Покорители земных недр

В большинстве буровых станков вращатель (в колонковом бурении он обычно называется «шпинделем») можно наклонить вправо или влево па угол до 30° и зафиксировать в таком положении, т. е. можно осуществлять бурение под строго заданным углом наклона. Надо сказать, что в разведочной геологии, в отличие от нефтяной, чаще отбуривают именно наклонные скважины. Такие скважины имеют кратчайший путь до рудного тела и пересекают его под прямым углом, как говорят геологи, — «вкрест падения». В результате наиболее эффективно решаются стоящие перед бурением задачи.

По способу истирания пород и соответственно по типу бурового породоразрушающего инструмента современное колонковое бурение бывает трех видов: дробовое, твердосплавное и алмазное. Правда, бурение дробью к настоящему времени практически отошло в прошлое.

Тяжелое это было бурение, малопроизводительное и хлопотное. Инструмент и все оборудование — массивное, громоздкое. Буровой снаряд, например, собирался шарнирными ключами, весящими с десяток килограммов каждый. Коронка и колонковая труба имели диаметр 90—130 мм. Не меньше, ибо в скважинах меньшего диаметра керн размолачивался дробью почти полностью.

На смену дроби пришли скачала твердые сплавы, а потом алмазы и сверхтвердые материала. Эти истирающие вещества совершили переворот в технологии колонкового бурения, вывели его на уровень, соответствующий современным требованиям, предъявляемым к механизмам и оборудованию. Прежде всего диаметры скважин, а вместе с ними диаметры труб и прочего вспомогательного оборудования уменьшились вдвое и втрое. Сейчас большинство керновых скважин отбуривают коронками диаметрами 46, 59 и 76 мм. Поскольку уменьшились диаметры скважин, то сократились и площади пород, подлежащих истиранию, и существенно возросли скорости бурения.

А результаты? При алмазном бурении выход керна (независимо от диаметра скважины) повысился до 80—100 %. Здесь ведь нет грубого разрушения пород, здесь осуществляется только направленное пропиливание. Керн из скважин, пройденных алмазными коронками, приятно взять в руки. Это тонкие монолитные цилиндры с пришлифованной боковой поверхностью — готовые музейные образцы, не очень-то нуждающиеся в дополнительной обработке.

Малые диаметры скважин, высокие скорости бурения, экономичность и образцово-показательный керн — все это прекрасно. Но ведь алмазы! Драгоценные камни, ценящиеся либо на вес золота, либо даже дороже. Оправдана ли подобная роскошь?. А как насчет соотношения цели и средств? Вопросы правомерны. Но надо иметь в виду, что в бурении применяются не ювелирные, а технические алмазы — мелкие, непрозрачные, неограненные, а в последние годы — не только природные, но и искусственные, синтетические. Цены на такие камни, хотя и высокие, но вполне доступные для массового их применения, в частности для бурения.

При современном колонковом бурении в равной мере применяют как твердые сплавы, так и алмазы. Достаточный запас коронок того и другого типа всегда есть на буровой. Твердосплавными коронками проходятся наносы при забуривании скважин, а также участки с трещиноватыми породами; алмазные коронки наиболее эффективны в плотных монолитах, в массивах изверженных и метаморфических окварцованных пород.

Твердосплавные коронки (рис. 24) в работе достаточно неприхотливы, и никаких проблем с ними обычно нe возникает. Ни состояние забоя, ни характер разреза их применение особо не лимитируют. Опускай да бури, не забывая, разумеется, следить за промывкой. Они могут отбуривать любые породы — от вязких глин до достаточно твердых пород; правда, в таких разновидностях приходится слишком уж часто поднимать буровой снаряд и заменять изношенную коронку на новую.

Алмазы в бурении по своим свойствам — стойкости, выносливости, отдаче — не имеют конкурентов. И естественно, что как и все уникальные создания, они капризны и своенравны. Они требуют особого отношения к себе: заботы, внимания, терпения и даже любви. Иначе работать не будут. Не заставишь.

Во-первых, алмазы очень болезненно реагируют на присутствие посторонних предметов в скважине, особенно металлических. Любая крошка металла на забое, будь то кусочек изношенной трубы, случайно уроненный болтик или обломок твердого сплава, мгновенно выводит из строя даже новую коронку. Поэтому перед спуском алмазной коронки скважину приходится очень тщательно промывать сильной струей жидкости. Алмазы требуют совершенно чистого забоя — только горная порода и ничего более.

Аналогична их реакция на резкие удары и на сильную вибрацию. При неритмичной работе бурового инструмента (а такое случается при проходке трещиноватых пород либо при наличии в породах каверн и полостей) алмазы быстро крошатся и выпадают из коронки. Для борьбы с вибрацией приходится применять либо сложные приспособления (различные центраторы, амортизаторы, утяжеленные бурильные трубы), либо антивибрационные смазки, которыми покрываются поверхности бурильных труб и всех сочленений, либо специальные эмульсии.

В СССР история развития алмазного бурения, [6] основанного на широком применении отечественных якутских алмазов, исчисляется неполными тремя десятилетиями. Научно-исследовательские работы по этой проблеме, начатые практически с нуля, ведутся также на протяжении очень короткого времени по сравнению с историей алмазного бурения в западных странах. И тем не менее наша наука об алмазном бурении и техника для его осуществления находятся па современном мировом техническом уровне.

Основная сложность при работе с алмазами состоит в том, что для каждой разновидности пород необходимо очень тщательно подбирать соответствующую ей марку коронки. Почему? Для начала давайте посмотрим, что представляет собой керновая алмазная коронка (рис. 25). Короткий тонкостенный цилиндр-корпус в верхней части имеет ленточную резьбу для соединения с расширителем либо непосредственно с колонковой трубой; в нижней торцевой части находится матрица — кольцевой металло-керамический сплав, включающий в себя мелкие технические алмазы. В матрице делаются прорези-каналы для выхода промывочной жидкости.

Диаметры таких коронок меняются от 26 до 112 мм (всего выпускаются коронки семи стандартных размеров). Коронки малых размеров применяют для лабораторных исследований и при поисковом бурении, средние — при разведке месторождений на глубинах до 1000–3000 м, большие — при проходке скважин на уголь и при различных инженерных исследованиях.

По крупности алмазов, а также по способу размещения их в матрице алмазные коронки бывают двух типов: однослойные с поверхностной вставкой алмазов в матрице и импрегнированные, в которых очень мелкие зерна алмазов равномерно рассеяны по всей массе матрицы. Во всех случаях по мере углубки скважины матрица постепенно снашивается, все более обнажая алмазы.

Крупность и масса алмазов измеряются в каратах. Название произошло через итальянское carato от греческого названия стручков рожкового дерева keration. Масса сухих косточек плода этого растения, удивительно идентичных друг другу, служила в древности единицей массы сначала для жемчуга, а затем и для других драгоценных камней. Международной единицей карат стал в 1913 г., после того как Международный комитет мер и весов в Париже предложил принять метрический карат, равный 200 мг (или 0,2 г), в качестве официальной единицы измерения.