Буріння (; ) — створення бурової свердловини, шахтного стовбура, або шпуру руйнуванням гірських порід, буріння шпурів у штучних матеріалах (наприклад, у бетоні).
Загальна характеристика Буріння широко використовується у господарській діяльності людини: 1. Для пошуково-розвідувальних робіт та видобування нафти і газу. 2. Для видобування солоних розчинів і мінеральної води. Видобування солоної води за допомогою свердловин є найдрев-нішим способом використання буріння. Більшість мінеральних вод, які використовуються у лікувальних цілях, видобуваються зі свердловин. 3. Для одержання питної води. Видобування питної води — це один із найдревніших способів застосування буріння. 1126 року почали буріння свердловин для експлуатації підземних вод у провінції Артуа у Франції (артезіанські свердловини). В Україні багато регіонів користується питною водою зі свердловин. Наприклад, у Полтаві вся вода для забезпечення населення добувається зі свердловин. У Полтавській області підземні води придатні для пиття і залягають до глибини 1000 м. 4. Для закачування і відбирання природного газу та нафти у підземні сховища. Одне з найбільших в Україні підземних сховищ газу розташоване біля Диканьки (Полтавська обл.) у відпрацьованому газовому покладі. 5. Для закачування пари при шахтному видобутку нафти. Наприклад, із штольні, яка прокладена над продуктивним пластом, бурять свердловини, через які закачують пару у пласт, а зі штольні, що проходить під пластом, бурять свердловини, з яких отримують нафту. Закачування пари у пласт через спеціально пробурені свердловини широко використовується в долині Сан-Хоакін у Каліфорнії (США), в районі озера Маракайбо у Венесуелі та нафтових пісках Альберти, Канада. Спочатку пара закачується у свердловину при температурі від 300 ºС до 340 ºС. Потім свердловину залишають на кілька днів або тижнів, щоб тепло проникло у пласт. Нарешті, гаряча нафта викачується зі свердловини протягом кількох тижнів або місяців. Коли дебіт падає, свердловина проходить ще один цикл нагнітання, витримки та видобутку. 6. Для ліквідації газових і нафтових фонтанів. 7. Для вивчення геологічної будови землі та проведення геофізичної сейсмічної зйомки. 8. Для захоронення відходів виробництва шляхом їх закачування у глибоко залягаючі пласти.
Основний спосіб буріння — механічний, рідше використовують гідравлічний, термічний та інші способи. Буріння застосовують з метою пошуків корисних копалин, видобування нафти, газу, води і розсолів, спорудження шахт тощо. При бурінні гірських порід руйнується на всій площі вибою або тільки по кільцю (колонкове буріння). Глибина буріння визначається його призначенням — декілька метрів — шпури, сотні й тисячі метрів — свердловини. Буріння глибоких свердловин здійснюється буровими установками, буровими верстатами, шпурів — бурильними молотками. Технічні засоби буріння включають також буровий насос або компресор для подачі бурового розчину чи газу, бурильні труби, бурову вежу з талевою системою, противикидне обладнання, контрольно-вимірювальну апаратуру. При механічному бурінні буровий інструмент (бурове долото, бурова коронка, буровий розширювач) діє на гірську породу, руйнуючи її. При бурінні вибухових свердловин у кварцових гірських породах застосовують термічне буріння (струменем полум'я).
Буріння розвивається і спеціалізується в трьох основних галузях гірничої справи:
• видобуток рідких і газоподібних корисних копалин,
• пошук і розвідка корисних копалин,
• видобуток твердих корисних копалин вибуховим способом.
Класифікація способів буріння Механічні способи буріння за методом впливу інструмента на вибій поділяють на: обертальне і ударне, ударно-поворотне і обертально-ударне, вібраційне буріння.
За типом породоруйнівного інструмента розрізнюють шнекове, шарошкове, алмазне буріння, дробове тощо, за типом бурової машини — перфораторне, пневмоударне, гідроударне, роторне, турбінне, електричне тощо.
За напрямком і методом проведення свердловин — кущове, вертикальне, похилоскероване, багатовибійне та ін.
Застосування способів буріння
Застосування того чи іншого способу буріння визначається наступними основними умовами: 1. Ударно-канатне буріння, яке зараз використовується дуже рідко, рекомендується застосовувати для розвідки різних пухких порід, скельних і напівскельних, а також у тих випадках, коли не потрібно вивчати структуру та механічні властивості порід. 2. Ударно-обертальне буріння, що також застосовується лише в окремих випадках, можна застосовувати, як і ударно-канатне, лише у пухких породах. 3. Колонкове буріння широко використовують у скельних, напівскельних породах, а також у щільних зв'язних та в пухких породах за умови використання глинистої промивки. 4. Вібраційний метод буріння може бути ефективним для проходки пухких порід, які не містять значних домішок великоуламкового матеріалу. Застосування його зазвичай обмежене вивченням фізико-механічних характеристик порід у природному стані. 5. Шнекове буріння є також досить продуктивним, але воно не забезпечує точної характеристики розрізу. Його слід застосовувати у випадках, коли необхідно розкрити забій на більш або менш значну глибину без докладного вивчення порід. 6. Роторне буріння загалом має ті самі переваги і недоліки, що і шнекове, але з економічних міркувань воно застосовується лише за великих діаметрів свердловин (більше 250 мм) і їх значних глибин (більш ніж 100 м).
Ударно-канатне, вібраційне, шнекове та ударно-обертальне буріння за необхідності вивчення механічних властивостей порід у природному стані слід супроводжувати відбором монолітів порід за допомогою ґрунтоносів.
Початкові діаметри буріння визначаються заданою величиною кінцевого діаметра свердловини, а також кількістю змін діаметра інструмента за її глибиною. За необхідності відбору монолітів кінцевий діаметр свердловини повинен бути не менше 115 мм, а без їх відбору — 75 мм. Під час буріння в породах, які не забезпечують стабільності стінок свердловини, останні закріплюють обсадними трубами, що гарантує чітке розчленування пройденої товщі за складом і станом порід.
У разі буріння з обсадкою в породах, що містять великоуламковий матеріал, кінцевий діаметр свердловини, залежно від величини уламків, повинен бути не меншим за 115—155 мм. Під час буріння свердловин, призначених для проведення дослідних робіт, може виникнути потреба в кінцевому діаметрі до 300 мм і більше. В окремих випадках для візуального вивчення пройденої товщі свердловини проходять діаметром 1000—1350 мм.
Початкові діаметри труб, залежно від глибини буріння, можуть бути такими: до 20–25 м — діаметр 111—131 мм, а глибшому — 151 мм, інколи — до 189 мм.
Під час ударно-канатного буріння руйнування породи на забої проводиться ударами наконечника, підвішеного на канаті. В якості наконечника у пухких породах застосовують буровий стакан, у щільних — желонку, а у скельних та напівскельних породах — долото. Наконечник повинен бути важким за рахунок ударної штанги.
Очистку вибою свердловини від шламу проводять желонкою. Зразки порід під час ударно-канатного буріння відбирають з бурового стакана або з желонки. В останньому випадку структурні властивості порід можуть бути повністю порушеними.
Процес ударно-обертального буріння складається з: руйнування породи на забої шляхом ударів бурового наконечника з одночасним його обертанням; видалення продуктів руйнування із свердловини та подальшого просування бурового інструменту; забезпечення стабільності стінок пройденої ділянки свердловини.
Під час обертального буріння у щільних породах за наконечник використовують ложку (переважно у породах напівтвердої й більш-менш тугопластичної консистенції) або змійовик (переважно у породах м'якопластичної і частково тугопластичної консистенції), які несуть вертикальне навантаження ваги колони штанг.
Під час колонкового буріння руйнування породи на забої проводять прорізанням кільцевого каналу за допомогою обертання коронки колонкової труби. При цьому у центральній частині забою утворюється непорушений стовпчик породи — керн, який відривають від масиву і підіймають із інструментом на поверхню для вивчення.
Промивання свердловини глинистим розчином забезпечує як підтримку стабільності стінок свердловини, так і видалення шламу зі свердловини. Буровий розчин повинен відповідати наступним вимогам: • утворювати тонку (0,5–1,0 мм) щільну корку на стінках свердловини для запобігання поглинання промивної рідини; • забезпечувати належну вагу стовпчика рідини у свердловині для підтримки в ній рівноваги за допомогою гідростатичного тиску; • забезпечувати мінімальний вміст вільної води в суспензії задля запобігання набухання глин у стінках свердловини; • мати належну в'язкість і суспензійний характер для забезпечення повного виносу шламу і недопущення осадження останнього (зашламування) у разі припинення циркуляції рідини; • забезпечувати одержання якісних зразків перебурених порід.
Зазначені вимоги можна задовольнити в тих випадках, коли глина, що використовується для приготування промивного розчину, має високу дисперсність (як, наприклад, бентонітові глини), тиксотропність (здатність деяких гелів переходити у золі і твердіти) і не містить значної кількості мінеральних фракцій, більших ніж 0,005 мм. Контроль за якістю глинистого розчину і за його властивостями під час буріння встановлюється лабораторними методами. При цьому визначаються такі його параметри: в'язкість, щільність, водовіддача, вміст фракцій, більших за 0,005 мм, добовий відстій, товщина глинистої корки, опір зсуву, стабільність суспензії, вміст газів, температура, кислотно-лужні показники (рН).
Замість промивки забою застосовується також продування його стиснутим повітрям. Продування має наступні переваги перед промивкою: • виключаються додаткове зволоження, розмивання керну і вибою; • суттєво зменшуються ускладнення, що виникають у разі раптової втрати промивної рідини або переривання її циркуляції (зашламування тощо); • не потрібна доставка води до свердловин; • виключається можливість забруднення і зволоження шламу, а також змішування різновидів шламу, винесеного з різних горизонтів.
Продування забою найбільш доцільно проводити у свердловинах, які не містять воду в рідкому стані. Воно особливо ефективне у багаторічних мерзлих, сильно кавернозних, тріщинуватих або легко розмивних породах; у посушливих і безводних районах; за необхідності точної фіксації положення водоносних горизонтів.
Під час продування можна застосовувати бурові станки і колонкові труби будь-якої конструкції, обладнані контрольно-вимірювальною апаратурою, індикатором ваги та манометрами. Бурові штанги беруть якомога більшого діаметра (30–63,5 мм) з муфто-замковими з'єднаннями. Штанги діаметром 42 мм застосовуються у виняткових випадках і лише під час буріння на глибину не більше 100 м. Застосовувати штанги з ніпельними з'єднаннями не рекомендується. За глибини буріння до 300 м в трубах діаметром 91–112 мм тиск повітря не повинен перевищувати 6–7 кгс/см2.
Вібраційне буріння ґрунтується на принципі передачі буровому інструменту спрямованих коливань, які створює віброзанурювач. Частота коливань існуючих віброзанурювачів коливається від 1200 до 2000 за хвилину, а амплітуда коливань — від 1,5 до 10 мм. Віброзанурювачі застосовуються у двох модифікаціях: із жорстким кріпленням до бурильних труб і з вільним обпиранням на спеціальну плиту — ковадло, в останньому випадку віброзанурювач називають вібромолотом.
За шнекового способу буріння руйнування породи на забої здійснюється обертовим долотом, а зруйнована порода транспортується із забою на денну поверхню шнеком, що є єдиним гвинтовим транспортером. Геологічна документація під час шнекового буріння ускладнюється через часткове перемішуванням зруйнованої породи в процесі її транспортування шнеками. Проби можна відбирати як під час безперервного, так і під час періодичного поглиблення свердловини. Під час безперервного заглиблення процес буріння і видача вибуреної породи поєднуються.