Разрушение горных пород может осуществляться различными способами. Наибольшее практическое применение имеет механическое разрушение породоразрушающими инструментами. Классификация различных способов бурения породоразрушающими инструментами представлена на рис. 2.

При механических способах бурения в породах создаются напряжения, превышающие предел их прочности. К механическим способам разрушения горных пород породоразрушающими инструментами относятся: неглубокое вибробурение, вращательное, ударно-вращательное и ударное бурение. Вибробурение или вибропогружение грунтоноса в мягкие породы осуществляется на глубину до 25—30 м. В качестве вибраторов применяют поверхностные (механические) и забойные (гидро- и пневмо-вибраторы).

Ударно-вращательное бурение применяется в твердых породах. С помощью пневмо- и гидроударников на вращающуюся с нагрузкой коронку или долото наносится до 1500— 2000 удар/мин. Пневмоударники работают от энергии сжатого воздуха, гидроударники — от энергии струи жидкости.

Ударное бурение осуществляется за счет ударов долота, сбрасываемого на забой с некоторой высоты. Для увеличения силы удара к долоту присоединяют ударную штангу. С помощью канатного замк§ ударный инструмент после каждого Удара поворачивается на определенный угол. Это позволяет наносить удары по новому участку забоя. Поэтому этот вид бурения называют ударно-поворотным, а в зависимости от того, на чем опускается в скважину ударный инструмент,— ударно-канатным или ударно-штанговым.

В отличие от ударно-штангового бурения ударно-канатное осуществляется без промывки, и разрушенную в забое породу приходится извлекать после каждой серии ударов специальным инструментом — желонкой. Желонка опускается на желоночном канате после подъема ударного инструмента. При ударах по забою клапан желонки пропускает внутрь разрушенную породу (шлам), а при подъеме опускается в гнездо и герметизирует корпус желонки.

Вращательное бурение бывает без промывки и с промывкой или продувкой скважины. Без промывки производится вращательное шнековое бурение. Вынос на поверхность разрушенной породы осуществляется шнековой колонной, являющейся транспортером. Шнековая колонна состоит из отдельных между собой звеньев — шнеков, представляющих собой трубу с приваренной к ней ребром по спирали стальной лентой. Шнековое быстровращательное бурение применяют в мягких горных породах (сухих — нелипких).

Медленновращательное бурение применяется также при бурении мягких пород — ложками, змеевиками, обуривающими грунтоносами на небольшую глубину.

Вращательное бурение глубоких скважин осуществляется, как правило, с промывкой забоя скважины или с продувкой сжатым воздухом. Промывочная жидкость не только охлаждает буровой инструмент и очищает забой от шлама, но и закрепляет стенки скважины от обвалов и водопоглощений.

Бурение с промывкой или продувкой разделяется по характеру привода на бурение с двигателями на поверхности, когда вращение породоразрушающему инструменту передается через колонну бурильных труб, и забойными двигателями. Забойный двигатель находится непосредственно над породоразрушающим инструментом, а бурильные трубы в процессе бурения, как правило, не вращаются.

Забойные двигатели могут быть гидравлическими и электрическими. Гидравлические забойные двигатели называются турбобурами, а электрические — электробурами. Схемы бурения — роторного, турбинного и электробуром приведены на рис. 3. Преимущество забойных двигателей в том, что вся мощность двигателя передается породоразрушающему инструменту, на вращение бурильной колонны энергия не расходуется.

Риc. 1. Скважина и ее элементы:
1 — устье; 2 — стенки; 3— забой; 4 — участки стенок, закрепленные обсадными трубами; Д1; Д2; Д3 — диаметры ствола и обсадных труб; I — глубина

Рис. 2. Классификация способов бурения

Рис. 3. Схемы бурения:
а — роторного; б — турбинного; в — электробуром; 1 — кронблок; 2 —вышка; 3 — талевый блок; 4 — крюк; 5 — лестница; 5 — вертлюг; 7 — шланг; 8 — ведущая труба; 9 — лебедка; 10 — стояк; И — шламоотделитель; 12 — насос; 13— редуктор; 14 — ротор; 15 — бурильные трубы; 16 — долото; 17 — турбобур; 18 — токоприемники; 19 — электрический кабель; 20 — электробур

Рис. 4. Турбобур Т12МЗ:
а — турбобур; 1 — переходник; 2 — роторная гайка; 3 — кольца подпятников (Т-образной формы); 4 — стальные диски; 5 — разделяющие кольца; 6 — статор; 7 — ротор; 8 — корпус турбобура;9 — средняя опора; 10 — ниппель; 11 — нижняя опора; 12 — вал; б — схема турбины турбобура; 1 — статор; 2 — ротор

Турбобур состоит из вращающейся и неподвижной систем. Вращающаяся система связана с долотом и состоит из вала (на трех опорах), рабочих колес турбины (дисков ротора). Неподвижная система состоит из корпуса, направляющих колес (дисков статора) и трех опор. Корпус турбобура с помощью переходника присоединяется к низу колонны бурильных труб.

В турбобуре энергия потока жидкости преобразуется в механическую энергию вращения вала. Промывочная жидкость (глинистый раствор или вода) с помощью насосов через бурильные трубы подается к турбобуру. Пройдя по трубам и переходнику, жидкость попадает в направляющие каналы диска статора и под определенным углом попадает на лопатки диска ротора, приводя его во вращение. Поток жидкости проходит все ступени турбины, затем через отверстия вала направляется в долото. Число ступеней турбобура 100—200. Частота вращения 500—800 об/мин.

В многосекционном турбобуре соединяются 2—3 турбобура, при этом число ступеней увеличивается до 300—450, а частота вращения снижается до 400—300 об/мин, что увеличивает ресурс долот. При помощи турбобуров в СССР проходится около 75% нефтяных и газовых скважин.

Электробур представляет собой погружной электродвигатель, установленный в верхней части длинного герметичного цилиндра, наполненного маслом. Питание электроэнергией производится с поверхности через кабель, проложенный внутри бурильных труб. Концы кабеля, заделанные в бурильные замки, автоматически соединяются при свинчивании бурильных труб в колонну. Испытания электробура на нефтяных месторождениях Башкирии показали, что при работе с электробуром по сравнению с турбобуром значительно уменьшается расход промывочной жидкости, в 2—3 раза сокращается расход бурильных труб и появляется возможность эффективного бурения скважин с продувкой.

При вращательном бурении разрушение породы осуществляется с помощью режущих и истирающих инструментов (долота режущего типа; пикобуры; алмазные и дробовые долота; кольцевые коронки — алмазные, твердосплавные и дробовые) или дробящих инструментов (шарошечные долота).

Вращательное бурение разделяют на бескерновое, при котором порода забоя разрушается полностью, и колонковое, при котором порода забоя разрушается по кольцу, в результате чего центральная часть забоя остается неразрушенной в виде колонки породы (керна), откуда и происходит название — колонковое бурение.

В зависимости от применяемого породоразрушающего инструмента получаются различной конфигурации забои — сплошной, кольцевой, ступенчатый и др.