В процессе механического бурения разрушается порода на забое и углубляется ствол скважины.

После углубки ствола скважины на длину рабочей части ведущей трубы (на длину бурильной трубы) наращивают буровой снаряд. Для этого выключают буровой насос, останавливают вращение ротора и с помощью лебедки установки поднимают буровой снаряд до выхода соединения бурильной колонны с ведущей трубой из ротора. Затем под замок бурильной трубы ставят элеватор, опускают колонну бурильных труб на ротор и отвинчивают ведущую трубу. Потом отводят ее в сторону, а на колонну бурильных труб навинчивают еще одну заранее подготовленную бурильную трубу. После этого колонну опускают в скважину, навинчивают ведущую трубу, включают буровой насос и ротор, спускают буровой снаряд на забой и продолжают бурение. Бурение ведут до тех пор, пока механическая скорость углубки бурового снаряда не начнет резко уменьшаться вследствие износа долота.

Перед подъемом бурового снаряда скважину промывают без углубки для очистки забоя и ствола скважины от разбуренной породы (шлама). Поднимают его в последовательности, обратной спуску, то есть сначала отвинчивают и отводят в сторону ведущую трубу, а затем поднимают из скважины бурильную колонну, развинчивая трубы и извлекая утяжеленные бурильные трубы с долотом. Долото заменяют новым, вновь опускают буровой снаряд и продолжают бурение.

Под технологическим режимом бурения понимают совокупность параметров, характеризующих работу поро-доразрушающего инструмента, то есть скоростные и качественные показатели бурения, связанные с разрушением горных пород на забое скважины.

Режим бурения выбирают в зависимости от геологических условий и физико-механических свойств буримых пород, от типа и диаметра породоразрушающего инструмента, от качества и состояния оборудования и инструмента, а также от глубины скважины и целей бурения.

Оптимальный режим бурения — это технологический режим бурения, обеспечивающий получение наилучших технико-экономических показателей бурения.

Рациональный режим бурения устанавливают с учетом технических возможностей бурового оборудования и инструмента.

Специальный режим бурения применяют для получения заданных качественных показателей бурения или для решения специальных задач (бурение в зонах геологических осложнений, на контактах твердых и мягких пород в водоносных горизонтах, намеченных для дальнейшей эксплуатации). При специальном режиме бурения, как правило, скорость бурения снижают, но скважина сооружается высокого качества. Для этого буровой мастер должен поддерживать режим бурения, установленный на основании проектного геологического разреза данной скважины, который обеспечит не только наилучшие технико-экономические показатели бурения, но и высокое качество.

При вращательном бурении основными параметрами являются осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент, частота вращения бурового снаряда и расход очистного агента.

Осевая нагрузка определяет силу, приложенную по оси бурового снаряда к породоразрушающему инструменту.

При бурении роторным способом она создается или от суммарной массы бурового снаряда, или от части его массы (при бурении с разгрузкой).

Разгрузка веса от бурового снаряда происходит в результате натяжения рабочего каната буровой лебедки, при котором бурильные трубы испытывают растяжение, а нагрузку на долото создает лишь масса утяжеленных бурильных труб.

Осевую нагрузку, приходящуюся на 1 см диаметра породоразрушающего инструмента, называют удельной нагрузкой.

Повышение осевой нагрузки на долото, как правило, способствует увеличению механической скорости бурения. Однако при возрастании нагрузки на долото необходимо учитывать прочность бурильных труб, соотношение между диаметрами долота и бурильных труб, возможность искривления скважины, а также расход промывочной жидкости, подаваемой на забой. Промывка с малой подачей воды насосом снижает эффект увеличения нагрузки, так как раздробленная порода не полностью выносится с забоя и долото перемалывает шлам, мешающий зубьям долота внедряться в забой скважины. Поэтому при бурении скважины буровой мастер особое внимание должен обращать на поддержание заданной осевой нагрузки.

Рис. 1. Схема гидравлического индикатора веса:
1 — трансформатор давления; 2 — медные трубки; 3 — манометр показывающий; 4 — дроссель; 5 — насос; 6 — резервуар для жидкости; 7 — манометр регистрирующий; 8 — картограмма; 9 — шкаф; 10 — канат.

Осевую нагрузку в процессе бурения скважины измеряют гидравлическими индикаторами веса. При бурении передвижными и самоходными установками применяют индикаторы веса ГИВД-1 при глубине скважин до 4U0 м и ГИВ-2 при большей глубине.

Шкаф с регистрирующим манометром и насосом подвешивают на двух стойках, врытых в землю и не связанных с рамой установки (в противоположной стороне от поста бурильщика).

Показывающий манометр укрепляют на врытом в землю столбе с правой стороны лебедки на высоте 2.5…3 м, в поле зрения бурильщика. Трансформатор давления крепят на неподвижном конце талевого каната, на 0,5 м выше показывающегося манометра.

Неподвижный конец каната на всем протяжении от кронблока до места крепления должен проходить свободно, не задевая за мачту или раму станка.

Для проверки герметичности системы заполняют жидкостью бачок индикатора веса на 3Д его высоты пресной (желательно кипяченой) отфильтрованной водой, содержащей 1% хромпика для защиты от коррозии. В зимнее время используют водный раствор денатурированного этилового спирта. Перед началом работы заводят часы, устанавливают диаграмму и заполняют перо чернилами. По картограмме самопищущего манометра индикатора веса можно установить баланс рабочего времени, то есть продолжительность бурения и других работ.

Осевую нагрузку на долото регулируют в зависимости от буримых пород, типа долота и степени его износа. В начале бурения, когда долото не сработано, удельная осевая нагрузка должна быть для шарошечных долот меньше 2 … 2,5 кН, а для лопастных — меньше 0,5… 1 кН. Чтобы обеспечить постоянную удельную нагрузку на долото, по мере его износа осевую нагрузку увеличивают: для шарошечных 2,5…4 кН, для лопастных 1 …2 кН на 1 см диаметра долота. При бурении твердых пород осевую нагрузку увеличивают до максимальной, а при переходе с твердых пород к мягким уменьшают на 50%.

До приработки опор новых шарошечных долот первые 5… 10 мин бурить нужно при уменьшенной осевой нагрузке.

Частота вращения бурового снаряда определяется частотой вращения ротора буровой установки в единицу времени (обычно в минуту).

Современные буровые установки, применяемые для бурения скважин на воду, УРБ-ЗАМ, УРБ-2А и буровой агрегат 1БА15В имеют три прямые частоты вращения ротора и одну обратную. При оптимальной частоте вращения бурового снаряда (3,3 …5,0 с-1) получают наилучшие результаты бурения. Поэтому буровой мастер должен полностью использовать максимальные частоты вращения ротора при бурении скважин на воду.

Частоту вращения ротора снижают при увеличении диаметра долота, уменьшении диаметра бурильных труб, повышении абразивности пород, переходе из пласта меньшей твердости в пласт большей твердости и при бурении чередующихся пластов небольшой мощности.

Расход очистного агента — объем промывочной жидкости (глинистого раствора, воды), подаваемой на забой скважины в единицу времени (в минуту, секунду), которая предназначена для выноса частиц разбуриваемой породы и очистки забоя скважин во время бурения, а также охлаждения породоразрушающего инструмента и поддержания устойчивости ствола скважины при бурении в рыхлых породах. Чем больше промывочной жидкости подается на забой, тем выше скорость восходящего потока в затрубном пространстве, тем интенсивнее очищается забой скважины от выбуренной породы (шлама) и эффективнее работа долота па забое.

При низкой скорости восходящего потока жидкости, вследствие недостаточной подачи насоса, крупные частицы породы не выносятся на поверхность, а оседают на забой. При этом зубья долота слабо внедряются в породу забоя и в основном размалывают крупные частицы шлама до мелких фракций, в результате чего резко снижается механическая скорость бурения. При бурении скважин на воду скорость восходящего потока жидкости (глинистого раствора) в затрубном пространстве скважины должна быть не менее 0,25 …0,5 м/с.

При недостаточной подаче бурового насоса, чтобы получить необходимую скорость восходящего потока промывочной жидкости, бурят с уменьшенной осевой нагрузкой, периодически промывая забой в течение нескольких минут без углубления скважины (при холостом вращении бурового снаряда).

При бурении мягких пород расход промывочной жидкости должен быть больше, чем при бурении твердых.

Породоразрушающий инструмент. В практике бурения скважин на воду вращательным способом применяют различный породоразрушающий инструмент: пикобу-ры, лопастные, ступенчатые и шарошечные долота. Тип породоразрушающего инструмента (долота) влияет на качественные и количественные показатели бурения.

Наибольшую скорость бурения в рыхлых и неплотных песчано-глинистых породах при условии подачи необходимого расхода промывочной жидкости на забой обеспечивают пикобуры. При ограниченной подаче промывочной жидкости на забой рационально применять лопастные долота. Наиболее распространены трехшаро-шечные долота.

Режим бурения в различных геологических условиях. Скважины бурят в различных геологических и гидрогеологических условиях, поэтому выбор режима бурения зависит от физико-механических свойств пород и условий их залегания.

Ниже рассмотрены режимы бурения для наиболее характерных условий:

1. В рыхлых породах (песок, гравий, галечник) бурение следует вести лопастными или трехшарошечными долотами М и МС с самоочищающимися шарошками, которые имеют высокий зуб и крупный шаг, при удельной нагрузке на лопастное долото 0,5… 1 кН, а на трех-шарошечное 1…1.5 кН при частоте вращения бурового снаряда 2,5…3,3 с-1, расходе промывочной жидкости 5 л/с и более.

При наличии плывунов в разрезе скважины ствол ее во избежание обвалов и прихвата бурового снаряда проходят как можно быстрее без перерывов.

2. В глинистых и полускальных породах (глины, суглинки, мергели, мел и т. п.), обладающих вязкостью и пластичностью, бурят в основном трехшарошечными долотами МС и С при удельной нагрузке на долото 1,5… 2 кН, частоте вращения снаряда 2,5 …4,0 с-1, расходе промывочной жидкости 5… 8 л/с.

При бурений в мощных пластах вязкой глины для промывки следует применять воду. Циркулируя в скважине и смешиваясь с частицами глины, она образует естественный глинистый раствор.

3. В скальных породах (песчаники, известняки, доломиты, сланцы и т. п.) бурят трехшарошечными долотами СТ и Т при удельной нагрузке на долото 2,5 …3 кН, частоте вращения снаряда 2,5 … 3,3 с-1, расходе промывочной жидкости 5… 6 л/с.

При бурении в твердых и абразивных породах осевую нагрузку на долото увеличивают до 5 кН.