Способы и методы бурения скважин

Бурение (Drilling) скважин – комплекс технологических процессов, направленных на создание скважин: глубоких цилиндрических выработок с большим соотношением длины к диаметру. Сюда входит разрушение горных пород с помощью специализированного бурового оборудования, реже используются методы термического, гидроэрозионного или взрывного воздействия. Продукты разрушения удаляются для поддержания чистоты и эффективности работы.

Начальная точка скважины на поверхности земли называется устьем, а её дно – забоем. Стенки скважины образуют ее ствол. В статье подробно рассмотрим методы и особенности бурения скважин:используемое оборудование и технологические нюансы. Также приведем сравнительную таблицу с основными характеристиками для наглядности.

Классификация способов бурения скважин

Бурение классифицируют по глубине и используемому методу. В зависимости от глубины, выделяют мелкое, среднее и глубокое бурение. По способу различают ударное, вращательное, роторное, турбинное и комбинированное бурение.

Ударно-канатный способ

Один из старейших методов. Основан на разрушении горных пород посредством ударов бурового инструмента, подвешенного на канате. Метод используется для создания скважин в твердых породах и позволяет эффективно удалять обломки породы из ствола. Интересно, что этот способ, впервые примененный в древнем Китае, до сих пор используется в современной геологоразведке благодаря своей надежности и простоте.

Используемое оборудование и инструменты

Для ударно-канатного способа используются:

1. Буровая вышка. Конструкция, обеспечивающая подъем и спуск бурового инструмента.
2. Лебёдка. Механизм для подъёма и опускания бурового инструмента на канате.
3. Буровой инструмент. Тяжелый стальной бур, предназначенный для разрушения породы ударным методом.
4. Канат. Прочный трос, с помощью которого буровой инструмент подвешивается и управляется.
5. Штанги. Дополнительные элементы для увеличения длины бурового инструмента.
6. Насосы. Оборудование для откачки воды и удаление разрушенных пород из скважины.

Технология бурения

Процесс начинается с установки буровой вышки и закрепления бурового инструмента на канате. Лебёдка поднимает долото и затем отпускает его, чтобы оно свободно падало, нанося удары по породе и разрушая её. После нескольких ударов буровой инструмент поднимается на поверхность, и обломки породы удаляются из скважины. Этот процесс повторяется до достижения необходимой глубины.

Плюсы и минусы

Преимуществами метода являются:

• Простота и надёжность оборудования.
• Высокая эффективность для разрушения твердых пород.
• Низкие эксплуатационные затраты.
• Возможность использования в условиях отсутствия электроэнергии.

К недостаткам относится:

• Низкая скорость бурения.
• Ограничения по глубине скважины.
• Трудоёмкость процесса.
• Повышенная вибрация, что может вызвать проблемы со стабильностью скважины.

Бурение роторными механизмами

Технология, основанная на вращении при помощи ротора, который передает вращательное движение на буровой инструмент через бурильные трубы. Этот метод широко используется для создания глубоких и протяженных скважин благодаря своей эффективности и высокой скорости бурения.

Используемое оборудование и инструменты

Для роторного метода используются:

1. Буровая установка. Комплекс оборудования, включающий буровую вышку, ротор и бурильные трубы.
2. Ротор. Механизм, обеспечивающий вращение бурового инструмента.
3. Буровые трубы. Трубы, соединяющие ротор с буровым инструментом и передающие вращательное движение.
4. Буровой инструмент. Долото, предназначенное для разрушения породы.
5. Циркуляционная система. Насосы и трубопроводы для подачи бурового раствора в скважину и удаления выбуренной породы.

Технология бурения

Процесс начинается с установки буровой установки и соединения буровых труб с ротором и долотом. Ротор передает вращательное движение на буровой инструмент, который разрушает породу на забое скважины. Буровой раствор подается через трубы к долоту, охлаждая его и вынося выбуренную породу на поверхность. Процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута необходимая глубина скважины.

Плюсы и минусы

Преимуществами метода являются:

• Высокая скорость бурения.
• Возможность бурения на большие глубины.
• Эффективное удаление выбуренной породы.
• Хороший контроль над процессом бурения.

К недостаткам относится:

• Высокие затраты на оборудование и эксплуатацию.
• Сложность в обслуживании и ремонте оборудования.
• Необходимость постоянного контроля за состоянием бурового раствора.
• Ограниченная эффективность в твердых породах.

Бурение с применением забойного мотора

Сверление скважин с применением забойного мотора включает использование двигателя, расположенного непосредственно в нижней части бурильной колонны, который вращает буровой инструмент. Этот метод позволяет осуществлять процесс с достаточно высокой точностью и эффективностью, особенно в условиях сложного геологического строения.

Используемое оборудование и инструменты

При реализации данного метода используется:

1. Буровая установка. Комплекс оборудования, включающий буровую вышку и систему циркуляции бурового раствора.
2. Забойный мотор. Двигатель, расположенный в нижней части бурильной колонны, приводящий в движение долото.
3. Бурильные трубы. Трубы, соединяющие поверхность с забойным мотором.
4. Буровой инструмент. Долото, предназначенное для разрушения горных пород.
5. Циркуляционная система. Насосы и трубопроводы для подачи раствора и удаления продуктов разрушения породы.

Технология бурения

Процесс начинается с установки буровой установки и опускания колонны с забойным мотором и долотом. Забойный мотор, приводимый в действие потоком бурового раствора, вращает буровой инструмент, разрушая породу. Буровой раствор циркулирует через систему труб, охлаждая долото и вынося выбуренную породу на поверхность. Процесс повторяется до достижения необходимой глубины скважины, которая может достигать нескольких километров.

Плюсы и минусы

Преимуществами метода являются:

• Высокая точность бурения.
• Эффективное бурение в сложных геологических условиях.
• Возможность бурения наклонно-направленных скважин.
• Снижение нагрузки на бурильную колонну.

К недостаткам относится:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
• Необходимость в квалифицированном обслуживании и ремонте.
• Зависимость от качества бурового раствора.
• Ограниченная применимость в особо твердых породах.

Турбинный метод

Метод, суть которого в использовании турбобура, преобразующего гидравлическую энергию бурового раствора в механическую работу для вращения долота. Такая технология является весьма эффективной для глубоких скважин и имеет высокий КПД, по сути трансформируя внутреннюю энергию системы из одного процесса в другой.

Используемое оборудование и инструменты

Для турбинного способа используется:

1. Буровая установка. Комплекс оборудования, включающий буровую вышку и системы циркуляции бурового раствора.
2. Турбобур. Турбина, расположенная в нижней части бурильной колонны, которая вращает долото.
3. Бурильные трубы. Трубы, передающие буровой раствор к турбобуру и выносящие продукты бурения на поверхность.
4. Буровой инструмент. Долото, используемое для разрушения породы.
5. Циркуляционная система. Насосы и трубопроводы для подачи бурового раствора и удаления выбуренной породы.

Технология бурения

Процесс начинается с монтажа буровой установки и опускания бурильной колонны с турбобуром и долотом. Раствор подаётся через бурильные трубы к турбобуру, приводя его в действие и вращая долото. Турбобур преобразует гидравлическую энергию бурового раствора в механическое вращение долота, который разрушает породу. Продукты бурения выносятся на поверхность с помощью циркуляции бурового раствора. Конструктивные особенности оборудования обеспечивают методу возможность сверления пород на глубине до 7000 метров.

Плюсы и минусы

Преимуществами метода являются:

• Высокая скорость прохода.
• Эффективное бурение на больших глубинах.
• Стабильная работа в сложных геологических условиях.
• Меньшая износостойкость бурильных труб за счет отсутствия механического вращения на поверхности.

К недостаткам относится:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
• Сложность в обслуживании и ремонте турбобура.
• Зависимость от качества и стабильности бурового раствора.
• Ограниченная применимость в очень твёрдых породах.

Бурение с применением винтового мотора

Метод основан на применении винтового двигателя, расположенного в нижней части бурильной колонны, который вращает долото. Технология подходит и успешно используется для сверления в сложных геологических условиях, обеспечивая высокую точность прохода.

Используемое оборудование и инструменты

При реализации технологии используется:

1. Буровая установка. Комплекс оборудования, состоящий из вышки и системы циркуляции раствора.
2. Винтовой мотор. Двигатель, размещенный в нижней части бурильной колонны, обеспечивающий вращение долота.
3. Бурильные трубы. Трубы, передающие раствор к винтовому мотору и выносящие продукты разрушения породы.
4. Буровой инструмент. Долото для разрушения горных пород различной твердости.
5. Циркуляционная система. Насосы и трубопроводы для подачи раствора и удаления выбуренной породы.

Технология бурения

Изначально специалисты монтируют буровую установку на предполагаемом месте сверления скважины и опускают в нее бурильную колонну с винтовым мотором и долотом. Поток раствора приводит винтовой двигатель в действие, вращая долото, которое разрушает породу на забое. Буровой раствор также используется для охлаждения инструмента и удаления продуктов бурения, вынося их на поверхность. Цикл продолжается до достижения требуемой глубины скважины.

Плюсы и минусы

Преимуществами метода являются:

• Высокая точность и контроль процесса.
• Эффективная работа в сложных геологических условиях.
• Возможность бурения наклонно-направленных скважин.
• Уменьшение нагрузки на бурильную колонну за счёт использования винтового мотора.

К недостаткам относится:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатационных расходов.
• Необходимость квалифицированного обслуживания и ремонта.
• Зависимость от качества бурового раствора.
• Ограниченная эффективность в особо твердых породах.

Бурение электрическим буром

Суть метода в использовании электрического бура, расположенного в нижней части бурильной колонны, который получает питание через кабель и вращает долото. Благодаря удобному управлению, метод позволяет достичь высокой точности и контроля в процессе создания скважин, особенно в глубоких и сложных условиях.

Используемое оборудование и инструменты

Для эффективной реализации метода используется:

1. Установка. Комплекс оборудования, включающий вышку и систему электроснабжения.
2. Электробур. Электрический двигатель, установленный на нижнем конце колонны, который приводит в движение инструмент.
3. Бурильные трубы. Трубы, обеспечивающие подачу бурового раствора и передачу питания к электробуру.
4. Долото. Инструмент для разрушения горных пород.
5. Циркуляционная система. Насосы и трубопроводы для подачи бурового раствора и удаления выбуренной породы.

Технология бурения

Процесс типично начинается с монтажа установки, опускания колонны, оснащенной долотом и приводом,  в данном случае – электрическим буром. Бур получает питание через кабель, передавая вращательное движение на инструмент, который и разрушает породу. Одновременно с этим, буровой раствор охлаждает долото и выносит продукты бурения на поверхность. Этот процесс продолжается до достижения необходимой глубины, которая может достигать до 5 километров.

Плюсы и минусы

Преимуществами метода являются:

• Высокая точность и контроль процесса.
• Возможность бурения в сверх сложных и глубоких условиях.
• Снижение механических нагрузок на колонну.
• Возможность регулировки скорости и направления вращения инструмента.

К недостаткам относится:

• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
• Сложность в обслуживании и ремонте электрического оборудования.
• Зависимость от стабильного электроснабжения.
• Ограниченная применимость в особо твёрдых породах.

Какой способ бурения выбрать

При выборе способа следует учитывать геологические условия, требуемую глубину и особенности скважины. Например, для неглубоких скважин в твёрдых породах подойдёт ударно-канатный метод, а для глубоких и сложных условий лучше выбрать турбинный или электрический. Роторный способ считается самым универсальным, в то время как методы с забойным и винтовым моторами целесообразно применять только для наклонных и горизонтальных скважин.

Предоставим таблицу с основными характеристиками для сравнения.

Использование правильного оборудования и методов значительно повышает эффективность бурения, однако пренебрежение мерами безопасности может привести к серьёзным авариям и рискам для работников. Поэтому акцентируем, что соблюдение  нормативов и стандартов безопасности является первоочередным и критически важным для успешного и безопасного завершения буровых работ.