Колонковое бурение: получение керна для геологоразведки

Основным способом бурения скважин при геологическом картировании, поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, инженерно-геологических и гидрогеологических исследованиях является колонковое бурение. Широкое применение этого способа обусловлено в первую очередь тем, что он предназначен для получения керна — цилиндрических столбиков ненарушенных пород практически непрерывно по всему разрезу, пересекаемому скважиной.

Керн представляет собой незаменимый материал для составления геологических разрезов, изучения пород, залегающих на различных глубинах, опробования тел полезных ископаемых. Колонковые скважины можно бурить в различных направлениях, можно менять направление скважин в процессе бурения. Скважины проходят в породах любой крепости на большую глубину с использованием относительно легкого оборудования.

Общая схема колонкового бурения выглядит следующим образом (рис. 8).

Рис. 8. Установка для колонкового бурения. I — копер; II — откос; III — буровой станок; IV — насос; V — электродвигатели; VI — направляющая труба; 1 — коронка, 2 — колонковая труба, 3 — переходник с колонковой трубы на колонну штанг» 4 — колонна штанг, 5 — вертлюг-сальник, 6 — крюк подъемный, 7 — талевой блок, 8 — шпиндель станка, 9 — патроны, зажимающие верх колонны штанг; 10 — подъемная лебедка, 11 — регулятор подачи станка, 12 — шланг нагнетательный, 13 — керн, 14 — отстойные желоба, 15 — отстойный бак, 16 — приемный бак, 17 — всасывающий рукав с храпком, 18 — канат талевой

На месте бурения скважины, на специально оборудованной площадке устанавливаются: буровой станок, буровой насос, электродвигатели или двигатель внутреннего сгорания для привода станка и насоса, вышка или мачта. Выкапывается зумпф, оборудуется система желобов и отстойников для очистки бурового раствора от разбуренной породы (шлама).

При помощи лебедки в скважину опускается колонковый буровой снаряд, состоящий из коронки, колонковой трубы и переходника, позволяющего соединять колонковый снаряд с колонной бурильных труб, имеющих обычно несколько меньший диаметр. Между колонковой трубой и коронкой нередко помещается кернорвательное устройство или кернорватель, предназначенный для отрыва керна от забоя и удержания его в колонковой трубе при подъеме бурового снаряда на поверхность. Все детали бурового снаряда и звенья бурильных труб, соединяются друг с другом при помощи герметичных резьбовых узлов. Колонна бурильных труб (или штанг) завершается верхней ведущей трубой, пропущенной сквозь шпиндель и закрепленной в нем при помощи зажимных патронов. Сверху на ведущей штанге закрепляется сальник-вертлюг, посредством которого вращающаяся при бурении колонна бурильных труб соединяется с нагнетательным шлангом бурового насоса.

Буровой станок приводит во вращение колонну бурильных труб и закрепленный на ней буровой снаряд и обеспечивает подачу инструмента на забой по мере углубления скважины, создавая определенное давление. Скорость вращения инструмента и давление регулируются в зависимости от физико-механических свойств пород, диаметра и типа буровой коронки, глубины скважины и других обстоятельств. Благодаря вращению коронки буровой снаряд внедряется в породу, выбуривая кольцевой забой. По мере углубления скважины ненарушенный столбик породы, остающийся в центре забоя, постепенно входит в колонковую трубу.

Для того чтобы обеспечить непрерывный процесс бурения, образующийся при разрушении пород шлам (мелкие частицы породы) выносится промывочной жидкостью на поверхность. С этой целью производится промывка скважины путем закачивания в нее буровым насосом промывочной жидкости, которая, поднимаясь от забоя вместе со шламом, изливается на поверхность и по системе желобов и отстойников, очищенная от шлама, попадает в зумпф, откуда вновь всасывается насосом. Промывку скважины начинают обычно уже при спуске снаряда и ведут непрерывно в течение всего времени бурения. После того как колонковая труба заполнится керном, бурение прекращается, керн заклинивается в колонковой трубе, прекращается работа насоса, и буровой снаряд при помощи лебедки поднимается на поверхность.

Подъем осуществляется с использованием талевого каната, кронблока с крюком и Элеватора, при этом колонна бурильных труб по мере ее подъема развинчивается на отдельные звенья — свечи, длина которых определяется высотой буровой вышки (мачты). После подъема бурового снаряда отвинчивается коронка, керн извлекается из колонковой трубы, очищается, омывается и укладывается в специальные керновые ящики. При этом тщательно следят, чтобы отдельные куски керна были уложены в том порядке, в каком они находились в колонковой трубе; очень важно также не перепутать “верх” и “низ” каждого куска керна. Уложенный в ящик керн измеряют и снабжают специальной биркой, на которой указывают глубину интервала, длину керна, дату извлечения и некоторые другие сведения.

После этого вновь собирают колонковый снаряд и опускают, его в скважину постепенно наращивая свечу за свечой бурильные трубы, чтобы продолжить бурение следующего рейса.

При забуривании каждой новой скважины, после отбурки первых 5-10 м в скважину опускают обсадную трубу - кондуктор, которая закрепляет устье, фиксирует выбранное направление ствола и обеспечивает возможность проведения многочисленных спуско-подъемных операций. Разумеется, что после установки кондуктора скважину продолжают бурить инструментом меньшего диаметра.

После того как скважина выполнит геологическое задание — достигнет проектной глубины, пересечет тело полезного ископаемого, вскроет необходимый пласт, контакт, и в ней будут произведены все предусмотренные измерения и наблюдения (замеры кривизны, температуры, уровня подземных вод и др.), — она подлежит ликвидации или консервации. Из скважины извлекают обсадные трубы и производят ликвидационное тампонирование.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.