Основное преимущество колонкового бурения перед остальными способами — возможность получения ненарушенных образцов породы на всей глубине скважины, что позволяет не только точно устанавливать геологический разрез по скважине, но и определять физико-механические свойства горных пород.

Колонковым способом бурят скважины в породах любой твердости, под различными углами к горизонту. Этим способом можно также бурить скважины небольшого диаметра на большую глубину, используя для этого относительно легкое оборудование.

В качестве породоразрушающего инструмента используют коронки, армированные резцами из твердых сплавов или алмазными зернами, а также дробовые. Соответственно различают три разновидности колонкового бурения: твердосплавное, алмазное и дробовое.

За последнее время при инженерно-геологических и гидрогеологических работах колонковым способом сооружают скважины диаметром до 1 500 мм.

Схема установки для колонкового бурения показана на рисунке 2.

Забуривают скважину специальным снарядом, состоящим из породоразрушающего инструмента, короткой (0,5… 1 м) колонковой трубы и переходника для соединения с бурильной трубой, укороченными (по 0,2… 0,5 м) рейками при пониженной осевой нагрузке и минимальной частоте вращения снаряда. После того как глубина скважины достигнет 3…4 м, устанавливают направляющую трубу для предохранения устья скважины от размыва потоком промывочной жидкости и от обрушения, а также для придания стволу скважины проектного направления. Нижний конец направляющей трубы тампонируют. После этого приступают к непосредственному бурению скважины.

В скважину с помощью лебедки станка на колонне бурильных труб опускают колонковый набор, состоящий из породоразрушающего инструмента, колонковой трубы и переходника, соединяемых друг с другом герметичными резьбовыми соединениями. Основное назначение его — разрушение горной породы, прием и сохранение керна. Буровой снаряд подвешен через талевый блок на канате лебедки. Канат переброшен через ролики кронблока буровой вышки.

С колонной бурильных труб соединяют ведущую трубу, которая закрепляется в зажимных патронах шпинделя бурового станка, приводимого в действие от двигателя. Через шпиндель колонне бурильных труб передается вращательное движение и создается нагрузка на породоразрушающий инструмент. На ведущую трубу навертывают вертлюг-сальник, соединенный нагнетательным шлангом с буровым насосом.

Рис. 2. Схема установки для колонкового бурения. Позиции даны в тексте.

Контролируют осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент с помощью указателей давления на забой, установленных на станке, или индикатора веса, встроенного в неподвижный конец каната лебедки.

Буровой насос приводится в действие от двигателя. Промывочная жидкость из приемной емкости через всасывающий шланг непрерывно подается буровым насосом через вертлюг-сальник, ведущую трубу и колонну бурильных труб, охлаждая породоразрушающий инструмент и вынося частицы разрушенной породы по затрубному пространству между буровым снарядом и стенками скважины на поверхность в отстойник. Очищенная от шлама промывочная жидкость вновь подается насосом в скважину. Расход промывочной жидкости, подаваемой в скважину, регулируют трехходовым краном, установленным на нагнетательной линии бурового насоса.

Буровая коронка разрушает породу, внедряясь по кольцевому забою и оставляя неразрушенный столбик породы — керн. По мере углубления скважины керн заполняет колонковую трубу. После заполнения ее керном снаряд поднимают на поверхность. Поднимают его также при резком снижении механической скорости бурения, вызванном износом буровой коронки. Перед подъемом снаряда керн в колонковой трубе предварительно заклинивают.

В крепких породах керн заклинивают кернорвательным устройством, а при его отсутствии — битым стеклом или фарфором, засыпаемым через колонну бурильных труб.

В мягких породах керн заклинивают путем затирки «всухую» при прекращении подачи в скважину промывочной жидкости и кратковременном вращении снаряда при повышенной осевой нагрузке.

Поднимают снаряд так же, как и при роторном бурении, с помощью лебедки станка при выключенном буровом насосе. Развинчивают колонну бурильных труб на отдельные звенья — свечи вручную шарнирными ключами (при бурении неглубоких скважин) или механическим труборазворотом, устанавливаемым над устьем скважины. Свеча состоит из двух-трех бурильных труб, и длина ее зависит от высоты вышки. Располагают бурильные свечи в определенном порядке в буровой вышке.

После подъема снаряда и извлечения керна, а при необходимости и замены буровой коронки буровой снаряд вновь спускают в скважину и продолжают бурение.

В качестве промывочной жидкости при колонковом бурении чаще всего применяют воду, а в неустойчивых породах, склонных к обвалам, — глинистый раствор. В тех случаях, когда специальные глинистые растворы не дают положительных результатов, бурение прекращают и стенки скважины крепят колонной обсадных труб, свободно опускаемых в скважину. Затрубное пространство цементируют. После затвердения цементного раствора бурение продолжают, но уже буровым снарядом меньшего диаметра.

—

Наиболее распространенным способом сооружения поисковых и разведочных скважин на твердые полезные ископаемые является вращательное колонковое бурение. Основным преимуществом колонкового бурения перед другими способами является возможность получения керна, изучение которого в сочетании с другими исследованиями в скважинах позволяет с большой точностью и достоверностью подсчитать запасы полезного ископаемого, определить его качество и условия залегания. Сущность колонкового вращательного бурения заключается в следующем. Для колонкового вращательного механического бурения необходима буровая установка, состоящая из следующих механизмов, инструментов и вышки. Буровой станок III служит для вращения бурильной колонны, а через нее — колонкового набора, состоящего из буровой коронки, колонковой трубы и переходника. Вращение бурильных труб осуществляется вращателем с помощью верхнего и нижнего зажимных патронов. Подъем и спуск в скважину бурового инструмента производится лебедкой станка с помощью вышки и талевой оснастки, состоящей из талового каната, талевого блока с подъемным крюком и кронблока. Свободный конец талевого каната крепится к основанию вышки или к якорю через динамометр или другой показывающий прибор. Привод бурового станка осуществляется электродвигателем или от дизеля.

Для очистки скважины от выбуренной породы и охлаждения коронки применяется промывочная жидкость, подаваемая буровым насосом с приводом от электродвигателя. Из приемного бака через приемный клапан и всасывающий шланг буровой насос засасывает промывочную жидкость и по нагнетательному шлангу через вертлюг-сальник подает ее в скважину по колонне-бурильных труб. Из скважины промывочная жидкость выносит породный шлам и по желобам стекает в отстойный бак, где очищается и самотеком поступает снова в приемный бак.

Для закрепления верхней части скважины (устья) от размыва и обрушения, а также для направления скважины при бурении служит направляющая труба. Все буровые механизмы и вспомогательный инструмент размещены внутри бурового здания, которое служит для укрытия буровой смены от непогоды.

Процесс бурения осуществляется следующим образом. После спуска в скважину колонкового набора включают насос и наполняют скважину промывочной жидкостью. После выхода промывочной жидкости из скважины ставят коронку на забой с вращением, устанавливают необходимую нагрузку на коронку и начинают углубку.

Для колонкового бурения применяются кольцевые коронки, заправленные алмазами или твердосплавными резцами. Применялись для колонкового бурения в крепких породах дробовые коронки, которые сейчас заменены алмазными. При вращении коронки на забое порода разрушается по кольцу,

а неразрушенный столбик породы — керн — поступает через коронку в колонковую трубу. Промывочная жидкость, попадая в колонковый набор через переходник, проходит в кольцевом зазоре между керном и стенкой колонковой трубы до забоя, охлаждает коронку и выносит с забоя продукты разрушения горных пород — шлам. После углубки скважины на определенную длину, которая зависит от твердости пород, ресурса коронки и сохранности керна, промывают скважину до полного удаления шлама. Затем заклинивают керн в коронке, отрывают его от забоя и поднимают вместе с колонковым набором на поверхность. Метод срыва и удержания керна зависит от способа бурения и разрушенности керна. Наиболее распространен метод с применением специального приспособления — кернорвателя, вмонтированного в нижнюю часть колонковой трубы.

При высокой износостойкости современных алмазных коронок длина рейса в процессе бурения разведочных скважин ограничивается необходимостью извлечения из скважины качественного керна. Одним из существенных путей уменьшения количества спуско-подъемов бурового снаряда является бурение снарядами со съемными керноприемниками (ССК), обеспечивающими возможность извлечения керна через колонну бурильных труб без ее подъема на поверхность. Извлечение из скважины бурильной колонны при работе ССК осуществляется лишь для замены породоразрущающего инструмента. Кроме повышения производительности труда за счет сокращения затрат времени на выполнение спуско-подъемных операций, применение ССК позволяет повысить срок службы бурового оборудования и инструмента, облегчить труд рабочих, улучшить состояние стенок скважины (особенно при бурении трещиноватых и легкоразрушаемых пород), увеличить выход керна.

В настоящее время для бурения алмазами разведочных скважин глубиной до 1200 м в монолитных и слаботрещиноватых породах V—XI категорий по буримости применяются снаряды со съемными керноприемниками ССК-46, ССК-59 и ССК-76 (диаметры коронок соответственно 59 и 76 мм). Для бурения скважин глубиной до 2000 м в породах V—VIII и частично IX категорий по буримости используется комплекс технических средств КССК-76.

Рис. 3. Схема установки для колонкового бурения:
I — башенная вышка; II — буровое здание; III — станок вращательного бурения; IV — насос буровой; У — электродвигатели; VI — направляющая труба; 1 — коронка; 2 — колонковая труба; 3 — переходник с колонковой трубы на колонну бурильную; 4 — бурильная колонна; 5 — вертлюг-сальник; 6 — подъемный крюк; 7 — талевый блок; 8 — вращатель бурового станка; 9 — патроны зажимные; 10 — подъемная лебедка; 11 — регулятор подачи станка; 12 — шланг нагнетательный; 13 — керн; 14 — отстойные желоба; 15 — отстойный бак; 16 — приемный бак; 17 — всасывающий шланг с храпком; 18 — талевый канат; 18а — неподвижный конец каната; 19 — индикатор веса; 20 — манометр индикатора веса; 21 — манометр бурового насоса; 22 — верхняя рама с кронблоком; 23 — ноги копра; 24 — пояса; 25 — раскосы копра; 26 — фундаментные трубы

Разработан и передан в серийное производство комплекс для бурения со съемным керноприемником коронками диаметром 46 мм. Ведутся работы по созданию подобных комплексов для бурения коронками диаметром 93 мм.

При работе снарядами со съемными керноприемниками поднимают керн специальной керноприемной трубой через бурильные трубы. Колонковый набор при этом остается на забое для последующего рейса, который начнется после спуска через колонну бурильных труб опорожненной на поверхности керноприемной трубы. Поднимают приемную трубу ловителем на стальном тросике.

Бурильную колонну принимают лебедкой, причем колонну разбивают на отдельные свечи, длина которых определяется высотой вышки. Чем глубже скважина, тем выше должна быть вышка и тем длиннее будет каждая свеча.

Поднятый колонковый набор с керном выносят из бурового здания на приемный мост и сразу же приступают к спуску второго, заранее подготовленного набора. Извлекают керн из поднятой колонковой трубы после спуска второго снаряда и начала дальнейшей углубки. С помощью монтажной опоры закрепляют колонковую трубу и отвинчивают коронку. Извлеченный керн укладывают в специальные ящики в той последовательности, в какой бурились пласты горных пород. Замеряют керн и прикладывают к нему этикетку.