Бурение скважин разведочных на твердые полезные ископаемые, разведочных на строительные материалы, инженерно- геологических и структурно-картировочных должно обеспечить получение, соответственно:

• полной и исчерпывающей информации, необходимой для всесторонней оценки месторождения полезного ископаемого;
• гранулометрического и вещественного состава пород месторождения и информации о количестве тонкодисперсного материала, характеризуемого количеством глинистых составляющих;
• высококачественных проб грунта (монолитов) и проведения исследований физико-механических свойств грунтов в условиях их естественного залегания, т.е. непосредственно в стволе скважины, с целью оценки грунтового массива как основания, материала или среды будущего сооружения;
• данных по керну выбуриваемых пород и геофизическим исследованиям для составления геологического разреза по скважине.

Скважины указанных назначений отличаются глубиной по воде и по породам. В табл. 1.2 к преобладающим отнесены глубины скважин, до которых бурение осуществляется повсеместно или редко, но крайне необходимо в настоящее время. Максимальные глубины скважин по воде и по породам - это желаемые, эффективное бурение которых пока затруднено из- за несовершенства технических средств, в частности буровых оснований.

Глубина акватории в месте бурения и скважины по породам являются главными факторами, влияющими на выбор типа бурового основания. Проектировать универсальное основание, пригодное для бурения скважин всех параметров в любых гидрологических условиях, экономически нецелесообразно. Для достижения высоких технико-экономических показателей бурения разведочных скважин целесообразно классифицировать их, разделив на группы в зависимости от глубины по воде и породам, и для каждой группы проектировать соответствующий тип основания.

Из данных табл. 1.2 сравнительно четко прослеживается первая группа скважин: глубина по воде до 50 м; глубина по породам до 100 м. Остальные скважины охватывают довольно большие интервалы глубин: от 50 до 300 м по воде и от 100 до 500 м и более по породам. Условно эти скважины можно разделить еще на две группы. Тогда ко второй группе можно отнести скважины глубиной от 50 до 150 м по воде и от 100 до 250 м по породам, к третьей группе - глубиной от 150 до 300 м по воде и от 250 до 500 м и более по породам.

В первую группу входят скважины, основной объем бурения которых приходится на сильно обводненные неустойчивые при их вскрытии рыхлые породы I-IV категорий по буримости для вращательного бурения с включениями галечников и валунов (рис. 1.3). К этой группе относятся скважины разведочные на стройматериалы и россыпи, а также большинство инженерно- геологических. Наиболее часто глубина скважин этой группы по породам не превышает 35 м. В то же время максимальное значение глубины скважин этой группы по породам установлено на отметке 100 м. Обусловлено такое расхождение следующим.

При изучении отдельных геологических объектов ставится задача на какое-то количество скважин сравнительно малой глубины по породам бурить одну примерно в 2 раза большей

Таблица 1.2

Параметры и конструкции геолого-разведочных скважин на шельфе

Рис. 1.3. Литологические разрезы (£, , , ) акваторий Японского моря:

1 - валуны, галечники, гравий; 2 - пески разнозернистые; 3 - алевриты крупные песчанистые; 4 - илы мелкоалевритовые; 5 - ракушечный детрит, ракушечник; 6 - глина, суглинок; 7 - гранитная дресва; 8 - кора выветривания гранитов

Рис. 1.3. Продолжение

глубины. Например, на каждой площадке под опорное нефтяное буровое основание в районе северной части Каспийского моря требуется пробурить по породам три-четыре скважины глубиной 30-35 м (под опоры основания) и одну скважину глубиной 70-75 м для определения рациональной глубины посадки бурового кондуктора нефтегазовой скважины.

Кроме того, нет необходимости группировать скважины с более мелкими интервалами бурения по породам. Незначительное увеличение глубины скважины по породам даже за пределы интервала группы не оказывает существенного влияния на выбор рационального типа бурового основания. Определяющим здесь является глубина скважины по воде.

Скважины второй и третьей групп тоже пересекают интервалы неустойчивых рыхлых пород первой группы. Их количество в практике бурения на порядок меньше, чем скважин первой группы. Однако на долю каждой скважины второй и особенно третьей группы приходятся значительно большие объемы бурения в твердых и крепких породах, чем на долю скважины первой группы.

В табл. 1.2 приведены, а в работе [35] обоснованы минимально допустимые (конечные) диаметры скважин указанных назначений, обеспечивающие необходимую достоверность опробования. Они колеблются в значительных пределах (от 0,059 до 0,146 м), но начальные диаметры всех скважин практически одинаковы. Обусловлено это следующим.

Из-за сильной обводненности, неустойчивости и частой перемежаемости мягких и твердых пород в интервале преимущественно 0-30 м создаются неблагоприятные условия кернооб- разования. Это вынуждает увеличивать диаметр даже сравнительно неглубоких инженерно-геологических и разведочных на стройматериалы скважин до 0,146-0,168 м. Более глубокие инженерно-геологические и структурно-картировочные скважины имеют двух- или даже трехступенчатое изменение увеличивающихся к устью диаметров. Это является дополнительной важной причиной того, что начальные их диаметры близки к диаметрам скважин, разведочных на россыпи.

В подавляющем большинстве случаев скважины на море бурят с применением так называемой водоотделяющей колонны, которая соединяет надводную буровую установку с придонным устьем скважины и является одновременно направлением для спуска в нее необходимых снарядов и инструментов. При бурении скважин указанных назначений эту колонну обычно называют кондуктором и погружают ее в обводненные рыхлые и мягкие породы морского дна на глубину преимущественно до 20 м с целью предотвращения обрушения пород из стенок скважины. В этом случае кондуктор является первой обсадной колонной труб.

Обсадные трубы погружают обычно до коренных пород. Поэтому при большом интервале между дном моря и коренными породами внутрь кондуктора спускают вторую колонну обсадных труб, преимущественно до глубин скважины не более 4050 м по породам. Верхний конец второй колонны обсадных труб обычно выводят на поверхность. Это обеспечивает удобство принудительного погружения в породы и последующего извлечения этой колонны из них поверхностными буровыми механизмами, а также надежную изоляцию вод акватории от загрязнения циркулирующими в скважине буровыми растворами.

При бурении разведочных, инженерно-геологических и кар- тировочных скважин предъявляются повышенные требования к качеству отбираемого керна. Поэтому для предотвращения обеднения или обогащения полезного ископаемого, нарушения структуры и свойств пород разведываемых горизонтов бурение на море осуществляют с соблюдением особых требований к технологии отбора керна и крепления стенок скважины.

Длина рейса при разведке рассыпных месторождений и инженерных изысканиях ограничивается и составляет преимущественно 0,2-0,5 м. При разведке стройматериалов и месторождений угля длина рейса тоже ограничивается и составляет 0,5-1,0 м. Длина рейса при бурении структурно- картировочных скважин может достигать 3 м и более в зависимости от качества и количества получаемого керна, крепости выбуриваемых пород и скорости бурения.

Бурение в обводненных рыхлых и мягких породах осуществляют с креплением скважины обсадными трубами, как правило, погружением их в целик (т.е. с опережением башмаком колонны труб забоя скважины) по одной из двух схем. При первой схеме колонну обсадных труб погружают в породы на длину рейса, а затем из ее полости отбирают керн. Вторая схема заключается в погружении в породы колонны одновременно с зафиксированным у ее башмака керноприемником.

Процессы бурения скважин любой из трех групп, даже существенно различающихся по глубинам, имеют много общего, так как каждую из них необходимо бурить:

• с обязательным непрерывным отбором керна; по рыхлым породам с опережением забоя обсадными трубами из-за неустойчивости стенок скважины в обводненных и набухающих при вскрытии в воде породах;
• по породам различной крепости, так как почти все скважины должны внедряться в коренные породы. При разведке строительных материалов и инженерных изысканиях некоторые скважины не бурят до коренных пород. Однако и здесь приходится разбуривать чередующиеся песчаные и гравийно- галечниковые отложения, которые также существенно отличаются между собой по крепости, характеризуются плохой бури- мостью и трудностью получения качественного керна из них;
• при сравнительно большом начальном диаметре.

Близость диаметров, схожие условия и требования к бурению разведочных скважин рассматриваемых назначений позволяют использовать для бурения одинаковые способы и типы оборудования.

Анализ технологических возможностей известных способов бурения показывает, что применительно к условиям работы на акваториях только ударно-забивной, вибрационный и вдавливающий обеспечивают бурение в рыхлых породах с опережающим креплением скважины обсадными трубами. Качество керна, отбираемого впоследствии из внутренней полости труб, которые погружены этими способами в породы с опережением забоя, исследовано экспериментально и подтверждено практикой. В результате установлено следующее [35].

Наибольший выход керна рыхлых пород при бурении на море отмечается при вдавливающем способе со скоростями погружения обсадных труб и грунтоносов в породы менее 0,02 м/с и всего на 3-4 % меньший при ударно-забивном (разновидность ударного) со скоростями погружения труб и керноприемных снарядов в породы более 0,16 м/с. Показатели вибрационного способа бурения в условиях моря по количеству отбираемого керна существенно уступают вдавливающему и забивному способам.

Ударно-забивной способ в условиях моря эффективнее всех остальных известных способов по обеспечению вертикальности и удобству погружения обсадных труб в породы, особенно с качающегося на волнах плавучего бурового основания. Кроме того, этот способ позволяет бурить разведочные скважины любых необходимых диаметров в рыхлых и перемежающихся по крепости породах. Встречающиеся на пути погружаемых в рыхлые породы обсадных труб валуны или прослои уплотненных пород небольшой мощности бурят ударным или вращательным способом. Затем ударами по обсадной колонне погружают ее в подбуренную пилот-скважину сначала до ее забоя и далее в целик для бурения с опережением забоя башмаком обсадной колонны.

Бурение скважин вдавливанием экономически оправдано только диаметром до 0,108 м и только в рыхлых отложениях без включения гальки и валунов. Поэтому вдавливающий способ бурения не отвечает геолого-методическим требованиям, предъявляемым к бурению некоторых скважин, например, разведочных на россыпи. В то же время при бурении вдавливанием наиболее легко применимы и совершенны пенетрацион- но-каротажные методы исследования физико-механических свойств песчано-глинистых грунтов малой твердости в условиях их естественного залегания под водой, что очень ценно при проведении инженерных изысканий.

При бурении скважин структурно-картировочных, разведочных на россыпи, уголь и т.д. требуется внедрение в коренные породы. В коренных породах бурят обычно вращательным способом без закрепления стенок скважины обсадными трубами. Выбуривание керна из коренных пород возможно только вращательным способом. Это единственный способ бурения, обеспечивающий получение качественного керна в твердых и крепких породах. Во многих условиях вращательный способ незаменим при инженерно-геологических изысканиях, так как позволяет получать колонки керна мягких и твердых пород без существенного искажения их природных физико-механических свойств. Следовательно, основание для бурения разведочных скважин на шельфе должно быть укомплектовано механизмами ударно-забивного, вращательного и вдавливающего способов. Мощностные, технологические и массовые характеристики необходимых буровых механизмов определяются традиционными инженерными расчетами с использованием исходных данных из практического опыта бурения скважин аналогичного назначения, в том числе на шельфе. В качестве примеров из практического опыта бурения разведочных скважин можно отметить следующее.

Вращатель для бурения инженерно-геологических скважин в рыхлых породах должен обеспечить минимальное значение частоты вращения породоразрушающего инструмента не более 40-60 об/мин. При этом, с целью экономии энергетических затрат, уменьшения габаритов и массы вращателя, предел развиваемой им максимальной частоты вращения для разбурива- ния небольших прослоев твердых пород можно ограничить значением 100-200 об/мин. Значения указанных пределов частоты вращения у вращателей для бурения в коренных породах должны быть в 5-10 раз больше.

Для производительного бурения скважин III группы необходим вращатель с крутящим моментом порядка 1,4-1,6 кН-м.

Усилие механизма подачи бурового снаряда при вращательном бурении достаточно 15-20 кН, для отбора монолитов грунтов вдавливаемыми грунтоносами и пенетрационно-каротажных исследований грунтов при инженерно-геологических изысканиях желательно располагать механизмом подачи с усилием 60-100 кН.

Анализ гидрологических, метеорологических и геологических условий шельфа, целевое назначение разведочных скважин, геолого-методические и эксплуатационно-технические требования к их бурению определяют следующие обобщенные параметры скважин, условия и требования к технике и технологии их бурения.

Способ бурения Ударно-забивной, вращательный, вдавливающий

Максимальная глубина скважины (по воде/по породам), м:

I 50/100

1. I 150/250

2. I 300/500

Диаметр скважины (в рыхлых отложениях/коренных породах), м:

максимальный 0,245*/0,127*

минимальный 0,146*/0,057*

Частота вращения породоразрушающего инструмента, об/мин 30-1000

Крутящий момент на вращателе, кН-м 1,4-1,6

Усилие механизма подачи, кН:

вниз 60-100

вверх 30-50

Способ получения информации Непрерывный отбор керна,

монолитов, статическое зондирование

Максимальная высота волны моря, м 3

"По диаметру обсадных труб или грунтоносов и колонковых снарядов.

Приведенные обобщенные характеристики являются исходными данными для выбора рационального типа, конструкции и параметров основания и буровых механизмов для качественного и производительного бурения разведочных скважин на шельфе.