§ 1. Общие сведения

К специальным способам или средствам колонкового бурения прибегают в случаях сооружения геологоразведочных скважин в осложненных условиях для повышения качества работ (представительности керна), а также производительности труда. К специальным способам колонкового бурения относятся:

бурение с местной (призабойной) циркуляцией жидкости: с расхаживанием бурового снаряда («безнасосный способ»); с погружным насосом, приводимым в действие с поверхности посредством расхаживания колонны бурильных труб или погружным пневмодвигателем; с погружным эрлифтным устройством;

бурение с комбинированной циркуляцией гкидкости: с погружным насосом и приводом от гидродвигателя или с водоструйным (эжекторным ) насосом;

бурение с обратной циркуляцией жидкости и гидротранспортом керна;

бурение снарядами со съемным керноприемником.

§' 2. Бурение скважин с местной циркуляцией жидкости

В практике бурения скважин в мягких и рыхлых породах прибегают к так называемому безнасосному способу, при котором циркуляция жидкости происходит только в призабойной части скважины за счет расхаживания снаряда (рис. 13.1,а). При таком способе бурения применяют одинарные или двойные колонковые снаряды разных конструкций с встроенными шаровыми клапанами или поршнем, обеспечивающими циркуляцию жидкости при расхаживании снаряда или поршня, который размещен в снаряде. Па рис. 13.1,б приведена конструкция одинарного колонкового снаряда для бурения с местной циркуляцией жидкости с шаровым клапаном (ОКС-МЦ). Призабойная циркуляция жидкости в случае бурения таким снарядом возникает при расхаживании его в определенном режиме. Шлам при этом собирается в шламоулавливающей трубе снаряда.

Принцип работы снаряда сводится к следующему. При подъеме снаряда вверх в нижней части колонковой трубы 3, освобождающейся от керна, который остается на забое, образуется пространство, куда устремляется жидкость из полости скважины. Поток подхватывает продукты разрушения с забоя и охлаждает ПРИ (см. рис. 13.1,а). При опускании снаряда на забой керн, попадая в колонковую трубу, вытесняет некоторый объем жидкости, которая устремляется вверх по снаряду и, минуя шаровые клапаны 4 и 6, изливается в полость скважины через отверстие 9. В связи с резким уменьшением скорости движения жидкость в шламоулавливающей трубе 5 и при изливе в полость скважины частично освобождается от шлама. При последующих подъемах и опусканиях снаряда циклы движения жидкости повторяются.

Режим бурения снарядом с местной циркуляцией жидкости определяется теми же параметрами, что и при вращательном бурении с промывкой, осуществляемой с помощью насоса, но к ним добавляются еще два: частота и высота расхаживания или подъема снаряда над забоем. Увеличение частоты вращения ведет к возрастанию механической скорости бурения. Осевая нагрузка практически создается весом бурового снаряда и ударами в моменты падения снаряда на забой.

Рис. 13,2. Схема бурения с местной циркуляцией жидкости и конструкция снаряда:

/ — керн; 2 — коронка; J — колонковая труба; 4,6 — шаровые клапаны; 5 —закрытая шламоулавливающая труба* 7 — открытая шламовая труба; 3 — бурильная труба; 0—циркуляционное окно; 10 — ниппель; 11 — переходник; 12 — ограничитель

От режима расхаживания снаряда в процессе бурения — частоты и высоты подъема зависит интенсивность удаления продуктов разрушения и время полезной работы коронки на забое. Чем мягче порода, тем больше образуется шлама в единицу времени и тем самым интенсивнее должна быть циркуляция жидкости. Последнее же зависит от частоты расхаживания (качаний) и высоты подъема снаряда, выполняющего роль насоса.

Так как скорость бурения зависит, прежде всего, от твердости пород, то выявляется общая закономерность: чем мягче породы, тем интенсивнее должно быть расхаживание снаряда. Кроме того, скорость бурения и интенсивность шламообразования растут с увеличением частоты вращения бурового снаряда. Следовательно, в этом случае необходимо увеличивать интенсивность промывки также за счет частоты качаний снаряда. Наконец, скорость выноса частиц разрушенной породы зависит от ее плотности. Поэтому для повышения эффективности удаления шлама с забоя, состоящего

из частиц породы с большой плотностью, необходимо увеличивать частоту качаний и высоту подъема снаряда.

В табл. 13.1 приведены некоторые данные, показывающие зависимость скорости бурения от частоты качаний снаряда при бурении в породах с плотностью 2,7 г/см³. В случае бурения рудных полезных ископаемых с большой плотностью рекомендуется 30—40 качаний в минуту при высоте подъема снаряда до 10 см.

Таблица 13.1 Зависимость углубки от режима расхаживания снаряда

Порода	. Частота качаний снаряда в 1 мин	Высота подъема снаряда, см	Углубка эа 5 мин чистого бурения, м
Песок	60	2-4	1,12
П есчано-алевролитовая	26-30	1-8	0,65
Алевролит	14-19	1-10	0,52
Аргиллит	18-32	1-8	0,15
Пссчапнк	14-18	3-5	0,29

Бурение вязких глин требует интенсивного расхаживания и обязательного применения коронок с увеличенным выходом резцов за боковую поверхность в связи со способностью глин разбухать, образовывать сальники и густой глинистый раствор, что затрудняет циркуляцию жидкости и сокращает углубку за рейс, которая обычно не превышает 0,5—0,6 м. В таких условиях полезно добавлять в скважину воду или периодически чистить ее от чрезмерно загустевшей жидкости.

Подъем снаряда над забоем следует осуществлять достаточно плавно во избежание преждевременного отрыва керна, а опускание возможно быстрее. Обычно снаряд свободно сбрасывают, что обеспечивает достаточную интенсивность движения жидкости вверх и подъем частиц шлама с забоя.

Заклинивание керна по окончании рейса осуществляют затиркой (в достаточно мягких породах) или частицами шлама, находящимися внутри колонкового снаряда. Для этого снаряд оставляют в покое на забое в течение времени, которое зависит от диаметра скважины, плотности зашламованной жидкости, размера частиц шлама и плотности породы. Шлам, оседая с той или иной скоростью, заполняет зазор между керном колонковым снарядом, вследствие чего происходит заклинивание керна, который вращением снаряда отрывается от массива. Этот процесс может длиться от 1—2 до 10 мин. При этом следует опасаться прихвата бурового снаряда шламом в скважине, в особенности при наличии крупных частиц в большом количестве, или частиц большой плотности. Затирка керна производится с вращением и подачей снаряда, но без расхаживания, в интервале углубки 5—10 см. В этом случае следует опасаться прижога коронки в плотных породах.

Область применения способа бурения с местной циркуляцией жидкости ограничивается твердостью пород и глубиной скважины. Практически этот способ является достаточно эффективным при бдении в породах до IV—V категории по буримости и глубине скважин до 300 м.