Бурение скважин

Бурение скважинБУРЕНИЕ скважин, способ получения в земной коре глубокой выработки круглого сечения, называемой буровой скважиной. Буровые скважины проводятся с целью разведки горных пород, при строительных работах, при разведках месторождений полезных ископаемых, а также при добыче жидких и газообразных ископаемых, например воды, рассолов, нефти и горючих газов.

Буровая скважина состоит из: начала скважины у поверхности земли - устья, дна скважины - забоя и боковых поверхностей - стенок. Глубина и диаметр буровых скважин в зависимости от их назначения значительно колеблются: разведочные буровые скважины бывают диаметром от 25 мм, начальные диаметры эксплуатационных буровых скважин на нефть достигают 1320 мм, а при бурении шахт эти диаметры достигают нескольких м; глубина буровых скважин доходит в настоящее время до 2,5 км. Виды бурений и способ работ. Для проведения буровых скважин применяются различные способы бурения; выбор этих способов зависит от свойств проходимых скважиной пород, от назначения скважины, ее диаметра, а также и глубины. По своему назначению бурение подразделяется на разведочное и эксплуатационное. В зависимости от того, действует ли буровой инструмент на проходимые породы сверлением или ударами долота, различают вращательное и ударное бурение, причем то и другое может производиться ручным или механическим способом.

Бурение скважинПроцесс ударного бурения заключается в том, что буровое долото, имеющее обычно форму лопатки с заостренной нижней гранью и нагруженное для увеличения эффекта удара значительным весом, поднимают над забоем скважины на некоторую высоту и затем его быстро опускают. При этом ударе лезвие долота откалывает от забоя куски породы, которые при последующих ударах долота измельчаются и, смешиваясь с имеющейся в скважине водой, образуют буровую грязь. Для придания скважине правильной цилиндрической формы долото после каждого удара поворачивают вокруг вертикальной оси на некоторый угол. Долото спускается в скважину на канате или на длинных (до 6 м) стержнях (буровых штангах), которые по мере углубления забоя наращиваются новыми, так что верхний конец последней буровой штанги всегда выступает из устья скважины. Между долотом и буровыми штангами для увеличения веса падающей части инструмента устанавливают тяжелую железную штангу (сечением до 150 мм в квадрате, длиною до 6 м и весом до 1,6 т). При ручном бурении неглубоких скважин малого диаметра рабочие приподымают долото руками при помощи рукоятки ключа, надеваемого на выступающий конец буровой штанги, или же веревкой, прикрепляемой к концу штанги и перекинутой через находящийся на некоторой высоте над землею ролик. При бурении более глубоких скважин выступающий над устьем конец штанги присоединяют к одному концу балансира, укрепленного на стойке у скважины, а другой конец приводят в движение вручную или двигателем (фиг. 1). По мере накопления буровой грязи на забое эффект удара долота ослабевает; поэтому необходимо время от времени удалять грязь с забоя. Для этого останавливают долбление, вынимают долото и спускают в скважину на буровых штангах или канате особый цилиндрический сосуд - желонку, которая и вычерпывает грязь. Этот способ ведения работ называется сухим бурением. Иногда размельченную породу очищают с забоя непрерывно во время самого процесса долбления. Для этого долото спускают в скважину на полых буровых штангах, через которые во время долбления накачивают на забой воду или жидкий раствор глины; жидкость, выходя у забоя, смешивается с размельченной породой, поднимается по скважине вверх и таким образом выносит размельченную породу на поверхность. Такой способ носит название бурение с промывкой забоя.

Если при ударном бурении на буровых штангах все штанги, на которых спущено в скважину долото, падают при каждом ударе вместе с долотом, то такой способ называется бурение на непрерывной штанге. В этом случае при ударе долота о забой все штанги испытывают сотрясение, подвергаются продольному изгибу, быстро приходят в негодность, ломаются и требуют ловильных работ по извлечению инструмента из скважины. Для предупреждения этого между инструментом и штангами вводят особую подвижную часть, называемую раздвижной штангою, ножницами или ясом; она устраняет передачу сотрясений штангам и позволяет держать колонну буровых штанг все время в подвешенном состоянии (канадский способ бурения). Во всех вышеуказанных случаях долото, подвешенное на буровых штангах к балансиру, связано с ним штангами, и потому скорость его при движении вниз для удара о забой зависит всецело от скорости движения балансира. Чтобы увеличить скорость падения долота на забой и тем усилить эффект удара, долото (с ударной штангой) освобождают в высшей точке его подъема от буровых штанг и тем дают ему возможность свободно падать на забой равномерно-ускоренным движением, причем колонна буровых штанг опускается вниз со скоростью качания балансира, подхватывает инструмент с забоя и опять поднимает его в наивысшее положение над забоем. Приспособление, позволяющее проделывать все эти операции, называется фрейфалом, самопадом, свободно падающим инструментом. Бурение на буровых штангах называется штанговым бурением, при чем при всех вышеуказанных способах бурения штанги м. б. сделаны из железа или дерева. Иногда буровые штанги заменяют пеньковым или стальным канатом круглого или плоского сечения; такой способ называется канатным бурением (пенсильванский способ).

При всех способах ударного бурения механизм, поднимающий долото над забоем, помещается на поверхности земли, и потому для приведения долота в движение необходимо привести в движение всю колонну буровых штанг, на которых оно подвешено. Это вызывает излишнюю затрату энергии, вызывает поломки буровых штанг и ловильные работы. Чтобы избежать этого, инженер Вольский предложил гидравлический таран, действующий ударом воды (гидравлический удар), подаваемой по полым штангам к забою; А. М. Бенкендорф предложил электрический таран, в котором использован соленоид.

Обычно лебедка для подъема и спуска инструментов и балансир конструируются в одну общую установку, приводимую в действие одним двигателем; такой механизм называется буровым станком.

Ручное вращательное бурение производится особыми инструментами - бурами, имеющими форму пустотелого цилиндра с отогнутыми внутрь острыми режущими лопастями, или форму зубчатой коронки, или, наконец, форму улитки или штопора. Такой бур спускают в скважину и вращают на штангах вокруг вертикальной оси, отчего он под тяжестью собственного веса врезается в породу. При подъеме бур выносит размельченную породу. Скважины большого диаметра и глубины бурят механическим двигателем и вместо бура спускают на трубчатых штангах или обсадных трубах зубчатую коронку; последняя при вращении высверливает в породе колонки, которые по достижении известной высоты извлекаются на поверхность. Для очень твердых пород вместо стальной закаленной коронки применяют коронку со вставленными в нее алмазами. Размельченная такой коронкой порода выносится водой, накачиваемой через полые штанги. Этот способ называется алмазным бурением. Иногда алмазную коронку заменяют гладкой коронкой без зубьев, но на забой насыпают стальную дробь, которая при вращении коронки раздробляет породу. В последние 15—20 лет в Америке и в СССР на нефтяных промыслах получил особенное развитие вращательный способ бурения с промывкой забоя жидким раствором глины. При этом способе бурения для мягких и средней твердости пород применяют плоские долота, а для твердых - долота с дисками или шарошками. При вращательном бурении трубчатые буровые штанги, кроме продольного изгиба, сопротивляются еще и значительному скручивающему моменту, что крайне неблагоприятно отзывается на службе штанг и ведет к частым их поломкам. Для устранения этого недостатка вращательного бурения с промывкой забоя произведены попытки опускать в скважину неподвижные трубчатые штанги, снабженные в нижней части турбиной. Последняя приводится в движение жидкостью, накачиваемой в скважину. Эта турбина передает движение долоту. Примером такой установки может служить применяемый в последнее время на нефтяных промыслах СССР турбобур М. А. Капелюшникова. Рабочей жидкостью в этом приборе служит глинистый раствор, накачиваемый в трубчатые штанги. Раствор после работы в турбине смешивается с породой, размельченной долотом, и выносит ее на поверхность земли.

При обычном вращательном бурении с промывкой забоя скважин больших диаметров и глубины вращение долота производится располагаемым над устьем скважины специальным вращательным столом, или вращателем. Последний входит в состав бурового станка, так же как и передаточные механизмы для спуска и подъема инструментов. Насосы для подачи в скважину промывочной жидкости обслуживаются или тем же двигателем или – чаще - особым, специально для них установленным.

При бурении скважин в малоустойчивых породах, в целях предохранения стенок от обвалов, что мешало бы дальнейшему углублению, а по окончании бурения эксплуатации скважин, стенки последней закрепляются обсадными трубами несколько меньшего диаметра, нежели сама скважина. При добыче рассолов применяют деревянные трубы, для артезианских вод - железные, иногда оцинкованные, в нефтяном деле - исключительно железные. Для неглубоких скважин малого диаметра применяют обыкновенные газовые трубы с муфтовым соединением на резьбе. Для более глубоких и большего диаметра скважин изготовляют специальные клепаные обсадные трубы с муфтовыми соединениями на заклепках или герметичные (американские), сварные или цельнотянутые, соединенные муфтами на резьбе. Клепаные обсадные трубы для нефтяных скважин изготовляются из листов котельного железа, толщиною 5, 6 и 8 мм (3/16, 1/4 и 5/16 дюймов), причем швы склепываются (вхолодную) в один или два ряда заклепками. Длина клепаных труб, применяемых в СССР, обычно равна 142 см (2 ар.), внутренний диаметр - 200—1300 мм (8—52 дюймов). Трубы соединяются между собой  - наружными муфтами, шириной 300 мм, из такого же железа, с заклепками впотай. Для ускорения спуска труб в скважину их заранее соединяют в колена из 2 или 3 труб. На нижний конец первой трубы в каждой колонне приклепывается стальное кольцо с острой режущей кромкой, называемое башмаком. Отдельные колена труб при бурении склепываются между собой над устьем скважины. Главный недостаток клепаных труб - их негерметичность. Обсадные водонепроницаемые трубы, соединяемые между собой на резьбе, которые применяются в Союзе ССР, имеют диаметр от 100 до 600 мм (4—24 дюймов), а длину от 2 до 6 м.

Большую часть этих труб изготовляет Никополь-Мариупольский завод. Толщина стенки винтовых труб, в зависимости от испытываемого ими в скважине наружного давления, от 6,5 до 15 мм. Нижний конец обсадных винтовых труб снабжается вместо башмака специальной башмачной трубой длиною от 400 мм до 2 м, а толщиною около 19 мм. Обсадные трубы при постепенном наращивании и опускании вниз в процессе бурения в конце концов или останавливаются сами от трения о пройденные породы или их приходится останавливать по техническим соображениям. В этом случае в колонну обсадных труб в скважине спускается новая колонна меньшего диаметра. После остановки второй колонны спускается третья, и т. д. Таким образом, крепление скважины получает телескопическую конструкцию.

Для спуска и подъема бурового инструмента, обсадных труб и желонки устраивают над устьем скважины, в случае бурения скважины небольшого диаметра и глубины, достаточно высокую треногу, у вершины которой укрепляют ролик для каната и блок для талей. Для более глубоких скважин, при бурении которых приходится поднимать тяжелые грузы, устанавливают более прочное подъемное сооружение, носящее название копра, или буровой вышки, высотой от 40 до 20 м и меньше. Высота вышки подбирается так, чтобы между подвешенным к вершине (головке) вышки блоком и устьем скважины могли уместиться подвесной блок, подъемный крюк, рабочее звено буровых штанг, и еще должно оставаться небольшое свободное пространство для производства всех операций по свинчиванию и развинчиванию буровых штанг. При бурении на нефть в СССР и за границей применяют деревянные и железные буровые вышки, имеющие форму усеченной четырехгранной пирамиды.

Угловые стойки у деревянных вышек делаются или из целых бревен (бакинская вышка), или сколачиваются из отдельных досок (американская вышка). Нижние концы угловых стоек упираются в углы основной рамы, имеющей форму квадрата; верхние концы их связаны рамой меньшего размера, которая служит основанием для установки на ней брусьев с подшипниками для роликов различного назначения. Над верхней рамой надстраивается небольшая будка для прикрытия роликов. Верхняя часть вышки, т. е. верхняя рама, с подшкивными брусьями и будкой, носит название головки вышки. С одной стороны вышки пристраивается сарай, одинаковой ширины с вышкой, т. н. откос, в котором помещаются буровой станок, подъемная лебедка, паровая машина, насосы и прочее оборудование. Двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели помещаются обычно в отдельной будке из несгораемого материала, устанавливаемой непосредственно за откосом вышки. Башня вышки, будка головки и откос обшиваются частью или полностью тесом, железом или огнестойкими материалами - этернитом, гипсолитом и др.

Бурение скважинБурение скважинПостройка вышки для глубокого бурения на нефть ведется следующим образом. Прежде всего на месте будущей скважины роется шурф или, как его называют в Баку, шахта, круглого сечения, диаметром около 3-3,5 м и глубиной 6-6,5 м. Для предупреждения обвалов стенок шахта обшивается досками, которые поддерживаются железными или сколоченными из досок кольцами. Вокруг шахты делается невысокая (1—1,5 м) насыпь под башню и откос вышки; назначение этой насыпи - поднять пол буровой вышки для стока воды, грязи и нефти. На насыпи вокруг шахты укладывается основная рама из брусьев сечением около 500 мм в квадрате и длиной до 7,5 м. Под раму в углах забивают предварительно по четыре сваи, соединенные насадками, или сооружают каменные столбы (фундаменты). Если строится бревенчатая вышка (бакинского типа), то угловыми стойками служат 4 круглых бревна, диаметром около 400 мм в верхнем комле. Эти стойки скрепляются 5 или 6 горизонтальными поясами из бревен диаметром 200—250 мм. Между поясами устанавливаются кресты (раскосы) из таких же бревен. Верхние концы стоек скрепляются квадратными венцами из брусьев толщиной 450x550 мм и длиною 2 м. На верхний венец укладывают подшкивные брусья 450x550 мм, на которых устанавливаются подшипники тартального шкива, подъемного и талевых роликов. Высота бревенчатой вышки обычно колеблется от 16 до 18 м. Такие вышки применялись для штангового бурения на бакинских промыслах и выдерживали нагрузку на головку вышки до 60 т. В настоящее время их заменили вышки американского типа, выдерживающие нагрузку до 100 т (фиг. 2). Эти вышки строятся двух типов: для канатного и штангового ударного бурения - высотою 20—24 м и для вращательного бурения с промывкой забоя глинистым раствором - высотой 32—40 м.

Угловые стойки американских вышек сколачиваются в виде желобов из двух досок, под прямым углом друг к другу. Постройка этих вышек начинается также укладкой основной рамы на угловых фундаментах; к последней прибиваются в углах с соответствующим уклоном первые доски, толщиною не меньше 70 мм, составляющие угловую стойку-желоб. Первые доски для желоба каждой стойки берут неодинаковой длины, для того чтобы стыки досок не приходились в одном месте. На уровне каждого стыка прибивают горизонтальные пояса, а последние скрепляются крестами; те и другие из досок толщиною 70 мм. Бурение скважинЧисло поясов и крестов зависит от высоты вышки; для 25 м - 7 поясов, для 40 м - 17, включая верхний пояс. Для усиления вышки обыкновенно на первый желоб угловых стоек нашивают снаружи второй, а иногда и третий ряд досок. На верхних концах стоек снаружи и изнутри нашивают двойной пояс, на который укладывают верхний венец, а на него подшкивные брусья. Общее расположение подшкивных брусьев и всех роликов для вышки ударного бурения указано на фиг. 3. Снаружи вышки устраивают лестницу до самого верха в виде обыкновенной стремянки или зигзагообразных маршей с площадками. Буровые вышки американского типа для вращательного бурения имеют в Америке стандартную высоту 25, 29, 32, 37 и 40 м (84, 96, 106, 120 и 132 футов). У нас обычно строится вышка высотой в 32 м. Такая вышка имеет шахту, подобную шахте для ударного бурения, но только ее пол закладывается бутом на цементе или бетонируется, т. к. он служит фундаментом, на котором во время бурения висят на хомутах колонны обсадных труб. Обычно на пол шахты укладывают два солидных деревянных бруса и на хомуты обсадных труб. В верхней части шахты, на уровне пола вышки, укладываются параллельно друг другу и перпендикулярно к оси бурового станка 2 бруса 0,5х 0,5 м одинаковой длины с брусьями рамы, т. н. шахтовые брусья, на которых укрепляется станина вращательного стола бурового станка. Основание вышки имеет размеры от 6x6 до 7,9х7,9 м. Размеры головки вышки 1,8x1,8 или 2,1 х2,1 м. Башня может выдержать нагрузку на головку до 120 т. В американских вышках вместо деревянных подшкивных брусьев иногда устанавливают на головке раму из двутавровых балок. Такая рама вместе с роликами называется кронблоком (фиг. 4). К кронблоку подвешивается талевой блок. Для рабочего, обслуживающего вертлюг и тали при подъеме и спуске инструмента в скважину, устанавливается помост с перилами (полати) на высоте 11, 13, 18, 24 или 30 м от уровня пола, в зависимости от высоты башни и длины применяемых буровых штанг. На брусья нижней рамы укладываются продольные балки и на них настилается пол из толстых досок с наклоном для стока грязи, воды и нефти. В том месте, где устанавливаются вынутые из скважин буровые штанги, пол д. б. укреплен от прогиба, для чего на него нашивают второй ряд досок; к полу прикрепляют железное корыто с нефтью, в которое и ставят концы штанг, чтобы предохранить их от загрязнения. Верхний конец штанг заводится за скобу, прикрепленную к одним из полатей. Иногда вышку снабжают вторым, «малым» откосом для установки в нем двух насосов, подающих в скважину глинистый раствор для промывки забоя.

Бурение скважинВ Америке, а в последнее время и в нефтепромышленных районах Союза вместо деревянных вышек иногда устанавливаются железные вышки, которые по окончании буровых работ разбираются и переносятся в другое место (фиг. 5). В Америке получили распространение две системы железных буровых вышек: система Вудворта, из углового железа, и система Нейля, из стальных труб.

В вышках системы Вудворта ноги, пояса и раскосы изготовляются из углового железа, размером от 90x90x6 мм до 150 х 150 х 13 мм, в зависимости от высоты вышки и рабочей нагрузки . Нижнее основание (рама) и головка вышки изготовляются из двутавровых балок и швеллеров. Размеры основания вышек от 6x6 до 8x8 м. Отдельные звенья ног вышки соединяются накладками из углового железа (для вышек легкого типа) или из котельного железа (для вышек тяжелого типа) на болтах, причем эти же накладки служат для присоединения к ним поясов и раскосов. Число болтов в каждом узле д. б. возможно меньше для ускорения сборки и разборки вышки. В последних конструкциях вышек число болтов в узле доведено до 6, так что на весь пояс требуется 24 болта. Высота башен из углового железа, принятых в Америке для вращательного бурения, колеблется от 18 до 37 м; рабочая нагрузка на них - от 27 до 135 т при коэффициенте безопасности 4. Общий вес всей железной конструкции вышки вместе с основанием колеблется от 4,2 до 16,2 т.

Буровые вышки из стальных труб делаются ординарные, двойные или тройные, в зависимости от нагрузки вышки. Ноги ординарной вышки состоят из одного ряда труб, соединенных в стык; ноги двойной - из двух, а тройной - из трех колонн труб, вставленных одна в другую, при чем стыки колонн располагаются в различных плоскостях. Звенья ног, поясов и раскосов соединяются при помощи зажимных муфт на болтах. Основание башни вьшки, размером от 6x6 до 8x8 м, и головку делают из двутавровых балок и швеллеров, соединенных болтами. Ноги вышек собираются из стальных труб диаметром от 50 до 125 мм; высота вышек колеблется от 25 до 36 м; максимальная нагрузка при 4-кратном запасе прочности колеблется от 12 до 85 т, при общем весе железа в вышке от 8 до 16,5 т. Откосы железных вышек также делаются из углового железа или труб и собираются на болтах. Нижняя часть башни, стены и крыши откосов обшиваются обычно волнистым железом.Бурение скважин

I.    Сухое бурение.

К группе сухого бурения относятся следующие системы: 1) зондирование, 2) ручное вращательное на сплошных штангах, 3) ударное на сплошных штангах, 4) ударное на канатах (пенсильванский способ).

1.   Зондирование. Наиболее простым способом проведения неглубоких скважин малого диаметра является зондирование щупом. Щуп представляет собой круглый стержень диаметром от 10 до 16 мм и имеет на одном конце ушко для продевания рукоятки, а на другом - разведочную головку, снабженную продольными бороздами, карманами, ямками и т. п. для захватывания образцов породы. Щупом можно работать только в мягких породах. Он загоняется в породу до необходимой глубины надавливанием на стержень или ударами деревянным молотком, а затем повертывается вокруг оси; при этом карманы или борозды головки захватывают породу и выносят ее при подъеме щупа на поверхность. Комплект щупов состоит из 8 номеров, длиной от 1,5 до 11 м, при диаметре головок от 32 до 16 мм и высоте от 50 до 90 мм, с 4 бороздами на каждой. Щупы загоняются последовательно, по порядку номеров, начиная с короткого и более толстого, при чем борозды разведочной головки должны быть перед загонкой тщательно прочищены.

Бурение скважин2. Ручное вращательное бурение на сплошных штангах применяется в мягких и средней твердости породах; твердые пропластки проходят ударным способом. Вращательное бурение на сплошных штангах - наиболее простой и дешевый способ. Инструментами, непосредственно действующими на породу, при этой системе служат буры различных конструкций, спускаемые в скважину на штангах. Штанги вращают за рукоятку, продетую в ухо верхней штанги, или посредством ключей, надетых на верхнюю квадратную штангу. При вращении бур внедряется в породу, забирает в себя разрыхленные части ее и при подъеме выносит их на поверхность. В настоящее время наиболее часто применяются следующие буры: а) Американский тарелчатый бур (фиг. 6) - состоит из тарелки, трех режущих, слегка наклонных к горизонту перьев и трех вертикальных перьев. При вращении бура разрыхленная порода собирается на тарелку и при поднятии его выносится на поверхность, б) Бур Болькена (фиг. 7), иначе земляной бур, - изготовляется диаметром до 0,6 м и служит для бурения неглубоких скважин. Для бурения в песках приделывают поверх тарелки невысокий цилиндр, куда песок и собирается. в) Ложка (фиг. 10), или резак, - представляет собой полузакрытый цилиндр, снабженный в нижней части режущим пером. г) Спиральный бур, или шпион (фиг. 9), - представляет собой полосу железа, закрученную в виде штопора, режущие нижние концы которого насталены. Этот бур пригоден для работы в различных глинах. д) Открытый бур (фиг. 8) - служит для бурения более глубоких скважин и представляет собой цилиндр из котельного железа с продольным вырезом d. Бурение скважинВнизу цилиндр оканчивается одним или двумя режущими перьями с. Цилиндр прикреплен к вилке А, на головку которой навинчиваются штанги, е) Закрытый бур (фиг. 11) для работы в плывунах и сыпучих песках, - представляет собой цилиндр (из котельного железа), к нижней части которого приклепаны две режущие лопасти С и клапан b, посаженный на шарнире. При вращении бура порода разрыхляется перьями, поднимает клапан и входит в цилиндр бура. При подъеме бура клапан под тяжестью находящейся в буре породы закрывается, и порода выносится на поверхность. Этот способ применяется для бурения неглубоких разведочных скважин. Он применялся до середины прошлого столетия на Пермских соляных промыслах для бурения рассоло-подъемных скважин, глубиною до 250 м. Бурение велось на деревянных штангах особой коронкой, которая называлась желонкой и представляла собой цилиндр с зубчатым башмаком.

3. Ударное бурение на сплошных штангах подразделяется на три вида: а) бурение на непрерывных штангах, б) канадский способ (с ясом) и в) бакинский способ (со свободно падающим инструментом).

а) Бурение на непрерывных сплошных штангах может быть применяемо в скважинах малого диаметра и небольшой глубины, так как при ударе долота о забой часть живой силы, развиваемой в колонне штанг, вызывает в нижних штангах продольный изгиб, а вследствие этого и частые их поломки. Поэтому такой способ бурения применяется редко, чаще - как вспомогательное бурение при вращательном способе, когда встречаются твердые породы. Инструментом, размельчающим породу, служит в этом случае обыкновенное долото, имеющее вид лопаты с острым нижним режущим лезвием. Буровая грязь удаляется из скважин посредством желонки с клапаном, спускаемой на канате.

б) Канадский способ бурения ведется на деревянных или железных буровых штангах с ясом, помещаемым между долотом и буровыми штангами. Этим способом бурили скважины на нефть сначала в Канаде, затем он перешел в Галицию, Румынию и, наконец, к нам в Кубано-Черноморский и Урало-Эмбенский районы. В последнем он применяется и до настоящего времени. На промыслах в Бориславе и Тустановице (Галиция) этим способом была пробурена большая часть скважин глубиной в 1000 и более м. При этом бурении применяются буровые вышки американского типа, высотою до 16 м. В откосе вышки устанавливается двигатель и буровой станок, построенный почти целиком из дерева (фиг. 12 и 13).

Бурение скважин

На главном стальном валу станка закреплен шкив А для ремня от трансмиссии, шкивы В и С, передающие движение барабану G для подъема и спуска инструментов и барабану G1 для чистки скважины, и, наконец, кривошип D для передачи качательного движения балансиру через шатун Е, надеваемый на палец кривошипа. Бурение скважинНа переднем конце балансира устанавливается стальная отливка F1 с винтовым желобом для навивки цепи, один конец которой служит для подвешивания на вертлюге штанги с буровым инструментом, а другой конец наматывается на вал уравнительного приспособления F2, приводимый в движение червячной передачей. По мере углубления забоя цепь сматывается с вала F2, и т. о. опускается долото. Для спуска и подъема бурового инструмента на барабан G наматывается 25-мм стальной канат, свободный конец которого перекидывается через ролик на головке вышки и снабжается приспособлением для захватывания штанг - вертлюгом или подъемным крючком. Для подъема и спуска обсадных труб на барабан G наматывается один конец талевого каната, а на другом висит талевой блок на роликах, которые расположены на подшкивных брусьях головки вышки. Все ремни ременных передач станка надеты на шкивы с большой слабиной; они натягиваются ключником по мере надобности с помощью подвижных натяжных роликов. Буровой инструмент состоит из долота (фиг. 14), расширителя системы Фаука (фиг. 15), ударной штанги весом от 1/2 до 1 т и, наконец, яса (фиг. 16). Последний представляет собой два удлиненных звена цепи, внешние концы которых снабжены головками с резьбой. Верхний конец яса соединяется со штангами, нижний - с ударной штангой. Крепление стенок скважин производится винтовыми трубами.

Бурение скважинв) Штанговое бурение со свободно падающим инструментом (бакинский способ). Этот способ штангового бурения впервые стали применять в Баку в 1871 году при проходке первых нефтяных скважин. Опыт такого бурения оказался удачным, вследствие чего этот способ привился и вскоре получил здесь самое широкое распространение. Характерной особенностью этого штангового способа бурения является применение фрейфала, который делает соединение штанг и долота подвижным и позволяет таким образом выключать штанги во время опускания долота на забой.

После долголетней практики штангового ударного бурения в Баку, в результате ряда усовершенствований и изменений, преимущественное применение получили два типа буровых станков: станок системы «Молот» и станок системы Мухтарова. Станок системы «Молот» (фиг. 17 и 18) состоит из следующих частей: 1) передаточного механизма, получающего вращение от механического двигателя или промежуточной трансмиссии и состоящего из главного вала А с приводным шкивом и передаточными шестернями, 2) подъемного барабана N, 3) долбежных шестерен I и К и 4) барабана М для чистки скважины, вращающегося на валу, на котором укреплены долбежные шестерни. У одного конца главного вала вращается холостой шкив В для приводного ремня. Рядом с холостым шкивом укреплен на валу фрикционный диск F, нажатием которого на холостой шкив вращение передается главному валу. Бурение скважинНа конце вала А укреплен на шпонке штурвал R, который служит для поворачивания вала вручную на небольшой угол. На квадратной части вала расположены 4 шестерни С, D, Е и Е1, которые могут передвигаться вдоль вала. Шестерня С может сцепляться с шестерней G подъемного барабана N, а шестерня Е1 с шестерней Н барабана М для чистки скважины. Другая пара шестерен D и Е может сцепляться с долбежными шестернями К и I. Передвигание передаточных зубчатых шестерен вдоль вала А производится особыми приборами, которые расположены вдоль главного вала. Долбежные шестерни К и I укреплены при помощи шпонок на круглом валу L. В спицах шестерен проделаны на различных расстояниях от центра конические гнезда для пальца кривошипа. Переставляя палец, можно изменять размах балансира станка. Во время долбления эта часть станка страдает больше других от ударов и толчков, возникающих при качании балансира вверх и вниз, и поэтому при глубоких скважинах и большом числе качаний балансира (45—50 в минуту) часто происходят поломки зубьев шестерен. Вращательное движение шестерен-кривошипов преобразуется в колебательное движение балансира при помощи двух шатунов Р. Шатуны делаются железными, реже - деревянными с железной оковкой. Узкая часть балансира, расположенная над устьем скважины, называется головой его, а противоположная - хвостом. Снизу к обоим нижним брусьям балансира в головной его части прикрепляются короткие бруски, и лобовая часть балансира срезается по окружности, описанной из центра на оси качания балансира. Такое устройство дает возможность сообщать буровому инструменту качание сверху вниз по вертикальной линии, совпадающей с осью скважины. Осью качания балансира служит короткий вал квадратного сечения с круглыми шейками на концах, прикрепленный к балансиру двумя железными скобами. Круглые шейки балансирного вала лежат на двух кронштейнах, прикрепленных к двум вертикальным стойкам О. Последние прикреплены внизу к станинам, удерживающим их в вертикальном положении, а верхним концом - к поперечной балке, связанной с вышкой. По мере надобности балансир передвигается то вперед, то назад, при помощи особого приспособления. Подъемная шестерня G укрепляется на валу шпонкой и связывается с подъемным барабаном болтами или особыми приливами на боковой шайбе барабана, обхватывающими спицы шестерни. Подъемный барабан снабжен ленточным тормозом. Барабан для чистки М (тартальный барабан) располагается на долбежном валу, на котором он свободно вращается. С одной стороны к барабану прикрепляется болтами зубчатая шестерня Н, а с другой - тормозной обод на валу L.

Буровой станок Мухтарова отличается от станка «Молот» следующими конструктивными особенностями: 1) все шестерни, барабаны и фрикционная шайба закреплены на конических утолщениях валов, что способствует спокойному и плавному ходу станка; 2) валы лежат на подвижных подшипниках, что дает возможность производить сцепление и расцепление шестерен исполнительных механизмов с шестернями главного вала передвижением подшипников при помощи специальных тяг; 3) вертикальные балансирные стойки заменены наклонными стойками в виде козел, составляющих одно целое со станиной, благодаря чему удары и нагрузка, воспринимаемые стойками от балансира, передаются станине в двух точках, соответствующих двум якорям фундамента; 4) балансир состоит из двух параллельных деревянных балок и при помощи двух ползунов может передвигаться вперед и назад.

Кроме буровых станков указанных двух основных систем, встречаются в Баку также станки комбинированного типа, заимствующего одни части от станков Мухтарова, а другие от станков «Молот».

Бурение скважинБуровой инструмент.
Долота, которые применяются в Бакинском районе, показаны на фиг. 19. В каждом долоте различают плоскую лопатообразную часть - лопасть А, нижняя часть которой оттянута и заострена, образуя режущее лезвие Б, и цилиндрическое или коническое утолщение - резьбу С. Такое долото называется зубильным. Но у большинства долот боковые грани лопасти расширены, образуя т. н. перья (фиг. 20, d), наружная поверхность которых выгнута по дуге окружности. Зубильные долота применяются при прохождении пород твердых или средней твердости. При бурении в породах мягких или даже средней твердости предпочитают пользоваться долотами с перьями. Кроме обыкновенных долот существуют еще специальные долота. При очень твердых породах употребляют долота-болванки, с более прочными, утолщенными лезвиями и перьями. При большом скоплении мелких кусочков железа применяется пикообразное зубильное долото. В некоторых случаях употребляются круглые или полукруглые долота. Долота обыкновенно отковываются из специальной вязкой стали и лезвие их закаливается. Литые долота не получили распространения, т. к. они легко ломаются во время работы. Основной размер долота, т. е. ширина лезвия, соответствующая диаметру скважин, в Бакинском районе изменяется от 1042 мм (42-дм. скважина) до 178 мм (8-дм. скважина). Бурение скважинРасширитель употребляется для получения скважины большего диаметра, чем ширина лезвия долота, что необходимо для спуска обсадных труб. Бурение скважинВсякий расширитель устроен так, что по выходе его из нижнего конца обсадных труб, во время спуска бурового инструмента в скважину, расстояние кромки режущей части расширителя от его оси автоматически увеличивается. При подъеме инструмента расширитель автоматически принимает свою первоначальную форму и может войти в обсадные трубы. Наибольшее распространение имеет расширитель типа Кинда с наружной пружиной, или т. н. русский расширитель (фиг. 21). Широкая плоская часть А расширителя, ограниченная с боков параллельными плоскостями, называется корпусом. Нижняя часть корпуса переходит в муфту с внутренней нарезкой, куда ввинчивается долото. По направлению кверху корпус переходит в круглый ствол L, оканчивающийся винтовой нарезкой. В корпусе расширителя выдолблено сквозное отверстие, куда вставляются резцы В, скалывающие и обрабатывающие под круглую форму своими острыми кромками-лезвиями стенки скважины, пройденной перед этим долотом. Резцы укрепляются в корпусе болтом С, служащим для них также осью вращения. Расширитель отковывается из железа, а резцы - из такой же стали, как и долота. Стальная подушка D воспринимает на себя удары резцов и предохраняет расширитель от расклепывания. Резцы представляют собой рабочую часть расширителя. Бурение скважинОни состоят из корпуса В и режущей кромки l, называемой лезвием или жалом. Наружное очертание лезвия представляет собой дугу окружности, радиус которой равен радиусу расширенной части скважины. Наружному очертанию корпуса резца придается несколько криволинейная форма. Выступающая часть резца Р, прилегающая к стенке обсадных труб, имеет закругленную форму и называется лбом. Лоб устроен т. о., что площадь соприкосновения резца с трубами сведена до минимума для уменьшения трения между ними и, кроме того, лезвие резца не должно касаться стенки обсадных труб во избежание порчи последних. Резец имеет с обеих сторон уширенные боковые грани, называемые перьями. Книзу перья делаются шире, чем вверху, с целью избежать заклинивания резцов в породе. При прохождении твердых пород или при рубке обсадных труб нижнюю часть резцов снабжают продольной режущей гранью в виде лезвия (фиг. 22). Такие резцы называются топориками. Резцы удерживаются в раскрытом виде упругостью пружины Е (фиг. 21), которая надета на ствол расширителя и упирается одним концом в корпус расширителя, а другим в хомут, свободно двигающийся вдоль ствола. Хомут связан с резцами при помощи круглых железных тяг F, называемых поводками. Поводки, состоящие из одной тяги, называются ординарными, в отличие от двойных поводков, имеющих вилкообразную форму. Вместо жестких тяг применяют также расширители с канатными поводками. В случае разрыва каната оба резца одновременно опускаются книзу, и инструмент можно свободно втянуть в обсадные трубы. Неудобства, возникающие при обрыве поводков, отсутствуют в расширителях без поводков, системы Похвалла (см. фиг. 23). Здесь резцы расширителя снабжены хвостовыми придатками к. В корпусе и подушке расширителя просверлены два отверстия, сквозь которые пропущены два стержня l, упирающиеся одним концом в придатки к резцов, а другим, в виде головки, в канавку шайбы т. Шайба т прижимается к стержням I пружиной и, упирающейся другим концом в гайку о, навернутую на нарезной конец ствола расширителя и регулирующую степень нажима на пружины. Впоследствии Похвалла заменил два стержня одним, который действует одновременно на оба резца.

Ударная штанга ставится непосредственно над долотом или над расширителем, если одновременно с долблением производится расширение скважины. Назначение ударной штанги - увеличить вес, а следовательно и силу удара буровых инструментов. Обыкновенно вес ударной штанги, употребляемой в Баку, достигает 1300 — 1600 кг. Ударные штанги бывают круглого или квадратного сечения. Нижняя часть имеет утолщение в виде муфты с нарезкой, куда завинчивается долото или расширитель, а верхний конец, тоже утолщенный, имеет наружную нарезку. В Баку, где скважина закрепляется обсадными трубами по мере углубления, ударная штанга движется внутри труб и снабжается направляющими планками, образующими так называемые направляющие фонари, которые удерживают штангу во время долбления в вертикальном положении в центре скважины.

Фрейфал, распространенного в СССР типа Фабиана, представляет собой полый железный патрон квадратного или круглого сечения, переходящий в верхней части в головку с резьбой для свинчивания с буровой штангой. Внутри патрона ходит шток в виде круглого стержня, который нижним своим концом навертывается посредством муфты на конец ударной штанги. В стенках патрона простроганы две продольные щели для направления стального клина, пропущенного сквозь шток и удерживающего его от выпадения. В верхней части щелей с левой стороны сделаны уширения в виде уступов, на которые бурильщик подхватывает клин штока небольшим поворотом патрона против движения часовой стрелки в тот момент, когда патрон надвинут на шток, т. е. когда долото стоит на забое. В нижней части щелей устроен вырез, называемый замком, такой длины, чтобы в него свободно входил клин фрейфала. Во время работы рабочий должен все время то подхватывать падающую часть бурового инструмента при низшем положении балансира, то сбрасывать ее при высшем положении, поворачивая буровые штанги то влево, то вправо. Работа эта весьма утомительна, в особенности при быстром качании балансира (40—50 качаний в минуту) и при большой глубине буровой скважины.

Бурение скважинАвтоматический фрейфал облегчает работу бурильщика (ключника). В нем захватывание и сбрасывание бурового инструмента происходит автоматически. Наибольшее распространение получили в бакинской практике автоматические фрейфалы системы Дудина и Мухтарова. В обеих системах вручную производится только поворачивание всего инструмента вокруг оси для правильной обработки стенок буровой скважины.

Фрейфал Дудина (фиг. 24) представляет собой круглый полый патрон В, надетый на шток С. В патроне проделаны две продольные щели, в которых ходит стальной клин, укрепленный в штоке и связывающий патрон и шток в одну систему. Нижняя часть патрона представляет собой муфту с нарезкой, навинчивающуюся на ударную штангу, а верхняя А утолщена в виде головки с уступом, выступающим над телом патрона. Бурение скважинВерхний конец штока имеет коническую нарезку для свинчивания с буровой штангой. В средней части штока укреплен хомут Е, в гнездах которого помещаются две лапы, вращающиеся вокруг осей О и образующие клещи. Выше клещей помещается упорный фонарь G. Корпус фонаря представляет собой пустотелый стальной цилиндр, оканчивающийся внизу раструбом. В нижнем положении лапы фрейфала под действием пружин захватывают своими клещами головку патрона и увлекают его вместе с инструментом при подъеме балансира. В наивысшей точке подъема концы клещей заходят в конический раструб упорного фонаря. Под нажимом корпуса верхние концы лап клещей сближаются, а нижние расходятся и освобождают при этом головку патрона, который падает свободно вниз, скользя по штоку. Пружины упорного фонаря должны быть настолько тугими, чтобы они могли удерживать фонарь на месте во время удара клещей об его конический раструб. Фрейфал Мухтарова отличается от предыдущего тем, что в нем клещи закрепляются на штоке не при помощи хомута, а вставляются в сквозное отверстие, выдолбленное в утолщении штока. Лапы имеют изогнутую форму в виде ножниц, и нижние концы их, захватывающие головку патрона, прижимаются к нему пружинами. Для освобождения патрона в этом фрейфале верхние концы лап разводятся упорным конусом.

Пружинные ясы. Сложные и тяжелые автоматические фрейфалы на практике часто заменяются пружинными ясами (фиг. 25). В патрон А с боковыми щелями входит шток В, на который надета стальная пружина, упирающаяся нижним своим концом в выступающую часть головки патрона. Верхний конец пружины упирается в муфту, патрон и скользящую по нем. Муфта при помощи клина соединена со штоком, двигающимся внутри патрона. Скорость, с которой двигается голова балансира сверху вниз, достигает своего максимума в момент, когда балансир занимает горизонтальное положение, а затем равномерно убывает. Во время движения балансира подвижная часть бурового инструмента, подвешенная к пружине при помощи штока яса, сжимает пружину под влиянием инерции и, опережая ход балансира, производит удар долота о забой раньше, чем голова балансира достигает низшего своего положения, при котором скорость его уменьшается до нуля. Существует несколько видоизменений описанной конструкции пружинных ясов, но все они основаны на одном и том же принципе.

Бурение скважинБуровые штанги применяются квадратные, со стороной квадрата от 38 до 44 мм. Длина каждой отдельной штанги 6,4 м. Для наращивания во время бурения применяют также короткие штанги разной длины. Концы буровой штанги утолщены и образуют замок. Одна половина замка имеет муфту с внутренней нарезкой, в которую завинчивается вторая половинка замка с внешней нарезкой. Бурение скважинДля удобства быстрого свинчивания и развинчивания штанги муфты и концы имеют коническую нарезку. Утолщения на концах штанг служат для подвешивания штанг над устьем скважины и подхвата их подъемным крючком при подъеме и спуске инструмента в скважину.

Уравнительный винт служит для подвешивания буровых штанг к балансиру. Он дает возможность во время долбления постепенно опускать буровой инструмент по мере углубления забоя и подвешивается на цепях Галля к голове балансира (фиг. 26). В Баку получил широкое распространение уравнительный винт следующей конструкции (фиг. 27). На нижнюю коническую головку винта d надет патрон е и закреплен на нем неподвижно контргайкой. Внутри патрона помещаются стальные шайбы f с кольцевой прокладкой из шариков. На шайбах f лежит шайба g, в которую завернут на резьбе и закреплен шпилькой переводник а, оканчивающийся внизу муфтой с внутренней нарезкой для навинчивания на буровые штанги. Нижняя часть патрона снабжена внутренней нарезкой, куда ввинчивается пробка b, имеющая сверху шаровую поверхность, соответствующую выпуклой поверхности шайбы f. Винт d вращается в гайке с с цапфами, посредством которых уравнительный винт подвешивается к балансиру на цепях Галля. Во время работы контргайка к закрепляет винт неподвижно в гайке с. Ручки для поворачивания буровых штанг укрепляются в расширении n переводника.

Инструменты для сборки бурового инструмента. Для подвешивания бурового инструмента над устьем скважины служит подкладная вилка (фиг. 28). Для свинчивания и развинчивания штанг употребляют особые ключи, состоящие из рукоятки и зева. Фрейфальный ключ и ключ для ударной штанги делают солидной конструкции с кольцом на конце рукоятки.Бурение скважин

Инструменты для чистки забоя скважины. В начале бурения, когда глубина скважины незначительна, удаление буровой грязи с забоя производится открытыми или закрытыми бурами или простой желонкой (фиг. 30), которые спускают в скважину на буровых штангах. По мере углубления скважины прибегают к поршневой желонке - так называемой американке (фиг. 29) или песочному насосу, которые спускаются в скважину на стальном канате.

Бурение скважинПроизводство бурения. По окончании подготовительных работ, заключающихся в постройке вышки, установке бурового станка, двигателя и других приспособлений, приступают к бурению скважины. Прежде всего опускают в шахту и устанавливают на дно шахтовую колонну, или кондуктор, состоящий обыкновенно из пяти клепаных труб, длиною 1,4 м каждая. Эта колонна укрепляется в центре шахты в вертикальном положении и служит направлением для бурения скважины. Затем опускают на штангах открытый или закрытый бур, смотря по породе в забое, вращают его по направлению движения часовой стрелки и выбуривают отверстие, диаметр которого на 2—3 см меньше диаметра кондуктора. По мере углубления скважины шахтовая колонна вместе с приклепываемыми к ней трубами осаживается вниз под действием собственного веса, давильного винта или гидравлического домкрата. Давильный винт (фиг. 31) состоит из винта А с крупной нарезкой и гайки В, укрепленной в ступенчатой шайбе D. Шайба своими уступами ложится на кромку обсадных труб. Верхняя часть винта А имеет цилиндрическое утолщение с двумя сквозными отверстиями, переходящее уступом в круглый стержень а, на который надета головка С. Последняя при задавливании колонны упирается в горизонтальный деревянный брус, удерживаемый на месте железными тягами, связанными с фундаментом вышки. Вращая винт при помощи ломов, пропущенных сквозь отверстия в утолщении, и вывинчивая его т. о. из гайки В, заставляют трубы под давлением винта опускаться вниз. Вместо винта иногда применяют для задавливания колонны труб гидравлический домкрат, который устанавливается на стальной крышке, надетой на трубы, и упирается скалкой в давильный брус.

Во время осаживания кондуктора вертикальность и прямолинейность его оси все время проверяют при помощи проверочного фонаря (фиг. 32). Опуская фонарь на различную глубину, получают последовательные отметки острия гири отвеса и таким образом, судят об отклонении оси колонны от вертикального направления. Обыкновенно эту операцию проделывают в трех положениях фонаря: вблизи устья скважины, посредине ее и вблизи башмака колонны. Бурение скважинЕсли ось колонны вертикальна и прямолинейна, то все три отметки должны совпадать. В противном случае получаются две или три разных отметки на некотором расстоянии одна от другой. Замеченное отклонение, если оно незначительно, исправляют поворачиванием колонны вокруг ее оси, в противном случае приподнимают трубы и вновь расширяют то место, где замечено отклонение. Шахтовой колонной углубляются до 20—40 м, после чего последнюю залавливают в грунт, а шахту затрамбовывают щебнем и заливают цементом. В шахтовую колонну до ее башмака опускают новую, т. н. рабочую колонну обсадных труб, диаметр которой на 50 мм меньше диаметра шахтовой колонны, и приступают к углублению скважины. Пользуясь подъемным барабаном бурового станка, спускают в скважину на штангах буровой инструмент, состоящий из долота, расширителя, ударной штанги и фрейфала или пружинного яса. Наращивание штанг продолжается до того момента, пока долото не станет на забой скважины. Спущенный в скважину инструмент после соответствующего урегулирования фрейфала или яса подвешивают к балансиру, навинчивая муфту уравнительного винта на выступающий конец штанги, причем голова балансира приводится в самое низкое положение. После этого пускают в ход станок, и балансир начинает качаться вверх и вниз. Вместе с балансиром движется и буровой инструмент, подвешенный к его голове. Падая вниз с высоты около 60—70 см, буровой инструмент развивает большую скорость, и долото, встретив забой, врезается в породу. При сбрасывании инструмента ключник поворачивает его на некоторый угол с таким расчетом, чтобы при падении инструмента вниз боковые перья долота и резцов расширителя срезали на стенках скважины полосу, немного налегающую на полосу, срезанную во время предыдущего падения инструмента. Если угол поворота инструмента больше, чем нужно, то на стенках скважины получаются выступы (пропуски), которые в дальнейшем препятствуют вращению инструмента, задерживая долото или резцы. На удаление пропусков приходится затрачивать лишнее время, особенно при прохождении твердых пород, т. к. в этом случае необходимо по несколько раз трамбовать неправильно пройденное место. По мере углубления забоя ключник время от времени вывинчивает на ходу уравнительный винт, пока последний почти весь не выйдет из гайки. Тогда останавливают балансир, освобождают уравнительный винт от штанг, завинчивают его в гайку, навинчивают на конец штанг короткую штангу и, соединив опять штанги с уравнительным винтом, продолжают долбление. По накоплении буровой грязи в забое буровой инструмент и штанги извлекаются из скважины. В скважину опускают американку на стальном канате, диаметром около 20 мм (3/4 дм.), навернутом на тартальный барабан. Когда американка достигает забоя, ее немного приподнимают и затем опять опускают на забой. Эту операцию повторяют 3—4 раза, а затем вытаскивают американку из скважины, опорожняют ее от грязи и вновь опускают в скважину. Очистив т. о. забой скважины, возобновляют долбление.

Величина углубления скважины в единицу времени, или, как говорят, «скорость проходки», зависит от: 1) степени твердости, устойчивости и т. п. качеств пород, пересекаемых скважиной, 2) глубины скважины и 3) диаметра скважины. Мягкие устойчивые породы дают возможность быстро углублять скважину. С увеличением глубины скважины средняя скорость проходки уменьшается, так как при этом много времени тратится на спуск и подъем бурового инструмента. В скважине большого диаметра углубление подвигается медленнее, чем в скважинах среднего диаметра. Средняя суточная скорость углубления (не считая случайных неполадок) для Бакинского района следующая:

burenie t1

Довоенная стоимость одного пробуренного м скважины, включая сюда стоимость обсадных труб, была в среднем:

burenie t2

Для крепления стенок скважины приходится периодически, по мере углубления скважины, наращивать колонну обсадных труб новыми звеньями. Для этого в муфту колонны устанавливают вертикально нижним концом своим приклепываемую трубу (или колено из двух-трех труб), следя, чтобы отверстия для заклепок в муфте и нижнем конце приклепываемой трубы совпадали, и после этого при помощи клепальной машинки (фиг. 33) приклепывают трубу пистонными, или потайными, заклепками. Клепальная машинка помещается внутри приклепываемой трубы в таком положении, что нижние бабки А приходятся против отверстий в муфте, в которые вставляют пистонные заклепки, а верхняя перекладина С опирается на кромку верхней муфты и поддерживает машинку на весу. Вращением винта заставляют его вывинчиваться из перекладины С и увлекать за собой клин К, который раздвигает обе бабки А и прижимает их к стенкам трубы. Конец пистонной заклепки, упирающийся в бабки, расклепывается при ударе кувалдой по другому концу и образует плоскую головку, заполняющую предварительно раззенкованное отверстие в трубе. Потайные  заклепки вставляются в отверстия изнутри приклепываемой трубы особым приспособлением, подавалкой, до спуска в трубу клепальной машинки. Герметические трубы завинчивают вручную в муфту предшествующей трубы посредством особых цепных или шарнирных ключей. Спуск колонн обсадных труб и последовательное наращивание их продолжается до тех пор, пока башмак не достигнет требуемой глубины. Перед спуском следующей колонны, в целях экономии, а иногда по техническим соображениям, верхнюю часть установленной колонны обсадных труб обрезают на 10—20 м выше башмака предыдущей колонны и отрезанную часть извлекают из скважины.

Бурение скважинРасход на крепление составляет значительную часть всего расхода на бурение скважины. В зависимости от конечной глубины и конечного диаметра скважины, сорта обсадных труб (клепаные или герметические), а также от особенностей проходимых пород, на 1 м проходки скважины расходуется труб по весу от 150 до 300 кг. При современной стоимости 1 кг клепаных труб в 32 коп, и герметичных в 44 коп, стоимость крепления одного метра скважины обходится в среднем от 60 до 130 руб.

Тампонаж скважин. В месторождениях нефти водоносные и нефтеносные пласты большей частью чередуются между собой в различных группировках. Основная задача при бурении нефтяных скважин - изолировать водоносные пласты от нефтеносных с целью преградить воде доступ в последние. Для изоляции водоносных пластов последние перекрывают при бурении водонепроницаемой крепью или, как говорят, делают тампонаж скважины. Выбор способа тампонажа зависит от того, с какого рода водой приходится иметь дело. Верхняя, а также промежуточная вода могут попасть в нижележащий нефтяной пласт либо через швы и муфты клепаных обсадных труб, либо по кольцевому зазору между обсадными трубами и стенками скважины. В этих случаях тампонаж скважины заключается: 1) в заполнении водонепроницаемым материалом кольцевого пространства между наружной поверхностью клепаных обсадных труб и обнаженными стенками скважины, а также кольцевого пространства между клепаными обсадными трубами, 2) в применении герметических труб, 3) в образовании различного рода искусственных сальников, преграждающих воде доступ в скважину из затрубного пространства мимо башмака колонны, и 4) в задавливании башмака колонны обсадных труб в глину, образующую водонепроницаемую перегородку. На практике указанные приемы комбинируются в одной и той же скважине. В случае проникновения в скважину нижней воды тампонаж сводится к образованию водонепроницаемой пробки, плотно закрывающей отверстие, пробуренное в водонепроницаемом пласте, отделяющем нефтеносный пласт от водоносного.

Клепаные обсадные трубы легко пропускают воду через муфты и швы. Чтобы сделать такое крепление водонепроницаемым, заполняют жидким раствором портланд-цемента промежуток между стенками скважины и обсадными трубами, начиная с башмака, а также кольцевой зазор между двумя смежными колоннами обсадных труб. Затвердевая, цементный раствор образует водонепроницаемую перегородку, предохраняющую скважину от проникновения в нее воды через неплотности в трубах или по затрубному пространству из-под башмака колонн. После заливки цементного раствора в скважину рекомендуется оставлять последнюю в покое около двух-трех недель во избежание образования трещин в цементе от сотрясений при возобновлении работы. В последнее время в Америке начали прибавлять к цементному раствору различного рода патентованные порошки или жидкости, ускоряющие процесс затвердевания, а, следовательно, сокращающие продолжительность остановки работ. Для заливки цементного раствора в междутрубное пространство употребляют толстостенные трубочки, диаметром от 15 до 40 мм, в зависимости от величины зазора между обсадными трубами. Эти так называемые заливочные трубочки пропускают по возможности глубже в зазор, до того места, откуда предполагают начать заполнение междутрубного пространства. В противном случае цементный раствор не доходит до требуемой глубины, образуя пробку в зазоре. Чтобы предохранить обсадные трубы от смятия вследствие давления, оказываемого залитым в затрубное пространство жидким раствором цемента, внутрь обсадных труб засыпают на некоторую высоту пробку из глины. Промежуток между стенками скважины и трубами над башмаком последней обсадной колонны заполняют цементным раствором, вводя последний снизу вверх под башмак. Сущность этого способа, называемого подбашмачной заливкой, заключается в том, что в нижней части колонны (фиг. 34) выше башмака устраивается герметическая перегородка Р, имеющая в центре сквозное отверстие, в которое входят заливочные трубочки. Цементный раствор, поступающий по трубочкам в пространство ниже перегородки Р, поднимается в затрубное пространство под давлением веса столба цемента, а если этого недостаточно, то проталкивают его насосом. В затрубном пространстве цементный раствор может быть поднят на высоту около 100 м, образуя водонепроницаемую рубашку вокруг обсадных труб.

При креплении скважины герметическими винтовыми обсадными трубами верхняя вода может проникнуть в забой скважины только по затрубному пространству из-под башмака колонны, если трубы не повреждены и плотно свинчены. Тампонаж таких скважин сводится к созданию водонепроницаемой перегородки у башмака колонны или на некоторой высоте над башмаком. Если ниже водоносного пласта залегает более или менее плотная глина, то для прекращения доступа воды в скважину задавливают башмак герметической колонны либо прямо в забой, находящийся в глиняном пласту, либо предварительно пробуривают в глине отверстие несколько меньшее, чем наружный диаметр башмака. В этом случае башмак врезается своей острой кромкой в глину, которая образует водонепроницаемую перегородку вокруг внешней поверхности башмака. Если пласт глины имеет малую мощность или она песчаниста, то перед задавкой башмака наливают через заливочные трубочки в забой на некоторую высоту (несколько м) цементный раствор, который после заливки башмака образует твердую пробку в затрубном пространстве выше башмака. Еще лучше применять в этом случае подбашмачную заливку цемента под давлением, как указано было выше, и затем произвести задавку башмака в глину. При этом цементное кольцо поднимается в затрубном пространстве на большую высоту и лучше заполняет все неровности и трещины в породах, чем при предыдущем способе.

Если скважина пробурена до водоносного пласта, расположенного ниже нефтеносного, и при этом пробит залегающий между ними водонепроницаемый пласт, то для восстановления изоляции между нефтяным и водоносным пластами заливают в забой густой раствор цемента. Для предохранения цементного раствора от разбавления водой во время спуска его на забой пользуются особыми желонками. Иногда устраивают железобетонную пробку; для этого куски старого стального каната утрамбовываются на забое и заливаются жидким цементом, который спускается на забой в ведре или в банке из оцинкованного железа с коническим дном; такое ведро подвешивается к долоту и опускается вместе с инструментом на забой, где оно изрубается долотом и затрамбовывается вместе с содержимым.

Ловильные работы. Несмотря на все меры предосторожности, при бурении скважин нередко происходят случаи падения в скважину буровых инструментов и других железных предметов или отвинчивание или поломка частей бурового инструмента, которые при этом остаются в скважине. Иногда приходится тратить много средств и времени на извлечение этих предметов. Бакинские буровые техники выработали весьма совершенные способы ловильных работ и сконструировали для этой цели много разнообразных ловильных аппаратов. Ловильные инструменты по способу захвата ловимого предмета распределяются на следующие категории: 1) крючки или удочки, захватывающие извлекаемые из скважины предметы за выдающиеся части или отверстия в них; 2) инструменты с подвижными плашками, которые при надевании инструмента на выступающую часть извлекаемого предмета свободно пропускают его, а затем при подтягивании кверху захватывают его; 3) инструменты, навинчивающиеся на извлекаемый предмет (колокола) или ввинчивающиеся в его отверстие (метчики); одновременно они нарезают также резьбу на извлекаемом предмете; 1) наконец, инструменты в виде клещей, лапы которых закрываются вращением штанг служащих для их спуска, и захватывают плоские предметы, не имеющие выступающих частей. Выбор необходимых ловильных инструментов зависит от рода неполадки и от того положения, какое занимает в скважине извлекаемый предмет. Для определения положения упавшего или оставшегося предмета в скважину спускают на штангах особые приборы - печати, нижняя поверхность которых покрывается пластичным материалом, оставляющим отпечатки предметов, находящихся в скважине. Встречающиеся на практике неполадки чрезвычайно разнообразны и сложны, вследствие чего невозможно заранее указать, как должен поступить бурильщик в каждом отдельном случае, и его опытности и находчивости необходимо предоставлять выбор способа ловли и вида ловильного инструмента.

4. Канатное бурение (пенсильванский способ).

Этот способ, вывезенный из Китая, впервые был применен во Франции в 1827 г. для бурения артезианских колодцев, а затем распространился по всей Европе и Америке. В Пенсильвании выработалась постепенно особая, т. н. пенсильванская, система бурения, которая оттуда и перешла к нам, сначала в Грозненский район, затем в Кубано-Черноморский, а в последние годы и в Бакинский район. При этой системе буровой инструмент спускается в скважину на канате из манильской пеньки или из стальной проволоки. Наиболее употребительные канаты из манильской пеньки имеют диаметром 37—63 мм (1 1/2 - 2 1/2 дм.); стальные канаты  у нас имеют диаметр 28—32 мм (1 1/8 - 1 1/4 дм.), а в Америке - 25, 20 и даже 18 мм. Для канатного бурения применяют буровые вышки американского типа или железные (в Америке), высотою 22—25 м. Одновременно с сооружением вышки в ней устанавливают и буровой станок пенсильванского типа. Этот станок делают из дерева; из металла делают лишь  некоторые ответственные его части, как то: долбежный вал с кривошипом, шайбы для колес, шипы для деревянных валов, болты и т. п. скрепляющие части. В Америке при бурении глубоких скважин применяются станки, в которых почти все части сделаны из металла. В последнее время в Баку сконструированы из частей штанговых станков довольно удобные станки для канатного бурения. Пенсильванский канатный буровой станок (фиг. 35) состоит из главного вала D с насаженными на него кривошипом и тремя деревянными шкивами, из которых большой диаметр в 3 м, служит для передачи ремнем движения от двигателя (обычно - паровой машины). Второй деревянный шкив, диаметром в 1,8 м, плотно соединен с первым; он имеет на ободе три ручья для канатной передачи к талевому валу В, который служит для наматывания каната, идущего от талевого блока для подъема и спуска тяжелых колонн обсадных труб. Третий шкив, тоже в 1,8 м диаметром, имеет на ободе три ручья для передачи движения от главного вала перекрещивающимися канатами (в Грозном -  струнами) валу А для наматывания инструментального каната (инструмент, вал), на котором подвешен инструмент во время бурения. Все валы лежат на деревянных стойках, укрепленных раскосами к фундаменту станка или к ногам вышки. Инструментальный и талевой валы делаются из крепких пород дерева и имеют на концах железные шипы, которые лежат в баббитовых подшипниках, укрепленных на вышеуказанных стойках. Оба вала имеют тормозные диски с железными тормозными лентами. У талевого вала укрепляется вертикальная стойка, на которой на металлической подушке лежит балансир, состоящий из 3 или 4 брусьев, врубленных друг в друга и соединенных болтами и хомутами. На переднем конце балансира, над устьем скважины, подвешивается уравнительный винт, а к заднему концу балансира прикрепляется при помощи железного хомута деревянный шатун. Нижний конец шатуна имеет подшипник с затяжным клином; во время долбления буровой скважины этот подшипник надевается на палец кривошипа главного вала.

Работа такого станка происходит следующим образом. Чтобы начать спуск инструмента в скважину, шатун снимают с пальца кривошипа, а передаточные канаты (струны) с талевого вала. Собранный буровой инструмент прикрепляют с помощью особого переводника к одному концу бурового каната. Другой конец последнего перекидывается через ролик на головке вышки и наматывается на инструментальный вал, пока инструмент не повиснет над устьем скважины. Тогда сбрасывают со шкива инструментального вала передаточные канаты, и инструмент спускается в скважину под действием собственного веса, при чем скорость спуска инструмента в скважину регулируется тормозом. Такой спуск инструмента в скважину, при глубине ее, например, в 600м, продолжается около 8 мин., между тем как при штанговом бурении на эту операцию требуется около 1,5 ч. По достижении инструментом забоя наклоняют голову балансира и в таком положении закрепляют на канате зажимы уравнительного винта. Т. о. инструмент, подвешенный к голове балансира, будет следовать ее колебаниям и при каждом опускании ударять долотом о забой. Для подъема инструмента натягивают буровой канат поворотом инструментального вала, освобождают зажимы уравнительного винта и наматывают канат на инструментальный вал. Когда инструмент выйдет из скважины, ход паровой машины замедляют, сбрасывают струны с инструментального шкива, нажимают на рукоятку тормоза, и инструмент остается подвешенным над устьем скважины. Быстрый спуск и подъем инструмента при канатном бурении является одним из главных преимуществ его перед штанговым бурением.

Когда буровой инструмент спущен в скважину и буровой канат закреплен в зажимах уравнительного винта, приступают к долблению. Балансир делает от 30 до 40 качаний в минуту, и работа персонала сводится к повертыванию долота на некоторый угол после каждого удара для придания скважине круглого сечения. При работе на манильском канате с инструментального вала свивают несколько оборотов каната и укладывают их по полу вышки вокруг скважины; затем продевают круглый стержень в кольца зажимов уравнительного винта и при помощи этого стержня закручивают несколько канат в одну сторону после каждого удара долота о забой, а после этого медленно раскручивают его в обратную сторону. Если бурение ведется на стальном канате, то вращать долото вышеуказанным способом в виду жесткости каната невозможно; если же для этого несколько больше спустить канат с инструментального вала, то свободная часть его может свернуться в такие петли, что канат придется рубить и тем сделать его негодным для дальнейшей работы. Поэтому при работе на стальном канате свивают с инструментального вала не более 15 м; эту часть спускают с подъемного ролика и навивают кругами на стержни, продетые в петли уравнительного винта. В этом случае при долблении головку уравнительного винта вращают все время в правую сторону, т. е. по часовой стрелке, причем в эту же сторону вращаются и нижняя часть каната вместе с инструментом и верхняя часть, намотанная на стержнях вокруг уравнительного винта. Число качаний балансира, в зависимости от глубины скважины, от 30 до 40 в минуту. По накоплении в скважине буровой грязи инструмент вынимают и очищают забой посредством обыкновенной американской желонки.

Бурение скважин

Буровой инструмент для канатного бурения состоит из долота, расширителя, ударной штанги, яса и канатного переводника (ропсокета). Долото, расширитель и ударная штанга весьма сходны с инструментами, применяемыми при бакинском штанговом бурении, и разница существует только в отдельных размерах и нарезках соединений. Употребление яса необходимо во всех случаях, когда происходит некоторое передвижение инструмента относительно каната, например при подпрыгивании инструмента во время выдергивания его из породы, при перепуске каната во время долбления и т. д. Кроме того звук, издаваемый звеньями яса при ударе друг о друга во время долбления, дает ключнику необходимые указания для регулирования длины каната посредством уравнительного винта.

Бурение скважинСамая верхняя часть инструмента, ропсокет, представляет собой замок, соединяющий жестко буровой канат с ясом (фиг. 36). Ровно отрезанный конец бурового каната вводится через узкую часть конического отверстия замка, пряди слегка расплетаются, и некоторые проволоки в них загибаются для образования утолщения, которое затягивается обратно и заклинивается в коническом отверстии. Для надежности этот узел заливают через широкое отверстие расплавленным баббитом.

В Грозненском районе применяют круглые канаты из проволоки тигельной стали с пеньковой сердцевиной в прядях и в самом канате. Диаметр каната 30 мм, диаметр проволок 1,6 / 1,88 / 2,1 мм, число прядей - 6, число проволок в пряди от 19 до 24. Проволока свита в пряди налево, а пряди свиты в канат направо, для того чтобы при вращении каната вправо во время долбления он не раскручивался. Вес 1 м каната около 4 кг. Тигельная сталь, из которой делается проволока, должна иметь временное сопротивление на разрыв не меньше 160 кг/мм2. Срок службы талевого каната около 1 года при хорошем уходе и постоянной смазке. Расход бурового каната около 2 м на 1 м проходки. Для чистки скважины применяют канат диаметром в 18—20 мм (3/4 или 7/8 дм.), навиваемый на отдельно установленный от бурового станка тартальный барабан. Иногда бурение ведут на канате из манильской пеньки, диаметром в 50—75 мм. Расход такого каната выражается в 6—8 м на 1 м проходки.

В Америке в устойчивых породах бурят без расширителя, одним долотом, и когда достигают определенной глубины, сразу спускают колонну труб для крепления стенок скважины и закрытия верхних вод от нижележащих нефтяных пластов. В менее устойчивых породах, например в Грозном и особенно в Баку, где требуется немедленное вслед за проходкой крепление стенок скважины, одновременно работают долотом и расширителем. В Америке при таких породах обычно проходят некоторое пространство одним долотом, затем расширяют его и тогда уже спускают в расширенное место обсадные трубы. Для крепления скважин при канатном бурении в Грозном и Баку применяются клепаные железные трубы, а при необходимости закрытия воды - винтовые герметичные трубы. В Америке вследствие малых диаметров скважин употребляются только винтовые герметичные трубы. Для закрытия воды при канатном бурении б. ч. применяют т. н. способ задавливания башмака в глину с нижней пробкой. Перед задавливанием водозакрывающей колонны в нерасширенное место ее приподнимают на несколько метров, забрасывают почти до самого башмака хорошо промятую пластичную глину, спускают под башмак на канате особую деревянную пробку, закрывающую башмак снизу и не пропускающую глину в трубы, и начинают давить колонну труб вниз. При этом глина из-под башмака выдавливается пробкой в затрубное пространство и после задавки башмака в нерасширенное место образует в затрубном пространстве водонепроницаемое соединение между трубами и породой. Для дальнейшего углубления скважины пробка вырубается.

Поломка инструмента и оставление его в скважине случаются при канатном бурении гораздо реже, чем при штанговом бурении, что значительно уменьшает ловильные работы, да и сами ловильные работы здесь занимают много меньше времени, т. к. производятся большей частью на канате, а не на штангах. Быстрый подъем и спуск инструмента, более интенсивный удар долота о забой и меньшая затрата времени на ловильные работы значительно ускоряют проходку скважин канатным способом по сравнению с штанговым. Результатом этого являются большие выходы колонн, что в свою очередь дает возможность начинать скважины трубами меньших диаметров, чем при штанговом бурении. Все это значительно удешевляет стоимость скважины, пробуренной канатным способом. Эти преимущества сделали канатный способ бурения нефтяных скважин самым распространенным. Так, из нескольких сотен тысяч скважин, пробуренных в Америке, две трети пройдены канатным ударным бурением. Особенно удобен этот способ для разведочных работ, при которых большею частью применяются передвижные станки, например, автомобильные станки системы Стар, Кейстон и др. Во всех этих станках имеется четырехколесная прочная железная рама, на которой укреплены трубчатый паровой котел, паровая машина, буровой станок и высокая мачта с роликом наверху, заменяющая при бурении буровую вышку; через этот ролик перекидывают буровой канат, идущий с инструментального вала. Подвижными станками можно бурить скважины с начальным диаметром несколько меньшим, чем станками стационарного типа, но обычно разведочные скважины и не начинают большими диаметрами. Подобные станки большею частью передвигаются при помощи той же паровой машины, которая служит для буровых работ, причем скорость передвижения колеблется от 3 до 6 км в час. Паровые котлы работают при давлении 12—15 atm. Мощность паровых машин 10—25 НP в зависимости от типа станка.

Работы по бурению нефтяных скважин канатным способом ведутся непрерывно круглые сутки, в три смены. Каждая смена состоит из ключника, тормозчика и двух рабочих. Заработная плата такая же, как и при штанговом бурении. В общем, грозненские скважины, пробуренные канатным способом, обходятся дешевле бакинских штанговых. Скважина глубиной в 300 м по довоенным расценкам стоила около 25000 руб., глубиной в 600 м - 100000 руб., в 800 м - 150000 руб. и, наконец, глубиной в 1300 м - около 250000 руб. Скорость проходки канатным бурением превосходит приблизительно в полтора раза скорость ударного штангового бурения. Особенно сказывается это преимущество при более глубоком бурении.

II. Бурение с промывкой забоя.

К этой группе бурения относятся: 1) ударное на непрерывной штанге (способ Фовелля), 2) ударное на непрерывной штанге быстроударными станками, 3) вращательное стальной и дробовой коронками, 4) вращательное долотом с промывкой забоя глинистым раствором, 5) вращательное алмазной коронкой и, наконец, 6) турбинное (турбобур инженера М. А. Капелюшникова).Бурение скважин

  1. Ударное бурение на непрерывной штанге пригодно для неглубокого бурения во всех породах и в особенности при прохождении пород песчаных, плывучих и глинистых, содержащих газы и дающих так называемые пробки. Долото при этом способе имеет вид лопатки с боковыми перьями и снабжено каналами для пропуска струи промывочной воды к лезвию. Для расширения скважины применяют расширитель типа Фаука, но только с центральным отверстием для пропуска жидкости. Промывочная жидкость накачивается ручным или приводным насосом. Такое бурение может применяться для глубин не более 200—250 м в виду быстрого износа трубчатых штанг, непосредственно воспринимающих удары долота о забой.
  2. Ударное бурение на непрерывной штанге быстроударными станками. При бурении станками «Рапид», «Раки» и др. долото с расширителем и ударной штангой также присоединяется непосредственно к трубчатым штангам, но для уменьшения вредного действия, оказываемого на штанги ударами долота о забой, штанги подвешиваются к балансиру (фиг. 37 и 38), лежащему на упругих пружинах, так что при низшем положении балансира долото немного не достает до забоя. Балансиру дают значительное число качаний, до 180 в минуту, при небольшом подъеме в 80—250 мм. При каждом качании, в момент низшего положения балансира, штанги, вследствие развившейся значительной живой силы, сжимают балансирные пружины, и долото ударяет о забой. Вслед за ударом долота давление на пружины ослабевает, они поднимают балансир в прежнее положение и натягивают штанги. Дальнейшее движение головки балансира вверх поднимает инструмент с забоя. Число пружин под балансиром меняется в зависимости от глубины и веса штанг и инструмента. Этот способ пока не получил большого распространения, хотя проходка в отдельных случаях шла гораздо скорее, нежели, например, при канатном способе. Так, в Баку одна скважина глубиной в 700 м была пройдена со средней скоростью 9 м в сутки, причем в отдельные дни проходка составляла 25 м (в глинах и песках); в Вестфалии в меловых мергелях производительность станка доходила до 250 м в сутки.Бурение скважин
  3. Вращательное бурение стальною и дробовою коронками применяется: стальной коронкой в породах мягких и средних, дробовой -  в твердых. Бур Каликс-Девис (фиг. 39) состоит из зубчатой стальной коронки и стальной толстостенной колонковой трубы почти одинакового диаметра с буримой скважиной. Колонковая труба при помощи переводника а соединяется с полыми штангами. Зубья коронки разведены в разные стороны так, что она высверливает кольцевой желоб большей ширины, нежели диаметр самой коронки и колонковой трубы, оставляя в середине нетронутый столбик породы. Промывочная жидкость, которая накачивается в штанги, проходит между столбиком породы и внутренней стенкой колонковой трубы, вымывает с кольцевого забоя размельченную породу и выносит ее вверх по кольцевому пространству между стенками скважины и колонковой трубой. Такая коронка с успехом применяется при бурении в глинах, сланцах, песчаниках и т. п. Для бурения в твердых породах применяется дробовая коронка (фиг. 40), представляющая собою стальной цилиндр с узким прорезом у нижней кромки. Закаленная стальная дробь (диаметром 2,5—10 мм), подаваемая с поверхности вместе с промывочной жидкостью, проходит на дно скважины под колонку и при вращении последней разбуривает породу. Бур Калике-Девис применяется при бурении скважин диаметром от 100 до 250 мм.Бурение скважин
  4. Вращательное бурение с промывкой забоя глинистым раствором получило в конце прошлого столетия широкое распространение в США (в Н. Орлеане и Луизиане) при бурении скважин для добычи воды. С 1911 г. этот способ широко распространился по всем нефтеносным районам Америки, гл. обр. в западной части США, где почти полностью вытеснил канатный способ. Значительное распространение его наблюдается в последние годы и в главнейших районах Союза - Бакинском и Грозненском. В то время как до национализации нефтяных промыслов (1920 год) этим способом было пробурено в Баку и Грозном лишь несколько скважин, с 1921 г. этот способ начал вытеснять штанговое ударное бурение в Баку и канатное - в Грозном. В 1925/26 г. проходка этим способом в Баку достигает 53%, а в Грозном - 23% от всей годовой проходки. К началу 1927 года в Северной  Америке было в работе свыше 10000 вращательных станков, в Баку же число их доходило до 200, а в Грозном до 25. Это значительное развитие вращательного бурения объясняется быстротой работы и дешевизной этого способа. С 1911 по 1926 год в Северной Америке этим способом было пробурено около 50000 скважин, средней глубиной свыше 600 м. При вращательном бурении порода высверливается специальными быстро вращающимися долотами, срезающими ее своими острыми кромками или дробящими ее (при твердых породах) зубьями шарошек. Эти долота получают движение от вращения колонны трубчатых штанг, так называемых бурильных труб, диаметром 65—150 мм. По этим трубам при бурении накачивают глинистый раствор, который через отверстие в долоте поступает к забою и, двигаясь обратно вверх между штангами и стенками скважины, уносит с собой на поверхность измельченную долотом породу. Для крепления стенок скважины обсадными трубами штанги с долотом извлекаются из скважины, а затем уже спускаются обсадные трубы. Дальнейшее углубление скважины может продолжаться меньшим диаметром. Этот способ показал особую успешность в очень рыхлых и мягких породах, дающих обвалы и представляющих поэтому большие трудности при ударном бурении. Однако в последнее время с применением дисковых и особенно шарошечных долот этим способом проходятся довольно легко и твердые породы. Экономичность этого способа обусловливается как дешевизной самих буровых работ, так и уменьшением на 50% и больше стоимости крепления стенок. Последнее достигается большими выходами колонн труб из предыдущего башмака, до 600—800 м. Например, при ударном штанговом бурении скважину, глубиной в 800 м, начинают трубами диаметром в 1,2 м и, спустив от 12 до 16 колонн, заканчивают трубами в 300 или 250 мм; при ударно-канатном способе ее начинают трубами в 550—650 мм и, спустив 6—8 колонн труб, заканчивают скважину трубами в 250—200 мм; при вращательном же способе начинают с 400 мм и при двух или, редко, трех колоннах труб заканчивают 200 или 150 мм. Далее одним из крупных достоинств этого способа является глинизация стенок скважины промывочным раствором, служащая во многих случаях хорошим тампонирующим средством. К недостаткам этого способа бурения относится трудность точного определения проходимых пород, которые размельчаются долотом и смешиваются с раствором глины. В последнее время буровые техники обратили на это внимание, и уже имеется несколько приспособлений для отбора пород с забоя, но все эти способы связаны с затратой значительного времени и уменьшением скорости проходки. С усовершенствованием способов отбора пород вращательное бурение с промывкой можно будет с успехом применять и к разведочному бурению, что значительно удешевит и ускорит эти работы. Другим недостатком этого способа является легко получающееся искривление скважины при крутом падении пластов и в твердых породах. Это обстоятельство, затрудняющее тампонаж скважины, является иногда причиною отказа от рассматриваемого способа. При вращательном бурении с промывкой затрата энергии на единицу проходки меньше, нежели при ударном штанговом или канатном бурении, т. к., во-первых, самый процесс разрушения породы (соскабливание ее долотом или дробление шарошками) требует меньшей затраты силы, чем при откалывании долотом, а во-вторых, потому, что долото всегда работает на чистом, промытом забое. Большая скорость вращательного бурения по сравнению с ударным объясняется тем, что не приходится тратить время, на чистку забоя. Кроме того глинизация стенок скважины и непосредственное давление столба раствора (удельный вес 1,1—1,4) предотвращают обвалы пород, и поэтому можно крепить скважину после прохождения 600—800 м.

При бурении скважин вращательным способом, как и при ударном способе, сначала сооружают буровую вышку и устанавливают буровой станок; при бурении неглубоких разведочных скважин применяют специальные буровые станки с мачтами, которые выполняют роль вышки и несут на верхнем конце подъемный ролик. Устанавливают также мешалки для глинистого раствора, отстоечные приспособления для очистки раствора от песка и так называемые грязевые насосы для накачивания этого раствора в скважину.

Вращательные буровые станки в существенных частях все сходны между собой и различаются только конструкцией отдельных деталей. Они состоят из: а) главного трансмиссионного вала, б) лебедки, которая связана посредством цепной передачи с главным валом и служит для подъема и спуска инструмента и обсадных труб, и, наконец, в) вращательного стола, передающего вращение при помощи цепи от главного вала колонне буровых штанг и долоту. На главном трансмиссионном валу насажены зубчатые колеса для цепей Галля: одно - для соединения с двигателем, несколько колес (1—3) - для сообщения различных скоростей подъемному барабану лебедки и одно - для движения вращательного стола. Иногда на главный вал насаживают зубчатое колесо для передачи движения глиномешалке. Движение от вала передается цепям Галля специальных, очень прочных, конструкций. На обоих концах главного вала, выступающих за стойки, наглухо насажены две катушки, служащие для подтягивания в башню с помощью перекинутого через них пенькового каната различных тяжестей, а также для свинчивания и развинчивания буровых штанг и обсадных труб. Ниже трансмиссионного вала лежит вал подъемного барабана лебедки. С обеих сторон этого барабана на одном с ним валу насажены зубчатые колеса (цепные звездочки) (одна, две или три), которые при помощи бесконечных цепей соединяются с соответствующими зубчатыми колесами трансмиссионного вала и служат для перемены скоростей. Подъемный барабан состоит из двух чугунных или стальных шайб и наглухо зажатого между ними клепаного или литого цилиндра, диаметром 0,3—0,4 м и длиной 0,9 —1,8 м, на который наматывается талевой канат. С шайбами барабана непосредственно соединены две тормозных шайбы с ленточными тормозами, с деревянными или из прессованного асбеста колодками. Оба тормоза управляются одной рукояткой. Длина барабана зависит от глубины скважины.

Вращательный, или поворотный, стол (вращатель), устанавливаемый над устьем скважины, служит для вращения колонны буровых штанг с долотом во время бурения, а в некоторых новейших конструкциях станков, кроме того, для свинчивания и развинчивания штанг и обсадных труб. Он состоит из литой чугунной или стальной станины, укрепленной на шахтовых брусьях. На станине лежит поворотный круг. Горизонтальный вал приводится во вращение от главного трансмиссионного вала цепной передачей или валом с коническими шестернями. Малая шестерня поворотного круга соединяется с валом при помощи кулачной муфты. На верхней части поворотного круга имеется приспособление, снабженное стальными роликами для зажима буровых штанг. Зажимное приспособление м. б. легко снято с поворотного круга, когда необходимо пропустить через центральное отверстие станины предмет большего размера. В виду того, что зажимные ролики своими острыми кромками сильно портят буровые штанги, в станках новейших конструкций это приспособление изменено. Для этого верхней, т. н. ведущей трубе, или штанге, которая во время бурения зажата роликами, придают форму квадратного сечения со стороной квадрата в 150 мм или же берут толстостенную трубу круглого сечения с толщиною стенок в 50— 60 мм и на ней фрезером накрест выбирают четыре борозды, так что получается крестообразное сечение. Длина таких ведущих штанг достигает 12 м. Эти штанги зажимаются особыми клиньями, входящими в соответствующие углубления в поворотном круге. Во время бурения такая штанга, приводимая столом во вращение, может свободно опускаться по мере углубления забоя. Недостатком этого приспособления является то, что им нельзя вращать также обсадные трубы, и для этого необходимо иметь особые приспособления. В последних конструкциях делают подвижную часть стола двойной, причем эти половины вращаются в одну сторону во время бурения и в разные стороны при свинчивании и развинчивании колонны штанг и труб. В настоящее время изготовляют столы разных размеров (380, 400, 500, 600 и 650 мм) в зависимости от диаметра труб верхней колонны.

Двигатели, применяемые при вращательном бурении д. б. приспособлены для реверсивного хода и изменения числа оборотов. Широкое применение в последнее время начали получать электродвигатели с переменной скоростью. Обычно устанавливают для бурового станка электромотор в 75 НР и для грязевых насосов в 50 НP. Наиболее распространенным двигателем для вращательного бурения является реверсивная паровая машина, по большей части одноцилиндровая, редко - двухцилиндровая, мощностью в 30—45 НP; в этом случае применяют и паровые насосы. Бурильщики дают предпочтение паровой машине перед другими двигателями, потому что она допускает большую временную перегрузку, что часто требуется при буровых работах; кроме того, она дает наибольшую гибкость в скоростях, а главное - обеспечивает от внезапных остановок и перерывов в работе насосов во время бурения, когда инструмент спущен в скважину.

Для непрерывного накачивания глинистого раствора обычно устанавливаются два насоса, чтобы не останавливать циркуляции раствора при порче или ремонте одного из них. При паровой силе устанавливают для подачи раствора паровые сдвоенные насосы с производительностью от 400 до 800 л в минуту, с рабочим давлением до 25 atm. Обычно при нормальной работе это давление держится в пределах 5—8 atm, но в случае обвала или для захвата инструмента применяют повышенное давление до 20—25 atm и выше. При применении электрической энергии для бурения грязевые насосы приводятся в действие электромоторами при помощи ременной или цепной передачи. В последнее время изготовляют также насосы, у которых электромотор устанавливается при самом насосе и соединяется с ним зубчатой передачей. Выкидные линии обоих грязевых насосов соединяются в одну общую линию, которая заканчивается стояком, высотой около 5 м, прикрепленным к стенке буровой башни. К верхнему концу стояка прикрепляется гибкий резиновый шланг, другой конец которого соединяют с наконечником вертлюга, навернутого на верхний конец колонны буровых трубчатых штанг. Длина гибкого шланга 10—12 м, при диаметре 50—75 мм. Глинистый раствор, накачиваемый так. обр. через стояк, гибкий шланг и вертлюг, поступает в скважину у забоя через отверстия, имеющиеся специально для этой цели во всех буровых инструментах, применяемых при этом способе бурения. Захватив размельченную долотом породу, раствор выливается на поверхность из скважины в систему деревянных желобов, в которых он освобождается от песка и других твердых частей, оседающих на дно, и попадает в приемный чан с опущенными в него приемами насосов. Для изготовления глинистого раствора устраивают специальные глиномешалки. Наиболее простой тип глиномешалки - паровая. Она состоит из деревянного ящика, по дну которого проложены трубы диаметром в 50 мм с отверстиями в З мм для выхода пара. Пар, выходя из этих отверстий, размешивает глину с водою очень быстро. Кроме этой конструкции применяют еще механические глиномешалки с приводом от главного вала бурового станка. Для раствора употребляют глину, без примеси песка, имеющую способность долго оставаться в воде во взвешенном состоянии. Удельный вес применяемого раствора изменяется от 1,1 до 1,4. При прохождении мощных глинистых отложений можно вводить в скважину не глинистый раствор, а чистую воду, в которой растворяется измельченная при бурении глина. При прохождении же крупнозернистых песков и пористых пород, наоборот, необходимо качать в скважину более густой раствор. При необходимости закрытия глиной какого-либо пласта, в скважину сначала вводится жидкий раствор, а затем качают более густой раствор, который осаждается на стенках в виде тонкого слоя глины. При прохождении рыхлых и сыпучих песков и плывунов необходимо также подавать густой раствор глины. Надлежащая консистенция раствора избавляет бурильщика от многих осложнений и увеличивает выходы колонн обсадных труб.

Перед началом бурения прежде всего в центре дна шахты вырывают, насколько возможно глубоко, круглую яму, в которую устанавливают кондуктор. Затем нижнюю часть шахты закладывают бутовым камнем и бетонируют, образуя основание для хомутов обсадных труб. Верхняя часть кондуктора доходит до самого пола вышки. На небольшом расстоянии от пола (0,2—0,3 м) в трубе кондуктора прорезается сбоку отверстие, к которому присоединяется отвод из 125—150 мм трубы для стока грязевого раствора. В мягких и размывающихся породах кондуктор иногда спускают на значительную глубину (20—50 м), с целью предотвратить размыв пород грязевым раствором вокруг шахты.

Бурение скважинБурение скважинПри бурении в мягких породах применяется плоское долото (фиг. 41) с острыми слегка загнутыми в сторону вращения кромками, получившее в Америке благодаря своей форме название «рыбий хвост» (fishtailbit). Это долото отковывают из специальной инструментальной стали. Иногда «рыбий хвост» заменяют пикообразным долотом (фиг. 42). Для более твердых пород применяют долота с режущими дисками (см. фиг. 43) и, наконец, для очень твердых пород - долота с катящимися конусами-шарошками. Из последних наиболее распространено долото типа Шарп-Юза (фиг. 44); оно состоит из двух свободно вращающихся конусов, сидящих на пальцах стального корпуса. Конусы имеют профрезированные по всей поверхности зубья, которые при вращении долота откалывают с забоя мелкие кусочки породы. Иногда сбоку корпуса устанавливаются вертикальные шарошки, которые обрабатывают стенки скважины. Все трущиеся части долота автоматически смазываются. Долота присоединяются к штангам при помощи специальных муфт, так называемых удлинителей. Буровые трубчатые штанги, соединяемые муфтами на резьбе, изготовляются из бесшовных труб, с диаметром в 65, 75, 100, 125. и 150 мм, из хорошей стали, с высаженными концами, во избежание ослабления при нарезке. Бурение скважинЧтобы не портить резьбу у штанг при отвертывании и свертывании их при спуске и подъеме инструмента, их собирают отдельными звеньями из 3-4 труб, так называемыми свечами, и концы таких свеч снабжают специальными замками с конической резьбой (фиг. 45), в которых и производится свинчивание и развинчивание инструмента при спуске и подъеме. Длина таких свеч достигает 6 м.

Спуск и подъем штанг производится при помощи талевого блока; к нижним серьгам последнего прикреплен разъемы, хомут, так называем, элеватор (фиг. 46), который и служит для подвешивания штанг. Бурильщик поднимает талями элеватор к верхним концам свеч, а рабочий, стоящий на верхних полатях, заводит элеватор под замок свечи, закрывает его, и свеча при дальнейшем подъеме подвешивается на талях. Рабочий, стоящий у устья скважины, подводит нижний конец свечи к муфте долота или удлинителя, и когда бурильщик слегка опускает штангу, ее конец заходит в муфту, после чего рабочие завертывают штангу в муфту и закрепляют соединение. Бурение скважинКогда при опускании долота со штангой элеватор почти подойдет к столу вращателя, буровую штангу закрепляют в столе клиньями, затем снимают элеватор, и бурильщик поднимает его кверху за следующей штангой. Когда долото почти достигнет забоя, на буровые штанги навертывают ведущую штангу, а на нее вращающийся сальник - вертлюг (фиг. 47), который состоит из двух частей: нижней - толстостенной трубы с фланцами и сальником, которая ввинчивается в муфту ведущей штанги и вращается при бурении вместе с колонной буровых штанг, и верхней - отвода, закрепленного в сальнике, который при вращении штанг остается в покое. Этот отвод соединяется со свободным концом гибкого шланга, идущего от грязевого насоса, и через него перекачивается глинистый раствор. В верхней части вертлюга имеется серьга, при помощи которой колонна штанг подвешивается к талевому блоку. Закрепив ведущую штангу, бурильщик пускает в ход грязевой насос и, когда раствор начинает переливаться из скважины, включает цепную передачу от главного вала к столу, заставляя последний вращать всю колонну буровых штанг с долотом, со скоростью 70—120 об/м. Вместе с тем бурильщик медленно спускает инструмент до забоя, разбуривая в первое время осевшую во время подъема и спуска инструмента пробку. Во все время бурения необходимо держать инструмент на весу, лишь слегка нажимая долотом на породу, чтобы долото снимало стружку только такой толщины, при которой штанги не испытывали бы большого крутящего момента. В начале бурения вес штанг бывает незначителен, и долото приходится ставить на забой, чтобы получить достаточный эффект, но, по мере углубления скважины, вес колонны штанг увеличивается, и ее приходится тормозить и держать на весу.

Бурение скважинУспех бурения всецело зависит от равномерности подачи инструмента и от соответственной нагрузки штанг. Если тормоз будет ослаблен больше, чем следует, то долото врежется глубоко в породу, нагрузка на штанги возрастет, и штанги могут сломаться. Поэтому в последнее время техники стараются исключить влияние бурильщика на ход долота и ввести автоматическую подачу. Так, при работе электродвигателем устанавливают автоматические выключатели, останавливающие мотор при чрезмерной нагрузке на штанги; в Америке применяется также автомат Хилда, регулирующий нагрузку на долото в зависимости от свойств породы; у нас в Баку применяется подобное же приспособление инженера М.М. Скворцова. Бурение скважинИзвестны примеры, когда при бурении скважин глубже 2000 м автоматом Хилда не было ни одной аварии из-за перегрузки штанг. Для предупреждения скопления больших кусков породы выше долота и захвата ими инструмента бурильщик через определенные промежутки времени, например каждые 0,25 ч., приподнимает инструмент на 0,5—1 м, не останавливая вращения, и медленно проходит это место до забоя. Для крепления применяют исключительно винтовые, т. н. американские, сварные или бесшовные трубы. В целях экономии диаметры колонн и толщину стенок труб подбирают так, чтобы вес колонн был наименьшим. Обычно в Америке скважины заканчиваются при диаметре в 165 или 112 мм (6 1/2 или 4 1/2 дм.), у нас же, в Баку и Грозном—при 250, 200 и 150 мм (10, 8 и 6 дм.), оставляя 150 и 100 мм (4 дм.) в запасе на случай каких-либо неполадок. Начальный диаметр труб подбирают в зависимости от глубины скважины и числа водозакрывающих колонн. В Америке лишь очень редко применяют трубы с диаметром больше 400 мм; наиболее употребительны: 318, 267, 210, 159, 114 мм (12 1/2, 10 1/2, 8 1/4, 6 1/4 и 4 1/2 дм.), реже - 168 и 132 мм (6 5/8 и 5 3/16 дм.). В Баку и Грозном для этих же целей применяют обычные у нас винтовые трубы, диаметром от 500 до 100 мм, с интервалами через 50 мм. Чтобы ускорить спуск колонн и тем обеспечить бурение от образования обвалов и пробок, обсадные трубы также заранее свертывают в колена по 2 или 3 трубы и в таком виде укладывают возле буровой. Бурение скважинПри спуске сначала затаскивают в буровую колено с навернутым на нижней части его башмаком, подхватывают его специальным элеватором и спускают в шахту, где и ставят на клиньях на зажимной хомут, или спайдер (фиг. 48), лежащий на дне шахты на фундаментных брусьях. Затем элеватор освобождают и подхватывают им второе колено, поднимают его и завертывают нижний его конец в муфту ранее спущенного колена. Когда трубы хорошо соединены, их слегка приподнимают, чтобы освободить клинья подкладного хомута, и спускают колонну вниз до тех пор, пока элеватор и муфта навернутого колена не поравняются со столом вращателя. Спуск останавливают, колонну заклинивают, элеватор освобождают и опять посылают его за новым коленом. Спуск труб идет очень быстро: обычно колонну 200 или 250 мм труб, длиною в 700—800 м, успевают спустить за 3 вахты, т. е. в 24 часа. Иногда во время спуска колонна застревает, не дойдя до места («колонну захватывает»), и интенсивная прокачка глинистого раствора ее не освобождает. Тогда ставят под хомуты гидравлические домкраты и стараются ими поднять трубы, чтобы освободить их от захвата породой. Часто во время такого захвата трубы сминает и их следует исправить; если же исправить не удается, то их обрезают немного выше испорченного места, верхнюю часть вынимают, спускают специальный деревянный клин, обращенный толстым концом вниз, затем спускают на штангах пикообразное долото и стараются выйти скважиной в сторону от испорченного места и затем уже спустить в новую скважину предполагаемую колонну обсадных труб. Для предупреждения захвата труб перед спуском их проверяют скважину длинным долотом (3—3,5 м) с параллельными боковыми гранями, которыми и срезают все неровности стенок скважины. Трубы спускают в скважину, наполненную глинистым раствором, который после задавки или цементировки башмака остается в затрубном пространстве и является тампонирующим средством. Кроме того, глинистый раствор, остающийся в затрубном пространстве, способствует тому, что трубы не застаиваются и м. б. в случае необходимости извлечены из скважины. Для того чтобы раствор не вышел из затрубного пространства после спуска колонны труб, создают между башмаком колонны и стенками скважины плотное соединение при помощи затрубной подбашмачной заливки или, снабдив трубы сальником, залавливают башмак в водонепроницаемую породу (глину). Для задавки труб обычно выбирают мощные пласты глины, содержащей возможно меньше песка. Задавка будет тем лучше, чем плотнее соприкосновение между трубами и стенками скважины и чем больше протяжение этого соприкосновения.

Нормальное бурение производят долотом, ширина которого больше наружного диаметра труб и башмака по крайней мере на 25 мм. Поэтому для получения плотного соприкосновения труб с породой, перед задавкой пробуривают в глинах ступенчатое отверстие, меньшего диаметра, чем наружный диаметр труб, сначала на 15, затем на 25 и, наконец, на 50 мм, и в это отверстие залавливают колонну труб. Башмак с острыми кромками врезается в этом случае в породу и, обрезая края скважины, проходит вниз до тех пор, пока трение труб о породу не остановит колонну. Если глины, в которые задавливается башмак, пластичны, неломки, не разбухают от воды и не размываются, то получается очень плотное соединение.

В последнее время обязательным условием хорошего тампонажа признается цементировка скважин. Цементировка нижней части затрубного пространства, иногда на высоту 100—200 м, производится заполнением этого пространства раствором цемента, накачиваемым или через обсадные трубы или через специальные трубы, спускаемые внутрь обсадных. В Америке наиболее распространена цементировка по способу Перкинса; у нас применяют подбашмачную цементировку с помощью фонаря. Способ Перкинса заключается в том, что скважину подготовляют к тампонажу, как для обычной задавки, и устанавливают через специальную крышку, укрепленную на обсадных трубах, циркуляцию глинистого раствора через затрубное пространство. Затем спускают в скважину на поверхность глинистого раствора деревянную пробку с кожаной манжетой и накачивают насосом в скважину, поверх этой пробки, намеченную порцию раствора цемента. Пробка под давлением столба цемента опускается, вытесняя глинистый раствор из труб через затрубное пространство на поверхность. Когда вся порция цемента будет налита в скважину, кладут вторую пробку с кожаной манжетой, навертывают на устье скважины крышку и через нее под давлением начинают накачивать насосом глинистый раствор, вследствие чего столб цементного раствора между двумя пробками начнет опускаться вниз. Когда нижняя пробка дойдет до забоя, цемент из труб начнет вытеснять глинистый раствор из затрубного пространства вверх, а сам будет занимать его место. Это происходит до тех пор, пока верхняя пробка не дойдет до нижней и весь цемент не войдет в затрубное пространство. Пробки подбираются такой длины, что, когда верхняя пробка дойдет до нижней, кожаная манжета первой, завернутая кверху, должна остаться в трубах и тем сразу остановить движение жидкости к забою (это видно на манометре насоса, накачивающего глинистый раствор в скважину). В этот момент останавливают накачивание жидкости, колонну труб спускают в нерасширенное место и затем задавливают в него башмак, отделяя таким образом цементный раствор в затрубном пространстве от забоя скважины. После цементировки скважину оставляют в покое на некоторое время (14—28 дней), чтобы дать цементу окрепнуть, а затем высверливают пробки и продолжают буровые работы, испытав предварительно результаты закрытия воды понижением уровня раствора в скважине. Иногда применяют одну верхнюю пробку, а иногда цементируют совершенно без пробок, выдавливая цемент столбом воды или глинистого раствора. Применяемая в Баку фонарная подбашмачная заливка состоит в том, что в спущенную почти до забоя колонну труб спускают на 40 или 50 мм цементировочных трубах деревянный фонарь с верхней манжетой, который устанавливают на забой так, что верхняя часть его остается в трубах. На фонарь насыпают пробку из глины и песка, высотою от 20 до 30 м, и затем заливают через цементировочные трубы положенную порцию цементного раствора (от 30 до 50 бочек). Раствор, попав в фонарь, вытесняет глинистый раствор сначала из него, а затем и из нижней части затрубного пространства, поднимаясь иногда на 50—75 м выше башмака. Когда вся партия цемента залита, отвертывают цементировочные трубы от фонаря (они соединяются с последним левой резьбой) и поднимают их, причем остающееся в крышке фонаря отверстие закрывается специальной пробкой. Трубы промывают и вынимают из скважины, а последнюю оставляют в покое на 3—4 недели, после чего вырубают фонарь и продолжают буровые работы. Все способы закрытия воды требуют большой тщательности в выполнении отдельных операций; несмотря на безукоризненность выполнения их, тампонаж часто не удается, и его приходится повторять, а иногда даже вследствие повторных неудач забрасывать скважину, вынув обсадные трубы и затрамбовав ее глиной или же залив раствором.

При бурении скважины, особенно при разведках, необходимо иногда получать образцы пород, которые давали бы точное представление о проходимых на данной глубине породах. Кусочки измельченной породы, выносимые глинистым раствором на поверхность с различных глубин, перемешиваются между собою и не дают полной картины разреза скважины. Некоторым, но весьма недостаточным указанием служит ощущение, испытываемое бурильщиком, стоящим на тормозе, при прохождении различных пород. Наиболее же достоверным способом получения разреза скважины является подъем с забоя неразрушенных колонок пород. Это производится ординарными или двойными колонковыми бурами. Наиболее простой ординарный бур представляет собой короткую трубу с длинными зубьями на конце, спускаемую на буровых трубчатых штангах. Этим буром осторожно выбуривают колонку длиною до 1 м, а затем сильно нажимают зубья на забой, отчего они загибаются и при подъеме штанг отрывают и выносят колонку на поверхность. Из двойных колонковых буров с успехом может быть применяем бур, употребляющийся для этой цели в алмазном бурении.

Операции по подъему колонок пород требуют большой затраты времени и сильно задерживают проходку. В Америке средняя скорость проходки при вращательном способе достигает 100 м на один станок в месяц; такой же скорости достигают и в некоторых районах Баку, например в Сураханах. Общая проходка в 1925/26 году была принята по тресту Азнефть в 69 м на один станок, а по тресту Грознефть - 74 м. В отдельных скважинах проходка достигает значительно больших размеров: например, в Сураханском районе нередко проходка достигает 350—400 м и больше на станок в месяц, а в Америке скважину в 230 м глубиной заканчивают в одни сутки. Средняя стоимость одного п. м скважины зависит в каждом отдельном случае от глубины скважины, конструкции крепления, успешности проходки, стоимости силовой энергии и т. д. Средняя стоимость одного п. м проходки для скважин Бакинского района в 1925/26 году принята в 170 руб., включая в эту сумму все расходы, т. е. стоимость оборудования буровых работ и крепления скважины. Средняя стоимость одного п. м скважины в Северной Америке исчисляется около 120 руб. Эту разницу нужно отнести за счет упрощенной конструкции крепления скважин и несколько более высокой средней проходки, обусловленной лучшим оборудованием и более высокой квалификацией буровых рабочих. Работы по бурению в Северной Америке, как и у нас, ведутся б. ч. в 3 смены. Состав смены: в Америке - 1 бурильщик и 3 рабочих, в Баку и Грозном - 1 бурильщик и 4 рабочих; на 2-3 буровых скважины - 1 буровой мастер.

5. Алмазное бурение. При вращательном алмазном бурении коронка, снабженная на нижнем конце алмазами, выбуривает кольцевую скважину так. обр., что центральная часть скважины вырезывается в форме цельного столбика. По мере опускания коронки, через каждые 2—8 м, бурение приостанавливают, штанги поднимают наверх и вместе с ними извлекают столбик, который представляет собой натуральный образец пройденных пород. Сложенные вместе в последовательном порядке эти столбики (колонки) дают точную картину пройденных скважиной пород. В виду быстроты и сравнительной дешевизны бурения этот способ получил большое распространение при разведке. Алмазное бурение дает возможность твердо установить наличие ископаемого, глубину и характер его залегания; оно получило особенное значение при разведках руды, а также угля; в последнее время оно стало применяться и при разведках на нефть. Кроме того, оно применимо и в инженерно-строительной практике для изысканий при тоннельных работах. Нужно, однако, иметь в виду, что алмазное бурение может с успехом применяться только для разведки твердых пород и гл. образ, пород однородной твердости. В породах неравномерной твердости, в трещиноватых и сыпучих породах оно непригодно. Для разведочных работ в отдаленных и труднодоступных местностях алмазное бурение весьма удобно благодаря портативности бурового станка. Особенно выгодно оно для бурения неглубоких скважин с целью определения глубины залегания различных точек при составлении пластовых карт месторождения. Для этой работы применяются легкие переносные станки, которые приводятся в движение газолиновым двигателем.

Для алмазного бурения применяются ручные и приводные станки. Нагнетательный насос для промывки забоя устанавливается б. ч. отдельно от станка, для того чтобы промывка могла продолжаться и при остановке станка. В качестве подъемного сооружения при алмазо-бурильных станках служат или простая бревенчатая тренога или небольшая вышка с сараем, и в редких случаях - железная тренога.

При работе станка штанги одновременно получают вращательное и поступательное вниз движение. Вращение производится при помощи зубчатых передач разных систем, для спускания же штанг по мере углубления забоя служит пустотелый шпиндель (патронная трубка), снабженный зубчатой, винтовой или гидравлической подачей и проходящий через втулку горизонтальной шестерни, от которой шпиндель и получает вращательное движение.

Одной из наиболее ответственных частей алмазо-бурильного станка является механизм для регулирования давления коронки на забой. Для успешности работы необходимо, чтобы на коронку, усаженную алмазами, действовало достаточно сильное давление, которое изменялось бы сообразно проходимым породам и глубине скважины. Для этого служат особые приспособления, которые можно подразделить на несколько групп: а) нагрузка на штанги производится непосредственно действующим на них грузом; б) нагрузка на штанги производится с помощью рычага с подвешенным к нему грузом; в) давление коронки на забой производится подачей пустотелого шпинделя, несущего штангу и снабженного винтовой нарезкой, при чем шпиндель и гайка, через которую он проходит, вращаются с неодинаковою скоростью (дифференциальная подача); г) давление на коронку производится гидравлическим способом. Наиболее совершенным является гидравлический способ, наиболее же простым и практичным нужно признать рычажный механизм, позволяющий легко производить разгрузку штанг и поднятие коронки над забоем. Непосредственная нагрузка штанг путем подвешивания груза имеет то неудобство, что при этом нагрузка на коронку может оказаться чрезмерной; дифференциальное же регулирование весьма сложно и в случае разнообразия проходимых пород представляет большие неудобства.

Бурение скважинБурение скважинРычажный регулятор давления изображен на фиг. 49. При помощи червяка и червячного колеса действие рычага с подвешенным грузом передается через звездочку и цепь на гребень а, соединяющий две втулки, надетые на шпиндель, в котором зажата штанга. Верхняя втулка при надавливании ее вниз нажимает своим фланцем на буртик шпинделя сверху; нижняя же втулка при надавливании снизу нажимает своим верхним фланцем на тот же буртик снизу. К гребню а присоединены концы бесконечной цепи. Последняя огибает две зубчатки b и с, из которых верхняя вращается свободно и служит для направления цепи, нижняя же насажена на вал d червячного колеса, которому передается действие рычага. Конец рычага, насаженный на вал d, свободен, но сцеплен с червячным колесом и, стремясь опуститься вниз, передает движение червячному колесу, а, следовательно, и звездочке с, которая помощью бесконечной цепи передает давление через гребенку а на штангу и, следовательно, на коронку у забоя. При сильном наклоне рычага его приводят в нормальное положение при помощи маховика е.

Станок Крелиуса. Типичным и наиболее распространенным станком с рычажным регулятором давления на коронку является станок Крелиуса (фиг. 50 и 51). На двух железных рамах, скрепленных между собою крестовинами, укреплены подшипники, на которых расположен сквозной вал с двумя шкивами по концам. Вращение производится при помощи двух взаимно перпендикулярных шестерен с винтовыми зубьями. Вертикальная шестерня навинчена на втулку горизонтального вала и может в случае необходимости вращаться на валу, если требуется бурить скважину под известным углом. Горизонтальная шестерня снабжена длинной втулкой N (фиг. 51), которая вставляется в чугунный патрубок М, расположенный в крышке кожуха и играющий роль подпятника для шестерни, причем для уменьшения трения применяется вращение на шариках. Через втулку N проходит патронная трубка О с продольным пазом по всей длине, шириной соответственно шпонке шестерни внутри втулки. Т. о. при вращении горизонтальной шестерни вращается и патронная трубка, которая может иметь также и поступательное движение вверх и вниз. В патронной трубке зажата винтами штанга Q, которая вращается, а также получает поступательное движение вместе с патронной трубкой.Бурение скважин

Цилиндр Т, обхватывающий снаружи патронную трубку, сцеплен двумя зубчатыми рейками с шестерней, на которую действует собачка, (расположенная в обхватывающей ее вилке, имеющей с шестерней общую ось вращения.

К боковой наружной поверхности вилки прикрепляется конец рычага с передвигающимся грузом. Передвиганием груза меняют давление на коронку.

Станки этой системы с теми или другими видоизменениями строятся многими фирмами. Иногда сверлильный аппарат, лебедки и насос монтируются на общей платформе.

Бурение скважинСтанок Войслава (фиг. 52) регулирует давление на коронку непосредственной нагрузкой на штанги. Он состоит из двух валиков а, а, снабженных рукоятками и  коническими шестернями b, b, которые сцепляются с конической шестерней с, насаженной на втулку d. Последняя укреплена в откидывающейся платформе f. В станках более поздней конструкции шарнирное соединение платформы с втулкой заменено прочной рамой, в верхнем отверстии которой вращается втулка d, а в боковых - валики а, а; снизу в ней имеется достаточно широкое цилиндрическое отверстие для бронзовой патронной трубки g. Последняя вместе с прилитой зубчатой рейкой, по ширине соответствующей пазу на втулке шестерни, проходит через втулку. Таким обр. вращательное движение шестерни передается патрон, трубке, которая вместе с тем может иметь во втулке и поступательное движение. Штанга пропускается через патронную трубку и закрепляется винтами h в верхней ее части. Следовательно, при вращении рукоятки происходит вращение штанги, при чем штанга вместе с патронной трубкой может свободно подниматься и опускаться. Откидная платформа может поворачиваться в вертикальной плоскости, и, таким образом, скважину можно бурить под желаемым углом.

Станки с дифференциальной подачей напоминают собой сверлильные станки для металла. Механизм дифференциальной подачи изображен на фиг. 53, Пустотелый шпиндель а с крупной прямоугольной нарезкой приводится в движение конической передачей. Втулка горизонтальной конической шестерни, вращающейся в неподвижном подшипнике е, снабжена тремя шпонками, входящими в соответствующие пазы шпинделя а. На нижнем конце втулки закреплено зубчатое колесо f, которое передает вращение шестерне i, расположенной на стержне I. Шестерня i свободно насажена на стержне I и прижимается к диску о при помощи пружины и гайки m. Натяжением гайки можно увеличивать или уменьшать силу трения и вместе с тем и податливость этого предохранительного устройства. Вращение зубчатки i передается стержню I и шестерне h, которая в свою очередь передает вращение шестерне g с длинной втулкой, снабженной гаечной резьбой, в точности отвечающей наружной резьбе шпинделя а. На нижний конец втулки b навернуто гаечное кольцо, скрепленное контргайкой. Бурение скважинМежду гаечным кольцом и подшипником d помещается кольцо антифрикционных шариков. Нарезка шпинделя а и гайки b левая; нижняя зубчатка f имеет 24 зуба, а зубчатка i- 25 зубьев. Т. к. при бурении, шпиндель с левой резьбой должен вращаться вправо, то для того, чтобы придать ему поступательное движение, гайка должна вращаться несколько быстрее. Поступательное движение шпинделя зависит от отношения зубьев у шестерен h и g. Обычно углубление коронки в очень твердых породах, например, в кварцитах, принимается в 0,042 мм на один оборот, в крепких, как например, в гнейсе, графите, порфире - 0,084 мм, а в породах средней твердости – мраморах, песчаниках и т. д. - 0,120 мм. Бурение скважинДля обратного поднятия шпинделя освобождают гайку m и закрепляют стержень I; при этом зубчатка g становится неподвижной, и так как гайка и шпиндель имеют левую нарезку, то шпиндель поднимается вверх. Для определения величины давления коронки на забой применяются специальные приборы - индикаторы.

Станки с гидравлической подачей строят многие крупные американские заводы. Из них наиболее распространены машины завода Сулливан. Фиг. 54 изображает гидравлический питательный механизм: А - гидравлический цилиндр, В - поршень, С - полый шток, укрепленный в поршне своей средней частью и проходящий через сальники в крышках цилиндра. Внутри штока С проходит полый вал J, а внутри последнего пропущена верхняя штанга Р, закрепленная на валу J гайкой L. Полый вал J соединен с поршневым штоком С при помощи цилиндрической коробки SS, нижняя крышка которой G навинчена на конец поршневого штока, а верхняя Н скреплена с ней болтами. Между верхней и нижней крышками коробки SS находится буртик I полого вала. Благодаря такому соединению поступательное движение поршня и штока вверх и вниз передает такое же движение валу, а вместе с ним и штангам. Полый вал кроме того может иметь вращательное движение, независимое от поршневого штока. Такое движение вал J получает от конической шестерни К. Во время перемещения поршня вниз и вращения вала буртик I давит вниз на нижний фланец, а при поднятии поршня буртик давит на верхнюю крышку. Для уменьшения трения между буртиками и крышками коробки имеются шариковые прокладки. На верхнем конце штанги P, проходящей через полый цилиндр, находится вертлюг Q, соединенный с рукавом насоса R. Вода поступает в питающий цилиндр через тройник Е и вытекает через другой тройник Е. От тройников идут трубки F, F, концы которых сообщаются с отверстиями в верхней и нижней крышках цилиндра. На трубках F, F имеются вентили 1, 2, 3, 4 для распределения жидкости. Регулирование движения штанг в этом механизме производится давлением воды на верхнюю поверхность поршня; давление измеряется манометром. Если порода твердая, и штанги опускаются медленнее, то давление в цилиндре увеличивается и тогда можно уменьшить приток воды; при встрече мягких пород коронка углубляется быстрее, давление падает, и тогда подкачку воды нужно увеличить. Алмазные станки Сулливана имеют распространение в СССР и в других странах. Специально для разведок на нефть спроектирован станок типа N (фиг. 55) для бурения на глубину 700 м, снабженный 46-см гидравлическим цилиндром и приводимый в действие газолиновым двигателем в 30 НP. Станок монтирован на жесткой стальной раме на колесном ходу, с широкими железными ободами. Самые большие станки Сулливана FK предназначаются для бурения на глубине до 1600 м. В Америке изготовляются также станки для алмазного бурения с двумя гидравлическими цилиндрами.

Давление на колонну при гидравлическом питании легко подсчитать, зная давление воды, указываемое манометром, и разность площадей поверхности всего поршня и сечения штока. Кроме этого давления, коронка испытывает добавочное давление от веса штанг, возрастающее с глубиной скважины. В американских станках среднего размера вес инструмента, при глубине 30 м, составляет около 265 кг, что при коронке в 53 мм, выбуривающей столбики в 31 мм, дает на кольцевую поверхность коронки давление в 18 кг/см2. Проф. Войслав считает возможным допускать давление в 12 кг/см2, что он и проводит в своих ручных станках, снабженных 12 карбонатами по 1/2 карат, с общей площадью дна 13 см2, допуская максимальное давление на коронку 164 кг при скорости вращения не более 150 об/мин. Бурение скважинВ Германии при бурении на калийные соли станками с гидравлическим питанием применяют давление в 500 кг, при 300 об/мин., при коронке диаметром 68 мм, выбуривающей столбики в 50 мм. Здесь давление на каждый см2 значительно больше. Американцы допускают еще гораздо большее давление. Крелиус рекомендует начинать бурение с давлением на забой в 200—250 кг, при дальнейшем же бурении производить постепенную разгрузку штанг, для того чтобы это давление не повышалось. Наибольшее число об/мин. у Крелиуса - 160. Скорость вращения американских станков достигает 200—300 об/мин.

При начале бурения скважины с поверхности земли наносы проходятся шурфом. При достаточной водоносности наносов этот же шурф служит зумпфом для накапливания воды; в противном случае необходима организация регулярной доставки воды. Количество ее может быть рассчитано в зависимости от средней скорости восходящей струи из скважины в 0,2—0,3 м/сек. При тяжелых рудах требуется 6ольшая скорость. Станок устанавливается над шурфом по ватерпасу на поперечных брусьях. Устье шурфа забивается досками, в которых вырезывается отверстие для пропуска штанги. На дно шурфа устанавливают по отвесу и заливают у основания цементом (или обмазывают жирной глиной) железную трубу, устье которой д. б. несколько выше уровня воды в шурфе. Буровая муть из скважины, переливаясь через край трубы, осаждается на дне шурфа. Иногда вместо шурфа наносы проходят буром и скважину закрепляют обсадной трубой. Алмазные коронки и колонковый цилиндр. Для бурения ручными станками применяются коронки (см. фиг. 56 и 57) с наружным диаметром 36 мм и внутренним диаметром 25 мм, выбуривающие столбики в 22 мм.Бурение скважин

Коронка из мягкой стали снабжается алмазами в 0,7—2 карат при малых диаметрах коронки и до 8 карат при больших диаметрах. Алмазы в особых оправках, ввинченных в гнезда коронки, укрепляются таким образом, чтобы при вращении коронки каждый оставлял свой след; алмазы, расположенные по наружной поверхности, выдаются немного наружу, а на внутренней поверхности - внутрь. Коронка имеет на нижнем торце выемки, а по-наружной поверхности желобки для пропуска грязи. Коронки для глубоких скважин достигают в диаметре 200 мм и более.

Наибольший диаметр известной до сих пор коронки достигал 575 мм (она имела 50 алмазов, общим весом 300 карат).

Коронка навинчивается на колонковый цилиндр. На фиг. 58 изображен цилиндр для небольшой глубины. В нем заключена внутренняя рубашка. Вода к забою поступает между стенкой цилиндра и рубашкой. Для того чтобы предохранить столбик породы от изломов под влиянием вращения цилиндра, внутренняя рубашка отделена от самого цилиндра горизонтальной шариковой прокладкой. Для глубокого бурения применяются колонковые цилиндры более солидной конструкции с каналами в стенках для подачи к забою промывающей воды. По мере углубления скважины, когда стержень породы достиг по высоте длины колонковой трубы, вращение останавливают и колонковый цилиндр поднимают вместе со штангами наверх, причем выбуренный столбик отрывается особым приспособлением - рвателем, действующим автоматически при первом движении коронки наверх. Действие рвателя обусловлено пружинкой в виде цилиндрического кольца с выступами внутрь, срезанными на конус; при извлечении цилиндра наружу пружинку разводят, чтобы освободить столбик породы.Бурение скважин

Бурение скважинДля бурения употребляют двоякого рода алмазы, так называемые борты и карбонаты. Борты представляют собой натуральные благородные алмазы, которые вследствие еле заметной трещиноватости или неровности окраски не применяются в качестве драгоценных камней. Борты могут быть использованы лишь в том случае, если они сохранили свои естественные плоскости и ребра, могущие служить режущими лезвиями. Карбонаты представляют собою буровато-черные алмазы неправильной формы, похожие на блестящие куски кокса. Укрепление алмазов в буровой коронке требует весьма большого внимания и опыта. Самыми лучшими алмазами являются черные бразильские карбонаты скрытого кристаллического строения. Белые (прозрачные) бразильские борты довольно часто применяются также в буровом деле. Капские, или африканские, бесцветные алмазы значительно дешевле, но при твердых породах их следует избегать, так как они легко крошатся и требуют особенно тщательной вставки. Качество алмазов имеет огромное значение для успеха бурения. Хорошие алмазы отличаются плотной структурой, однотонным цветом, блеском и ровной поверхностью.

Расход алмазов бывает наименьший при бурении в соли, наибольший - в мелком кварцевом конгломерате. При проходке скважин в наклонных пластах малой мощности и неодинаковой твердости расход алмазов увеличивается. На расход алмазов в значительной степени влияет сорт алмазов, способ вставки, опытность бурового мастера, способ промывки и пр. Расход алмазов на 1 м проходки в разных породах следующий:
- Диорит, кварцевый диорит … 0,023 карат;
- Яшма, железистый сланец … 0,05 карат;
- Твердый гранит … 0,262 карат;
- Черный сланец, твердая руда … 0,0105 карат;
- Известняк, сланец … 0,151-0,184 карат;
- Песчаник …2,69 карат;
- Конгломерат …8,2 карат.

Скорость и стоимость бурения. Скорость бурения ручным разведочным станком Крелиуса на уральских рудниках видна из табл.:

Бурение скважин

Стоимость 1 м проходки на уральских рудниках составляла со всеми расходами, включая и стоимость алмазов, от 3 р. 30 к. до 13 р. 12 к. В среднем за два года 1 мпроходки обошелся около 6 р. при цене алма­зов 75—92 р. за карат. На скважину задалживалось в смену 4 человека. Воды для бурения рас­ходовалось 75—100 галлонов в сутки. Машинное алмазное бурение станками Сулливана в Донецком бассейне, при глубине скважины 60—140 м, давало следующие результаты:

Бурение скважин

Скорость и стоимость алмазного бурения в соляных копях Германии составляет:

Бурение скважин

Самые глубокие скважины в Европе пробурены при помощи алмазной коронки. Наибольшая глубина скважины достигнута вблизи Чухова в Верхней Силезии - 2 240 м.

Воломитное бурение. В виду высокой стоимости алмазов стремились заменить их разными металлическими сплавами. Наибольшее применение получил воломит, состоящий из карбидов тугоплавких металлов (вольфрама, кобальта, никеля и хрома) с небольшим количеством железа, имеющий температуру плавления около 2700°С. Большое преимущество воломита перед алмазами - возможность отливкой придавать ему любую форму. Как видно из табл., воломит, обладая почти такою же твердостью, как алмаз, имеет большую механическую прочность и значительно большее сопротивление сжатию; по вязкости он несколько уступает быстрорежущей стали.

Бурение скважин

При глубоком бурении воломит употребляется не только для зубьев, вставляемых в коронки, но и для изготовления фрез. Такими воломитными фрезами было освобождено много буровых скважин от застрявших инструментов. В некоторых породах, например в конгломератах, переслаивающихся с гипсом, при бурении алмазной коронкой получается чрезмерный износ алмазов, и бурение практически становится невозможным; с помощью же воломитной коронки бурение идет вполне успешно. Воломитное бурение получило уже широкое распространение за границей; в СССР оно применялось при исследовании Курской магнитной аномалии. Для твердых горных пород, в которых алмаз мало изнашивается, применение алмазов обходится, значительно дешевле воломита. Наоборот, в породах вязких и средней твердости воломит дает хорошие результаты.

6. Турбинное бурение.

В турбобуре инженера М.А. Капелюшникова глинистый раствор, накачиваемый через неподвижные буровые штанги, приводит в движение турбину небольшого диаметра, дающую до 2000 об/м. В нижней части турбобура имеется полый шпиндель, к которому с помощью муфты привертывается долото. Между шпинделем и турбинным валом находится зубчатая передача Баррета, снижающая число оборотов шпинделя до 150 в мин. Глинистый раствор, пройдя через турбину, полый шпиндель и отверстия долота, выходит к забою, размывает размельченную породу и поднимается на поверхность. При работе турбины насос, подающий глинистый раствор, должен развивать давление на 8—10 atm больше, чем при одной только промывке забоя. Вращающий момент, развиваемый турбиной, передается долоту в правую сторону, т. е. по движению часовой стрелки, а штангам - в обратную; поэтому, во избежание вращения штанг, верхний конец их, выступающий на поверхности, необходимо удерживать хомутом или специальным зажимным приспособлением. Станок турбинного бурения состоит из лебедки для подъема и спуска инструмента и обсадных труб и указанного выше зажимного приспособления, которое неподвижно укрепляется на полу вышки. Двигатель только обслуживает лебедки, поэтому он м. б. не реверсивным и не иметь сложных приспособлений для регулировки хода станка. Поступательное движение долота во время бурения достигается постепенным сматыванием с барабана каната, на котором висит инструмент. При чрезмерном нажиме долота на забой турбина останавливается, и этим предотвращается скручивание буровых штанг. Применение этого способа в Баку в последнее время дало весьма положительные результаты. При опытных работах, которые были произведены несколькими десятками таких турбобуров, выяснились отдельные конструктивные недостатки, которые, по-видимому, легко могут быть устранены.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 - 1928 г.

Избранное