Геологорозвідувальні роботи, як правило, виконуються у зазначеній в таблиці послідовності, забезпечуючи вивчення продуктивності та будови надр від загального до конкретного, що дозволяє постійно орієнтувати їх на найбільш перспективні напрямки та об'єкти.
Застосовувані на кожній стадії методи досліджень і види робіт складають підтверджений практикою раціональний комплекс, що дозволяє забезпечити високу ефективність і необхідну якість підготовки запасів. Одночасно з геологорозвідувальних здійснюються науково-дослідні роботи теоретичного (фундаментального) і прикладного характеру з метою розвитку теоретичної бази і вдосконалення геологорозвідувального процесу.
Залежно від особливостей геологічної будови окремих регіонів і їх частин, перспективності щодо корисних копалин і ступеня вивченості деякі стадії, подстадии можуть бути об'єднані або виключені з загального циклу регіонального геологічного вивчення.
Гірські породи і їх руйнування при бурінні
Способи руйнування гірських порід
В даний час відомі механічні, фізико-хімічні, термічні, термомеханічні та ін. Способи руйнування гірських порід (способи буріння) - всього кілька десятків. При механічних способах в породах створюються напруги, що перевищують межу їх міцності. При термічних способи руйнування порід відбувається за рахунок виникнення в них термічних напруг і різного роду ефектів (дегідратація, дисоціація, плавлення, випаровування і т. Д.). При термомеханических способах тепловий вплив здійснюється цілеспрямовано для попереднього зниження опірності породи подальшого механічного руйнування. Хімічні (фізико-хімічні) способи руйнування порід передбачають використання високоактивного хімічної речовини.
При механічному способі руйнування в породі створюються дуже значні місцеві напруги, що призводять до її руйнування. При бурінні породи руйнуються в основному за рахунок стиснення і сколювання.
Механічний спосіб буріння представлений двома найголовнішими видами: ударним і обертальним бурінням. При ударному бурінні порода руйнується під дією ударів буровими клиновими наконечниками, званими долотами; при обертальному бурінні порода зрізається або раздавливается і стирається в забої спеціальними ріжучими та дроблять долотами або різцями коронок.
Ударне буріння, в свою чергу, поділяється на штанговое і канатне. У першому випадку бурові наконечники опускаються в свердловину і приводяться в дію металевими стрижнями - штангами, у другому випадку - канатом.
Ударне буріння на штангах може проводитися з промиванням вибою свердловини або без промивання. Руйнування породи при ударному бурінні здійснюється по всій площі поперечного перерізу свердловини; такий спосіб буріння називається бурінням суцільним забоєм.
При механічному обертальному бурінні різанням до породоруйнуючих інструменту (алмазні, твердосплавні коронки, долота) прикладають крутний момент і зусилля подачі. Потужність, що передається породоруйнуючих інструменту, зростає зі збільшенням частоти обертання бурового снаряда, осьового навантаження і опору породи руйнуванню. Граничними умовами є: міцність коронок, колонкових і бурильних труб, з одного боку, і фізико-механічні властивості порід - з іншого.
При бурінні різанням з накладенням ударів (ударно-обертальне буріння) до породоруйнуючих інструменту докладені зусилля подачі, крутний момент і ударні імпульси певної частоти і сили. При створенні коливань породоразрушающего інструменту породі передається додаткова питома енергія, а процес руйнування породи супроводжується утворенням більш великих часток, що призводить до зменшення енергоємності процесу. Змінюючи частоту і силу ударів, статичне зусилля подачі і окружну швидкість, можна в широкому діапазоні змінювати характер впливу різців на породу. Для створення ударних імпульсів можуть бути використані пристрої, що працюють в инфразвуковом (<20 Гц), звуковом (20–20 000 Гц) и ультразвуковом (>20 000 Гц) діапазонах частот.
Ударні навантаження виникають при бурінні шарошечні долотами (буріння дробленням і сколюванням). Генераторами інфразвукових коливань в даний час є гідроударні і гідропневматичне устаткування. Звукові і ультразвукові коливання інструменту створюються магнітострікторамі і орбітальними осцилляторами, а також високочастотними гідроударними машинами.
Бездолотние способи руйнування гірських порід пов'язані з використанням енергії вибуху (вибухове буріння), кавитационной ерозії (імплозіонное буріння), енергії удару сталевих кульок про породу (шароструйное буріння), енергії струменя рідини (гідромоніторного і гідроерозіонное буріння).
При вибуховому бурінні компоненти, що утворюють вибухову суміш, в капсулах доставляються на забій, де при ударі відбувається їх змішання. Вони можуть подаватися на забій і окремо по трубопроводах; там вони змішуються і вибухають.
При Електрогідравлічне бурінні електричний розряд в рідині утворює кавитационні порожнини, при заповненні яких відбувається гідравлічний удар, або проходить безпосередньо через породу завдяки заповненню свердловини діелектричної рідиною.
При імплозіонном бурінні в свердловину подають герметично закриті капсули, з яких попередньо вилучений повітря. У момент розбивання капсул про забій відбувається інтенсивне змикання вакуумної порожнини. Рідина, що оточує вакуумну порожнину, під впливом гідростатичного тиску набуває велику швидкість, і порода руйнується під дією імпульсів високого тиску.
Гідромоніторного і гідроерозіонное буріння. Енергія високонапірних струменів рідини може використовуватися для руйнування породи в комбінації з різцьовим або шарошечні долотами або самостійно. Додавання в робочу рідину абразивних частинок підвищує ефективність руйнування породи при тих же тисках. При відповідній конструкції гідромоніторних насадок можна отримати ефект кавітації струменя промивної рідини безпосередньо на забої свердловини.
Створено інструмент для гідравлічного буріння гідрогеологічних свердловин в м'яких породах. При діаметрі труб 250-300 мм подається 58-80 м 3 / ч рідини під тиском 1-3 МПа. Рідина з великою швидкістю витікає зі сопел конусної головки і розмиває грунт. Лабораторні досліди, що проводилися із струменями при тиску 70-100 МПа, показали здатність води руйнувати і тверді гірські породи. Ефективно також руйнування порід переривчастою імпульсною струменем, що викидається з сопла окремими порціями при тисках 300-500 МПа.
При ерозійному гідромоніторному бурінні порода руйнується струменем рідини, яка витікає з гідромоніторних насадок при перепаді тиску близько 35 МПа зі швидкістю не менше 200 м / с і містить абразивний матеріал (кварцовий пісок, сталеву дріб) в концентрації 5-15% за об'ємом.
При термічному руйнуванні порід їх нагрівання здійснюється шляхом передачі їм безпосередньо теплової енергії (прямий нагрів) або електромагнітної і променевої енергії (непрямий нагрів).
Методи з прямим нагрівом породи: огнеструйний (вплив на породу тепла згорає палива і зусилля газового потоку); плазмовий (передача впливу тепла від плазми, що виникає при проходженні електричного струму через гази); плазменно-огнеструйний (передача тепла від плазми, що виникає при проходженні електричного струму через пари палива); електродугової (передача тепла від електричної дуги); електронагрівальний (нагрів за рахунок тепла, що утворюється при перетворенні в снаряді електричної енергії в теплову); атомний (використання тепла, що виділяється в атомних реакторах); циклічний (вплив тепла і холоду).
Методи з непрямим нагріванням породи: електротермічний (руйнування породи в результаті діелектричного нагрівання з використанням струмів низької, високої і надвисокої частоти); електроіндукціонний (нагрів за допомогою високочастотних магнітних полів); лазерний (нагрів і руйнування породи за рахунок передачі їй променевої енергії); електронно-променевої (шляхом впливу на породу потоків електронів).
Огнеструйное буріння - спосіб руйнування порід шляхом їх нагрівання за допомогою спалювання хімічного палива (гас, спирт, бензин, мазут, соляровое масло, природний газ) в середовищі окислювача (кисень, повітря, азотна кислота) у реактивної пальнику. При цьому на породу діє газовий струмінь, що виходить з сопла пальника з надзвуковою швидкістю.
Термічне буріння застосовується в промислових масштабах при відкритих роботах. Як пальне використовують гас або соляровое масло, окислювачем служить кисень. Пальник охолоджується водою. Ручні термобури дозволяють бурити шпури глибиною до 1,5-2 м, а за допомогою верстатів для термічного буріння можна бурити свердловини глибиною 8-50 м і діаметром 160-250 мм.
При термодинамічній бурінні в газовий потік додається тверда фаза (наприклад кварцовий пісок) через спеціальну насадку на зрізі сопла Лаваля, що призводить до інтенсифікації теплообміну газового потоку і породи.
Електродугове буріння засноване на локальному нагріванні породи електричною дугою постійного і змінного струму промислової частоти за рахунок виділення тепла дуги і передачі його породі, а також за рахунок тепла, що виділяється при проходженні струму через локальні ділянки породи. Електрична дуга створює температуру від 5500 до 16 700 ° С і при достатній енергонапряженності здатна розплавити будь-яку породу.
При термодетонаціонном бурінні горіння палива відбувається з великими швидкостями і супроводжується утворенням детонаційних хвиль. При цьому тиск фронту хвилі досягає дуже високих значень. Регулюючи частоту імпульсів, можна змінювати співвідношення між механічною і тепловою енергією, що витрачається на руйнування порід. Імпульсний вплив факела на породу призводить до виникнення в ній знакозмінних навантажень і до збільшення тепловіддачі від факела до забою.
При електронагрівальних бурінні теплова енергія перетворюється з електричної в буровому снаряді або в теплоносії, яким може бути як тверде (наприклад буровий інструмент), так і рідке тіло (наприклад, розплавлені породи і мінерали). Руйнування породи в основному відбувається за рахунок її плавлення.
Атомне буріння є різновидом нагрівального способу буріння. Використовується тепло, що виділяється атомним реактором.
Циклічне буріння передбачає періодичність впливу на забій гарячих і холодних агентів.
Буріння за допомогою променевої енергії - спосіб руйнування породи за допомогою оптичних квантових генераторів (лазерів), які випромінюють електромагнітні хвилі певної довжини з дуже слабо розходяться пучком, що дає можливість не тільки термічно руйнувати породи, але навіть розплавляти або випаровувати їх. Електронно-променевої спосіб руйнування порід заснований на прискоренні руху електронів між катодом і анодом при напружених від 5 до 150 кВ. Електрони, еміссірованние з катода, фокусуються на забої за допомогою смещающего напруги, а також електростатичних і електромагнітних лінз.
При термомеханічному способі буріння теплова енергія використовується для зниження опірності порід подальшого механічного руйнування. Це якісно новий процес, який характеризується більшою ефективністю показників термічного і механічного способів руйнування породи окремо. Введена в породу теплова енергія поширюється в дуже тонкому шарі, що обумовлює малі значення енергоємності процесу руйнування, який носить об'ємний характер. Руйнування порід при термомеханічному бурінні полегшується за рахунок різних величин коефіцієнта теплового розширення складових частин мінералів, нерівномірного їх нагрівання, тиску пара в водомістких породах, різниці температур на забої і в масиві. Релаксація термічних напружень, навіть протягом невеликого часу (з моменту закінчення термічного впливу до додатка механічного навантаження - понад 1-2 с), призводить до істотного зниження або припинення ефекту.
Найбільш часто в практиці ГРР застосовується механічне обертальне буріння.
Механічне обертальний буріння поділяється на власне обертальний (роторне, верстати з рухомим обертача) буріння, при якому буріння ведеться головним чином суцільним забоєм, і обертальний колонкове, при якому порода забою руйнується по кільцю порожнистим циліндром - коронкою, всередині якої залишається незруйнованим стовпчик або колонка породи (керн); ось чому цей вид буріння називається колонковим.
Обертальний буріння ділиться на буріння з двигуном на поверхні, від якого обертання буровому інструменту (наконечнику) передається штангами - бурильними трубами, і на буріння з забійними двигунами, коли останні опускаються на трубах, безпосередньо за породоразрушающим інструментом. Забійними двигунами можуть бути: турбобур, електробур, гідровібратор тощо.
При колонкового буріння для руйнування породи застосовуються алмази і тверді сплави, що закріплюються в коронки, і дріб, засипати на забій під коронку. Розрізняють буріння алмазне, твердими сплавами і дробовое.
У колонкового буріння можливо також застосування гідроперфоратора, за допомогою якого руйнування породи проводиться частими ударами по коронці, збройної різцями з твердих сплавів, з одночасним обертанням коронки. Це - комбінований спосіб руйнування породи на вибої.
Обертальний, в тому числі і колонкові буріння зазвичай ведеться з промиванням вибою. При цьому продукти руйнування породи (шлам) виносяться на поверхню висхідним потоком рідини. При ударному канатному бурінні очищення забою проводиться спеціальним інструментом - желонкою - вже після того, як порода зруйнована долотом.
Для проходки неглибоких свердловин застосовується вібробуреніе - поглиблення свердловини шляхом ущільнення породи під дією осьових і вібраційних навантажень.
Нарешті, по виду застосовуваної енергії розрізняють буріння ручне і буріння механічне.