Все о бурении скважин

В 1871 и 1872 около Бахмута и Славянска  пробурены первые разведочные скважины в России на каменную соль глубиной 90 и 120 м. Совершенствование разведочного бурения в России в конце 19 в. связано с именем Войслава, который в 1885 изобрёл, а в 1897 получил патент на бур для ручного бурения скважин большого диаметра. Бур Войслава имел расширитель, позволяющий увеличивать диаметр скважин, глубина которых достигла 22 м. В 1898 Войслав совместно с Л. Кулешом получил патент на оригинальный станок для алмазного бурения и в том же году разработал новый способ вставки алмазов в коронку, позволивший применять мелкие алмазы. В 1899 в Америке инженером Дейвисом предложено дробовое бурение. В период 1-й мировой войны для бурения начинают применять по предложению немецкого инженера Ломана твёрдые сплавы (так называемый воломит). Позднее эти сплавы применялись при бурении разведочных скважин в районе Курской магнитной аномалии (1923).

Коренные  изменения в технике бурения  произошли в России после Великой  Октябрьской революции. С 1923 в СССР внедряется бурение с применением  твёрдых сплавов, а также дробовое бурение (1924—25); изготовление отечественных  твёрдых сплавов началось в 1929. В 1927 В. М. Крейтером и Б. И. Воздвиженским при колонковом бурении была успешно применена дробь. В 1925—26 на Сормовском заводе налажено производство ударно-канатных станков типа «Кийстон» для разведки на золото (позднее типа «Эмпайр»). Несколько лет спустя Н. И. Куличихиным разработаны первые отечественные станки (УА-75-150) ударно-канатного Б. В 1928—1929 развернулось производство буровых станков колонкового вращательного бурения на Ижорском заводе (Ленинград), им. Воровского (Свердловск) и др. В то время для колонкового бурения на глубине до 500 м в основном применялись станки КА-300 и КА-500. В послевоенные годы (начиная с 1947) было проведено коренное переоборудование технических средств геологоразведочной службы: усовершенствованы бурильные, обсадные и колонковые трубы; созданы новые станки с рычажно-дифференциальной подачей (ЗИВ-75, ЗИВ-150); разработаны новые конструкции многоскоростных станков с гидравлической подачей (ЗИФ-300, ЗИФ-650, ЗИФ-1200, ВИТР-2000 и др.), обеспечивающие Б. скважин на глубине 300—2000 м; создан ряд самоходных буровых установок; разработаны средства автоматизации и механизации трудоёмких процессов и новые конструкции породо-разрушающего инструмента.

В 1935 советский  инженер В. Н. Комаров предложил  машину ударно-вращательного бурения, теоретические основы которого были разработаны впоследствии Е. Ф. Эпштейном. В 1939 разрабатывается бурение погружными пневмоударниками, а с 1940 внедряется вращательное бурение с транспортировкой породы из скважины шнеками, которое получило распространение в породах невысокой крепости при геофизических работах, инженерно-геологических изысканиях, при бурении на воду и др. В СССР разработана технология безнасосного бурения, обеспечивающего полный выход керна в неустойчивых породах, и коренным образом усовершенствована технология дробового бурения (С. А. Волков). После открытия месторождений алмазов в Якутии шире применяют алмазный породоразрушающий инструмент, а с 1962 в Б. получили распространение синтетические алмазы. В совершенствовании технологии алмазного бурения сыграли большую роль советские учёные Ф. А. Шамшев, И. А. Уткин, Б. И. Воздвиженский, С. А. Волков и др.

Средняя месячная скорость бурения разведочных  скважин в Донбассе составила 265 м (1956), в Криворожском бассейне360 м (1956), а на Курской магнитной аномалии 600 м (1965). При разведке крутопадающих рудоносных тел, когда для пересечения их на разных горизонтах приходится проходить несколько скважин, в целях сокращения их длины применяют направленное многозабойное бурение, которое осуществляется с помощью отклоняющих устройств, устанавливаемых в скважине на разных глубинах.

Разведочное бурение осуществляется в основном за счёт вращательного способа, на который  приходится (1970) около 80% метража пробуренных  скважин (50% бурение твердосплавным инструментом, 20% — алмазным инструментом, 10% — дробью); в ограниченных объёмах применяются ударно-вращательное, шнековое, вибрационное бурение и др.

Работы  в области разведочного бурения  направлены на: обеспечение сохранности  керна, извлекаемого с большой глубины; разработку аппаратуры и надёжных методов опробования горных пород. Совершенствование техники и технологии разведочного бурения на твёрдые полезные ископаемые направлено на: замену дробового бурения алмазным; внедрение гидроударного бурения, бескернового бурения с использованием боковых сверлящих грунтоносов; дальнейшее улучшение технических средств и технологии бурения, разработку новых способов разрушения горных пород при бурении; автоматизацию всех производственных процессов.

Бурение взрывных шпуров и скважин. Машинное бурения шпуров и скважин взамен ручного, которое применялось до начала 19 в. для отбойки крепких  пород взрывом, начало внедряться в  конце 17 в., когда были изобретены первые буровые машины для сверления  горизонтальных шпуров. В 1683 механик Г. Гутман предложил машинное Б. В 1803 австрийский инженер Гайншинг, а в 1813 английский механик Травич усовершенствовали выпускаемые буровые машины. В 1849 Кауч (США) получил один из первых патентов на паровую буровую машину. В 1852 Колладон (Швейцария) предложил буровую машину, работающую на сжатом воздухе. При проходке Монт-Санисского тоннеля в 1861 Соммейе впервые применил поршневые перфораторы для бурения шпуров, что позволило резко сократить сроки строительства тоннеля. В конце 19 в. появляются молотковые перфораторы, быстро вытеснившие менее производительные поршневые. В дальнейшем были созданы высокочастотные и вращательно-ударные (50-е гг. 20 в.) бурильные машины, установочные (пневмоподдержки, манипуляторы) и подающие (автоподатчики) приспособления, буровые каретки, максимально механизировавшие труд бурильщика. Бурение ведётся с удалением продуктов разрушения промывкой. Создаются лёгкие и мощные электро-, пневмогидросвёрла и высококачественный буровой инструмент, обеспечивающие вращательное бурения шпуров в средней крепости породах. В 1965 в Кузбассе и в 1968 в Киргизии применены бурильные агрегаты с электрогидроприводом для вращательного и вращательно-ударного бурения шпуров.

С конца 19 — начала 20 вв. специалисты пытались создать электроперфоратор, В 1879 немецкий изобретатель В. Сименс сделал неудачную попытку применить электрический ток для приведения в действие бурильной машины, предназначенный для бурения шпуров при взрывных работах. В 1885 американский изобретатель Дж. Вестингауз повторил эту попытку.

Впервые скважины, пробурённые тяжёлыми бурильными молотками, были применены взамен шпуров для отбойки руды в начале 30-х  гг. на подземных рудниках комбината  Апатит и в Кривом Роге. С этого  периода начинается создание машин для подземного бурения скважин. В середине 30-х гг. внедряется метод штангового Б. взрывных скважин, применение которого способствовало технической революции в разработке рудных месторождений большой мощности. В 1935 А. А. Миняйло сконструировал станок для вращательного бурения резцами диаметром до 150 мм в мягких породах. В конце 30-х гг. на шахтах Кривого Рога внедрено многоперфораторное бурение глубоких скважин. В 1938 А. К. Сидоренко предложено бурение погружными перфораторами, входящими в скважину. В 1949—50 на подземных рудниках в СССР испытаны буровые станки с погружными пневмоударниками (вращение пневмоударника осуществлялось с поверхности через став буровых штанг). В 1954 Новосибирским институтом горного дела и Кузнецким металлургическим комбинатом создан промышленный образец бурового станка БА-100 — первой машины, в которой рабочим телом (энергоносителем) служит воздушно-водяная смесь. После отработки эта смесь обеспечивает простое и надёжное пылеподавление при бурении. Повсеместное внедрение высокопроизводительных станков БА-100 на рудниках позволило широко распространить прогрессивную систему разработки месторождений с отбойкой руды глубокими взрывными скважинами. Эта машина явилась основой для создания в СССР серии буровых машин (в том числе бурового полуавтомата НКР-100 в 1959) для пневмоударного бурения скважин диаметром 85—100 мм и глубиной до 50 м, которыми в 50—60-х гг. выполнено свыше 50% объёмов бурения при отбойке руд. С 60-х гг. этот способ внедряется в практику бурения разведочных и эксплуатационных глубоких скважин. С 1950 в СССР на подземных рудниках Алтая разрабатываются и внедряются станки для бурения скважин шарошечными долотами, один из которых (БШ-145) выпускается серийно. В 60-е гг. 20 в. для подземного бурения скважин диаметром 60—70 мм разрабатываются вращательно-ударные буровые машины, устанавливаемые на буровых каретках, а также буровые станки с мощными бурильными молотками и независимым вращением инструмента.

Бурение скважин для взрывных работ на карьерах начало применяться в России на железорудных предприятиях Урала в 1908. В США в начале 20 в. для бурения взрывных скважин на карьерах впервые применены ударно-канатные станки. В СССР этот способ начинает применяться с 30-х гг. и до 60-х гг. является основным в породах выше средней крепости для скважин диаметром 150—300 мм. В 1932 Свердловским заводом «Металлист» выпущены станки ударно-канатного бурения для карьеров. С 1939 в СССР осваивается вращательное бурение скважин резцами с удалением буровой мелочи шнеками. В 1943 выпущен на Урале (Богословский карьер) первый станок вращательного бурения (со шнеком, на гусеничном ходу). С 1956—57 начинаются работы по шарошечному бурению взрывных скважин на карьерах. В 1958 предложен комбинированный ударно-шарошечный буровой инструмент, использование которого возможно на станках вращательного бурения с пневматической продувкой скважин. В 1959 начат выпуск станков (СБО-1, СБО-2) огневого (термического) бурения для крепких кварцсодержащих пород. Разрушение породы при этом происходит за счёт быстрого разогрева поверхности забоя газовыми струями, вылетающими из горелки с температурой 2000 °С и скоростью около 2000 м/сек. В 60-е гг. разработан типовой ряд шарошечных станков (2СБШ-200, СБШ-250, СБШ-320) для Б. взрывных скважин диаметром 200—300 мм и глубиной до 30 м. Производительность станков 20—70 м в смену. Перспективны работы по созданию комбинированных термомеханических способов разрушения.

Бурение взрывных скважин на карьерах в СССР осуществляется в основном (1970) шарошечным способом (около 70% метража скважин), распространено шнековое бурение (около 20%), 10% метража скважин приходится на остальные способы бурения (пневмоударное, термическое, ударно-канатное и др.). Значительно возросли скорости бурения: сменная производительность шарошечного станка при проходке скважины диаметром 250 мм в крепких породах (известняк, доломит и т.п.) составляет 40—60 м. При подземной разработке угольных месторождений наибольшее распространение имеет бурение бурильными молотками и электросвёрлами, рудных месторождений — бурильными молотками, погружными пневмоударниками, шарошечными станками.

Развитие  горной промышленности требует увеличения производительности бурения в 2—4 раза. Для этого необходимо совершенствование  механических способов бурения и  изыскание новых. Совершенствование бурильных машин осуществляется за счёт увеличения параметров нагрузки на инструмент, механизации и автоматизации вспомогательных операций. Перспективно создание вибробуров. Разработано взрывное бурение, которое заключается в непрерывной обработке забоя скважины небольшими зарядами взрывчатого вещества, вводимыми в поток промывочного агента (воздуха или жидкости) в виде ампул (ампульное, или патронное взрывобурение) или непрерывной струи (струйное взрывное бурение). Заряды-ампулы имеют обтекаемую форму и безопасны в обращении, так как смешение невзрывчатых жидких компонентов смеси и образование взрывчатых веществ (ВВ) происходит непосредственно у забоя. Заряды твёрдых ВВ требуют для взрыва больших скоростей удара (не менее 80 м/сек). При струйном взрывобурении взрывчатая смесь из горючего и окислителя в виде плоского жидкого заряда образуется непосредственно на забое и инициируется эвтектической смесью калия и натрия, впрыскиваемой с определенной частотой. Взрывобурение скважин позволяет в 2—5 раз увеличить производительность бурения, особенно в крепких породах.

Проводятся  работы по конструированию аппаратов  для создания импульсной струи, периодически выстреливаемой из сопла по забою  скважины для так называемого  гидроимпульсного бурения, а также электроимпульсных станков, в которых разрушение породы производится мощным электрическим разрядом.

Большой интерес представляет механизированное бурение вертикальных горных выработок  больших поперечных сечений (диаметром  свыше 3,5 м) — шахтных стволов.

Успехи  в создании эффективных средств  и способов бурения базируются на изучении физико-механических свойств  разрушаемых пород, механизма разрушения породы при различных способах и  режимах бурения В СССР проводятся фундаментальные работы в области изучения и определения базовых физических свойств горных пород для оценки эффективности основных процессов разрушения породы при бурении.   

Литература: 1. Иоаннесян Р.А., Основы теории и  техники турбинного бурения, М-Л., 1953; 2. Лисичкин С.М., Очерки по истории развития отечественной нефтяной промышленности, М.-Л., 1954; Разведочное колонковое бурение, М., 1957; 3. Федюкин В.А., Проходка шахтных стволов и скважин бурением, М., 1959; Огневое бурение взрывных скважин, М., 1962; 4. Волков С.А., Сулакшин С.С., Андреев М.М., Буровое дело, М., 1965; 5. Куличихин Н.И., Воздвиженский Б.И., Разведочное бурение, М., 1966;Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых, М., 1966; 6. Вадецкий Ю.В., Бурение нефтяных и газовых скважин, М., 1967; 7. Ханмурзин И.И., Бурение на верхнюю мантию, М., 1967; Техника горного дела и металлургии, М., 1968; 8. Скрыпник С.Г., Данелянц С.М., Механизация в автоматизация трудоёмких процессов в бурении, М., 1968; 9. Арш Э.И., Виторт Г.К., Черкасский Ф.Б., Новые методы дробления крепких горных пород. К., 1966.