Основные элементы, характеризующие скважину, — ее диаметр, глубина и направление. Диаметр скважины определяется наружным диаметром породоразрушающего инструмента, а если она закреплена обсадными трубами, то внутренним диаметром этих труб.

При разведке месторождений твердых полезных ископаемых скважины бурят диаметрами 26—151 мм глубиной до 1500—3000 м.

Глубина скважин, предназначенных для водоснабжения, зависит от глубины залегания водоносного горизонта и достигает 500—800 м. Диаметр этих скважин принимается от 100 до 500 мм, а шахтные колодцы бурят диаметром до 1000—1500 мм. Глубина водопонизительных скважин определяется необходимой глубиной осушения участка, а также мощностью обводненного горизонта и достигает 200—300 м.

Наибольшую глубину имеют скважины, применяющиеся при разведке и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений. Их проводят в глубь земли на 4—6 км и более.

Для изучения глубоких горизонтов земной коры, полного пересечения ее и вскрытия верхней «мантии» Земли бурят скважины глубиной 15—18 км.

Скважины можно бурить под любым углом к горизонтальной поверхности: от направленных вертикально вниз до горизонтальных и восстающих, направленных вверх, которые могут быть заданы из подземных горных выработок.

Положение скважины в земной коре определяется зенитным и азимутальным углами, а также координатами устья скважины.

Зенитным углом 0 называется угол между осью скважины и вертикалью. Угол между осью скважины и горизонтальной плоскостью называется углом наклона скважины.

Азимутальным углом а называется угол, измеряемый по часовой стрелке в горизонтальной плоскости между определенным направлением, проходящим через ось скважины, и проекцией оси скважины на горизонтальную плоскость.

Рис. 1. Скважина и ее элементы:
1 — устье скважины; 2 — стенки скважины; 3 — забой скважины; 4 — участки стенок скважины, закрепленные обсадными трубами. D1; D2; D3 — диаметры ствола скважины; L — глубина скважины; 8 — зенитный угол; I — угол наклона; а — азимутальный угол

Если азимут отсчитывается от географического меридиана, получают истинный азимут, от магнитного меридиана — магнитный, от направления на произвольный репер — условный.

Бурение скважины осуществляется буровой установкой, которая представляет собой комплекс сооружений и оборудования, а также аппаратуры контроля и регулирования процесса бурения.

Производственный цикл бурения геологоразведочной скважины

Сооружение буровой скважины представляет собой производственный цикл выполняемых в определенном порядке рабочих процессов:
1. Монтаж буровой установки.
2. Собственно бурение скважины.
3. Закрепление неустойчивых стенок скважины для предупреждения от обрушения.
4. Испытания и исследования в скважине (измерения искривлений, геофизические, гидрогеологические исследования и др.).
5. Тампонирование скважины с целью разобщения пластов друг от друга.
6. Оборудование водоприемной части гидрогеологической скважины (например, установка фильтра) и монтаж водоподъемника.
7. Работа по борьбе с осложнениями в скважине, которые могут привести к аварии.
8. Ликвидация скважины.
9. Демонтаж буровой установки и ее транспортировка на новую точку.

Процесс «собственно бурение скважины» слагается из следующих основных рабочих операций:
1) разрушение горной породы на забое скважины (отделение частиц породы от массива);
2) транспортирование разрушенной породы (бурового шлама) от забоя скважины на поверхность;
3) спуско-подъемные операции, выполняемые буровым снарядом для замены износившегося породоразрушающего инструмента и взятия образцов породы в виде керна.

Классификация способов бурения скважины

Разрушение породы возможно следующими способами: механическим, термическим и химическим.

Механическое воздействие на разрушаемую породу осуществляется либо породоразрушающими инструментами, либо бездолотными способами (взрывной, электрогидравлический, имплозионный, шароструйный, гидромониторный, гидроэрозионный).

При взрывном бурении на забой подаются капсулы со взрывчатой смесью, которая при ударе взрывается и разрушает породу.

При электрогидравлическом бурении у забоя скважины, заполненной жидкостью, создаются электрические разряды, образующие в жидкости кавитационные полости, при смыкании которых происходит гидравлический удар, разрушающий породу.

Сущность шароструйного бурения заключается в разрушении породы энергией удара стальных шариков, подаваемых на забой в струе жидкости.

Гидромониторное разрушение породы заключается в ее размывании энергией высоконапорной струи жидкости, направляемой на забой из специальных насадок.

Эрозионнное гидромониторное разрушение породы осуществляется струей жидкости, вытекающей из гидромониторных насадок и содержащей абразивный материал (кварцевый песок, стальную дробь).

Основные в настоящее время — механические способы бурения, при которых порода на забое скважины разрушается путем резания, дробления, скалывания или истирания различными по-родоразрушающими инструментами. К ним относятся вращательное, ударно-вращательное, ударно-поворотное, ударное и бурение задавливанием инструмента в породу.

Рис. 2. Классификация способов бурения

Наиболее распространено вращательное бурение, при котором породоразрушающий инструмент получает вращение от ведущего механизма через колонну бурильных труб или шнеков.

Вращательное бурение может производиться с разрушением породы по всей площади забоя или кольцевым забоем, когда в центре скважины оставляется колонка неразрушенной породы. Такой способ бурения, называемый колонковым, является основным при поисках и разведке месторождений твердых полезных ископаемых. Колонка неразрушенной породы (керн) извлекается на поверхность и используется для изучения структуры и вещественного состава породы. Колонковое бурение производится породоразрушающими инструментами (коронками) кольцевой формы, оснащенной резцами из твердых сплавов или алмазными зернами. Соответственно различают два основных вида колонкового бурения: твердосплавное и алмазное. При бурении скважин на нефть и газ для получения керна применяют колонковые шарошечные долота.

Бескерновое бурение, т. е. бурение сплошным забоем, осуществляется лопастными, шарошечными и алмазными долотами, а также пикобурами.

Сущность ударно-вращательного бурения заключается в том, что по вращающемуся породоразрушающему инструменту наносятся удары с частотой 900—3500 уд/мин. Для бурения ударно-вращательным способом применяют гидроударники, пневмо-ударники и забойные вибраторы.

Ударно-поворотное бурение состоит в том, что тяжелый буровой снаряд с породоразрушающим инструментом (долотом) на нижнем конце периодически поднимается и сбрасывается на забой скважины, дробя и скалывая породу. После каждого удара долота по забою снаряд поворачивается на определенный угол для придания скважине цилиндрической формы. Снаряд спускается в скважину на стальном канате или на колонне бурильных труб. Соответственно различают ударно-канатное и ударно-штанговое бурение. Преимущественное применение имеет первое.

При инженерно-геологических изысканиях используется за-давливание (статическое зондирование) или забивание (динамическое зондирование) специальных инструментов (зондов) в мягкие породы с целью исследования их свойств в естественном залегании.

Кроме динамического зондирования к ударному способу относится вибрационное бурение, при котором для разрушения породы используются механические колебания большой частоты, передаваемые породоразрушающему инструменту через бурильную колонну от вибрационной машины.

При термических способах породы разрушаются за счет возникновения в них термических напряжений и различных эффектов (плавление, испарение и др.). В зависимости от способа и характера термического воздействия на породу различают огне-струйное, плазменное, электродуговое, электронагревательное, атомное, лазерное, электронно-лучевое и циклическое бурение, при котором на породу периодически воздействуют горячими и холодными агентами.

Известны также комбинированные способы разрушения пород. К ним относятся термомеханический, гидроэрозионный, гидромониторно-механический, электротермомеханический.

Химические способы разрушения пород предусматривают использование высокоактивного химического вещества.

Разрушенная в скважине порода транспортируется от забоя на поверхность следующими способами:
1) извлечением в виде разжиженного шлама желонкой при ударно-канатном бурении;
2) транспортированием в измельченном состоянии вращающейся в скважине шнековой колонной (при шнековом бурении), составляемой из труб с приваренной на них по спирали стальной лентой;
3) путем выноса шлама струей промывочной жидкости, закачиваемой в скважину насосами, или воздуха, подаваемого от компрессора.

Последний способ очистки скважины применяется при вращательном бурении, когда породоразрушающий инструмент опускается в скважину на колонне пустотелых бурильных труб.

Для привода в действие буровых механизмов используются двигатели электрические и внутреннего сгорания. Механизмы буровой установки, приводящие в движение буровой снаряд, размещаются на поверхности около устья скважины. При этом значительная часть энергии расходуется непроизводительно на преодоление сил трения вращающейся колонны бурильных труб о стенки скважины. Бурильные трубы несут большие нагрузки при работе в скважине, поэтому быстро изнашиваются, часто рвутся. Это приводит к потере времени, снижению производительности и удорожанию работ. Более прогрессивно вращательное бурение с применением забойных двигателей: гидравлических (турбобур) и электрических (электробур).