний вид бурения, который до сих пор широко используется. Основная цель этой технологии бурения состоит в том, чтобы получать геологические образцы россыпей, осуществлять ремонтные работы и бурить скважины на воду, повысив безопасность бурения и снизив количество производственных отходов.

Ударно-канатное бурение осуществляется за счет погружения в отверстие проволочного каната или троса, на конце которого находится тяжелое остроконечное изделие из стали — так называемое буровое долото. За счет возвратно-поступательного перемещения бурового долота от пласта откалываются небольшие фрагменты. Канат натягивается на буровой мачте с помощью шкива и электродвигателя. При бурении скважины в рыхлых пластах часто используют обсадные колонны, чтобы стенки скважины не осыпались. Для забора керна вместо долота к ударной штанге можно присоединить ложечный керноотборник с продольной прорезью и бурильный башмак. Для отрыва и удержания керна на дне керноотборника помещают кернорватель. После забора керна керноотборник достают из забоя, раскрывают и извлекают из него керн.

Существует два подтипа ударно-канатного бурения: бурение с промывкой; сухое бурение.

Ударно-канатное бурение с промывкой применяется чаще, чем сухое ударно-канатное бурение, и подходит для любых пород, включая базальт. Ударное воздействие бурильного долота разбивает породу, откалывая от нее куски. Вода используется для создания шлама, который затем вынимают из забоя с помощью желонки. После того, как шлам убран, процесс бурения можно продолжить. Этот метод ударно-канатного бурения крайне редко используют для забора керна для геологических исследований, поскольку качество керна получается низким из-за того, что пылеобразная порода смешивается с водой. Кроме того, опять же из-за воды, очень сложно определить примеси в породе.

Сухое ударно-канатное бурение очень похоже на забивание свай, поскольку в этом методе бурения в почву загоняется обсадная колонна. Порода под ударом проталкивается в обсадную колонну. Качество среза в этом случае практически идеальное, поскольку нет доступа воды.

Главная проблема ударно-канатной технологии — низкая скорость бурения. Поэтому ее используют в основном для бурения на глубину не более 250 метров.

Другие ограничения связаны с тем, что данная технология предназначена только для вертикального бурения.

Ударно-канатное бурение имеет следующие специфические черты:

Для бурения с промывкой в условиях плотных и твердых пород требуется 80−160 литров воды на 1 метр.

В результате бурения из скважины извлекается сухой керн или шлам. При бурении с промывкой скважины диаметром 20 см из забоя извлекается примерно 200 литров шлама на каждые 3 метра, при сухом бурении — столько же сухой породы на каждые 18 метров.

Это испытанная технология, одна из самых надежных.

Бурильная установка при ударно-канатном бурении — это самая простая бурильная установка из всех существующих. Механизм очень прост и не требует сложного технического обслуживания. Эксплуатацию ударно-канатной установки может осуществлять один человек.

Ударно-канатное бурение может применяться для любых типов пород, а также в труднодоступных местах и в условиях ограниченности пространства благодаря небольшим размерам буровой установки.

Техническое обслуживание ударно-канатной буровой установки практически не требует затрат. Энергозатраты также невелики благодаря простоте механизма. Преимущества ударно-канатного способа: возможность качественного вскрытия и опробования пласта; отсутствие необходимости в снабжении установок водой и глиной; возможность бурения в валунно-галечниковых отложениях, в породах, поглощающих промывочную жидкость, в многолетнемерзлых породах; возможность в короткие сроки после бурения обеспечивать качественное освоение скважин, так как при этом способе проходимые водоносные горизонты остаются чистыми; бурение скважин с большим (более 500 мм) начальным диаметром; возможность раздельного опробования водоносных горизонтов в процессе бурения.

Технология ударно-канатного способа бурения зависит от геологических условий. В песках и песках-плывунах бурение, как правило, ведется с использованием желонки с плоским клапаном и одновременным креплением стенок скважин обсадными трубами.

В водоносных и чистых песках (сухих) следует применять желонку, утяжеленную короткой ударной штангой. Число ударов должно быть минимальным. В процессе бурения нельзя допускать, чтобы желонка опускалась ниже башмака обсадной трубы более чем на 0,5−0,75 м, так как песок может обвалиться и зажать желонку.

В песках-плывунах скважина заполняется песком с водой, поднимающимся за желонкой. Надо следить, чтобы желонка не переполнялась и порода не перебрасывалась через нее вверх, так как попавшая в кольцевой зазор между обсадной трубой и желонкой порода может вызвать прихват. Поэтому плывуны надо проходить быстро, без остановок, по возможности укороченными рейсами.

В галечниках и гравийных породах бурение ведут двутавровыми долотами с применением желонки с плоским клапаном и низким башмаком.

В глинистых породах (в плотных и сухих глинах) бурят двутавровыми долотами. Глину разрыхляют долотом на глубину 0,5−0,75 м, а затем используют желонку.

В сильнопесчанистых глинах скважину можно проходить буровым стаканом (утяжеленной желонкой без клапана).

Пластичные вязкие глины можно успешно бурить специальным долотом, изготовленным из обычного двутаврового или плоского (зубильного) долота, на конец которого приварены дополнительные лопасти, в результате чего оно приобретает вид крестового. Для работы таким долотом в скважину доливают 3−5 л воды и бурят в течение нескольких минут. Образовавшийся в скважине тестообразный шлам извлекают на корпусе долота.

Глинистые породы с валунами, особенно при большом скоплении последних, бурить сложно, так как при этом очень часто наблюдается искривление скважин.

Для разрушения валунов, больших по размеру, чем диаметр обсадных труб, следует применять тяжелые округляющие долота.

Твердые и крепкие монолитные породы (плотные сухие глины, глинистые сланцы, известняки, песчаники, граниты, кварциты и прочие крепкие и абразивные породы) проходят периодическим дроблением с последующей очисткой скважины желонкой с плоским клапаном. При бурении необходимо, чтобы скважина не сужалась и имела округлую форму. Причина сужения — быстрый износ долота.

Трещиноватые и закарстованные породы бурят крестовыми и округляющими долотами с углом приострения 90 градусов. Трещиноватые породы склонны к обрушению и вывалам, поэтому бурение в них следует производить осторожно при всегда натянутом канате, не допуская раскачивания инструмента и одновременно обсаживая скважину.

Зону вечной мерзлоты, сложенную твердыми и крепкими устойчивыми породами (известняками, песчаниками, плотными глинистыми сланцами, гранитами и т. д.), бурят практически так же, как те же породы при обычных условиях. Бурение скважин в мерзлых, рыхлых породах (песчанистых глинах, песках, мягких глинистых сланцах, разрушенных песчаниках и известняках) значительно отличается от бурения в породах с положительной температурой. Сложность бурения обусловливает высокая чувствительность мерзлоты к нарушению ее теплового режима.