Бурение

БУРЕНИЕ, процесс сооружения горной выработки преимущественно цилиндрической формы (шпур, скважина, шахтный ствол) путём разрушения горных пород с удалением продуктов разрушения. Известно много видов бурения, различающихся целевым назначением, характером разрушения породы, используемой техникой. Бурение широко применяется в геологии при поисках и разведке полезных ископаемых, добыче нефти, газа и подземных вод, в горном деле для бурения взрывных и вспомогательных шпуров и скважин, в строительстве, при гидротехнических работах. Разрушение горных пород в процессе бурения обычно производится по всей площади забоя (бескерновое бурение). При бурении с отбором образца породы - керна - разрушается только кольцевое пространство у стенок скважины (колонковое бурение). По характеру разрушения породы виды бурения подразделяются на механические (буровой инструмент непосредственно воздействует на породу, разрушая её) и немеханические (опосредованный контакт источника воздействия с разрушаемой породой: бурение взрывное, термическое и т.п.). Бурение производится в основном механическим способом: разрушение породы осуществляется через операции удара или вращения бурового инструмента (ударное, вращательное и вращательно-ударное бурение) в буровых установках, буровых станках, перфораторах. Породоразрушающий инструмент (долота, коронки, расширители) размещают на конце штанг или труб у забоя шпура, скважины. По типу применяемого породоразрушающего инструмента и способу его подачи в забой различают бурение: шарошечное, алмазное, штанговое, шнековое и др. Из немеханических способов наибольшее распространение получило термическое бурение с применением станков, использующих в качестве рабочего инструмента огнеструйные горелки. Разрушение породы происходит от напряжений, обусловленных температурным градиентом и тепловым расширением, а также от механического воздействия высокоскоростных газовых струй.

Бурение развивается и специализируется применительно к трём основным областям техники: наиболее глубокие - эксплуатационные скважины (несколько километров) бурятся на нефть и газ, менее глубокие - разведочные (в основном сотни метров) - для поисков и разведки твёрдых полезных ископаемых (смотри Буровая скважина), скважины и шпуры (от нескольких метров до десятков метров) бурят для размещения зарядов взрывчатых веществ (главным образом в горном деле и строительстве). Шпуром принято называть искусственную цилиндрическую полость диаметром до 75 мм и глубиной до 5 м, скважиной - такую же полость, но соответственно больших размеров.

Бурение имеет свою историю, обусловленную общими тенденциями технического прогресса. Впервые в мировой практике вручную бурились скважины (диаметром 12-15 см и глубиной до 900 м) в Китае свыше 2 тысяч лет назад для добычи соляных растворов. Буровой инструмент (долото и бамбуковые штанги) опускался в скважину на канатах толщиной 1-4 см, свитых из индийского тростника. Бурение первых скважин в России относится к 9 веку и связано с добычей растворов поваренной соли (Старая Русса). Затем соляные промыслы начали развиваться в Балахне (12 век), Соликамске (16 век). На русских соляных промыслах издавна применялось ударно-штанговое бурение. Во избежание ржавления буровые штанги делали деревянными; стенки скважин закрепляли деревянными трубами. Первый буровой колодец, закреплённый трубами, был пробурен на воду в 1126 году в провинции Артуа (Франция), отсюда глубокие колодцы с напорной водой получили название артезианских.

Развитие методов и техники бурения в России начинается с 19 века в связи с необходимостью снабжения крупных городов питьевой водой. В 1831 году в Одессе было образовано «Общество артезианских фонтанов» и пробурены 4 скважины глубиной от 36 до 189 м. В 1831-32 годах бурили скважины в Санкт-Петербурге (на Выборгской стороне), в 1833 - в Царском Селе, Симферополе и Керчи, в 1834 - в Тамбове, Казани и Евпатории, в 1836 - в Астрахани. В Москве первая артезианская скважина глубиной 458 м пробурена на Яузском бульваре в 1876 году. Бурный прогресс в бурении связан с развитием нефтедобычи. Первая нефтяная скважина была пробурена в США случайно в 1826 году близ г. Бернсвилл (штат Кентукки) при поисках рассолов. Первую скважину на нефть заложил в 1859 году американец Э. Дрейк близ г. Тайтесвилл (штат Пенсильвания). В России первая скважина на нефть пробурена в 1864 году около г. Анапа (Северный Кавказ).

Первоначально для бурения использовалась сила человека: скважины бурились станками с ручным приводом. В последующем для вращения бурового снаряда стали использовать паровую машину (в России впервые применил инженер Г. Д. Романовский при строительстве скважины в селе Ерино Московской губернии). На первом этапе наибольшее распространение получило ударное бурение - самый простой, но и наименее производительный способ разрушения породы. Появившееся впоследствии ударно-канатное бурение уже включало элемент механизации этого процесса: буровой инструмент подвешивался на опускаемом в скважину канате. По забою наносились непрерывные удары с откалыванием кусочков породы, удаление которых способствовало углублению скважины. Совершенствование техники бурения с целью увеличения его производительности, в том числе в более твёрдых породах, привело к бурению с непрерывным вращением бурового става. Это определило новый способ бурения, названный комбинированным. Заменой гибкого каната на железные штанги было обусловлено появление ударно-штангового метода бурения. В дальнейшем совместили вращение буровой колонки с непрерывной промывкой забоя буровым раствором и удалением буровой мелочи. Новым направлением явилось бурение с забойными двигателями (турбобур, электробур) с высокой скоростью вращения долота. Совершенствовались типы долот. Важную роль сыграло применение твёрдых сплавов, самозатачивающихся твердосплавных коронок, алмазных коронок и долот различных конструкций. Так, развитие разведочного бурения связано с изобретением швейцарским часовщиком Ж. Лешо алмазного бура (1862), который состоял из стального полого цилиндра, армированного алмазами и укреплённого на полой металлической штанге (по ней в забой подавалась промывочная вода). Первая действующая буровая установка с алмазным инструментом создана французским инженером Перретом. Применение шарошечных долот определило новый, шарошечный способ бурения, приведший к значительному увеличению скорости бурения в твёрдых горных породах. Этот способ наиболее распространён на открытых горных работах при массовом бурении скважин в породах любой крепости специальными шарошечными станками.

Диаметр скважин и их глубина вначале не имели такого значения, как, например, скорость или производительность бурения, крепость пород, износостойкость буровых долот и коронок. В дальнейшем были созданы способы бурения горных выработок больших поперечных сечений и шахтных стволов специальными стволопроходческими агрегатами (диаметром свыше 3,5 м).

Бурение шпуров и скважин производится разнообразными бурильными молотками, стационарными и мобильными установками, станками и агрегатами. Для бурения шпуров применяют буровые машины вращательного, ударного и ударно-вращательного действия с электро-, пневмо- и гидросвёрлами. Пневмосвёрла используют в шахтах, в которых существует опасность взрыва газа или пыли. Буровые машины делятся на ручные (массой до 23 кг для пород с коэффициентом крепости f до 3-4 по шкале профессор М. М. Протодьяконова) и колонковые (соответственно до 120 кг и f до 10), укрепляемые при бурении на колонках или иных поддерживающих устройствах.

В подземных условиях бурение неглубоких скважин производится пневматическими буровыми молотками, глубоких - погружными пневматическими перфораторами или буровыми станками со съёмными коронками и долотами различных форм и материалов. Вращательное бурение скважин кольцевыми режущими коронками в породах крепостью не более f = 8 производится специальными станками с помощью стальных коронок, армированных резцами из твёрдых сплавов; в породах крепких и очень крепких (f больше 10) применяют кольцевые и сплошные алмазные и шарошечные коронки. На подземных рудниках России наибольшее распространение получил буровой агрегат НКР-100 для пневмоударного бурения скважин диаметром 85-100 мм и глубиной до 50 м.

Бурение взрывных и геологоразведочных скважин диаметром до 450 мм на поверхности осуществляется буровыми станками различных конструкций. На карьерах наибольшее распространение получили самоходные тяжёлые станки шарошечного бурения производительностью 90-240 м в смену. На карьерах малой и средней мощности в основном применяют пневмоударные буровые станки. Распространены универсальные установки и агрегаты, в которых сочетаются возможности различных видов бурения. Для термического бурения, главным образом в кварцитах, песчаниках и других породах, содержащих кремнезём, применяют буровые огнеструйные станки. Вращательное бурение нефтяных и газовых скважин, а также шахтных стволов осуществляют электробуром, станками реактивного, турбинного и реактивно-турбинного принципа действия. Новые перспективные способы бурения в крепких породах (взрывной, токами различной частоты, химически активными струями и др.) находятся в разных стадиях производственного эксперимента. Буровые агрегаты применяют также при проходке горизонтальных выработок и тоннелей различного назначения.

Бурение применяют и для исследования глубинных структур земной коры. Для получения проб воды из подледникового озера Восток в Антарктиде была разработана технология бурения тепловым буровым снарядом с термодолотом и термокоронкой, что позволило пробурить скважину на глубину 3623 м (1995). Среди сверхглубоких скважин (глубина более 6 км) наиболее известна Кольская сверхглубокая скважина (Россия). На ней использовалось турбинное бурение, при котором вращается не вся колонна, а только буровая головка. Через колонну под давлением подавался буровой раствор, вращавший расположенную внизу турбину. Использовались специально разработанные трубы из лёгких сплавов. Измельчённая порода вместе с буровым раствором выносилась по скважине на поверхность. Цель бурения - получение керна из глубины Земли. Глубина скважины при диаметре 214 мм составила 12 262 м (при проектной - 15 000 м). В 1997 году Кольская сверхглубокая скважина была занесена в Книгу рекордов Гиннесса.

Лит.: Иванов В. П. Бурение скважин больших диаметров. М., 1947; Прошин В. И. Бурение газовых скважин. М.; Л., 1949; Куличихин Н. И., Воздвиженский Б. И. Разведочное бурение. М., 1973; Кутузов Б. Н. Техника бурения при разработке месторождений полезных ископаемых. М., 1974; Резанов И. А. Сверхглубокое бурение. М., 1981; Кудряшов Б. Б., Чугунов В. А., Литвиненко В. С. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. Л., 1991.