Геофизические методы поисковых работ

1. Геофизические методы  поисковых работ.

     Геофизические  методы исследования – это  научно-прикладной раздел геофизики,  предназначенный для изучения  верхних слоев земли, поисков  и разведки полезных ископаемых, инженерно-геологических, гидрогеологических  и других изысканий и основанный на изучении естественных и искусственных полей земли.

     Общее  число геофизических методов  или модификаций превышает 100 и существуют различные их  классификации.

     Геофизические методы разведки, исследование строения земной коры физическими методами с целью поисков и разведки полезных ископаемых; разведочная геофизика — составная часть геофизики.

     Геофизические методы разведки основаны на изучении физических полей (гравитационного, магнитного, электрического, упругих колебаний, термических, ядерных излучений). Измерения параметров этих полей ведутся на поверхности Земли (суши и моря), в воздухе и под землёй (в скважинах и шахтах). Получаемая информация используется для определения местонахождения геологических структур, рудных тел и т.п. и их основных характеристик. Это позволяет выбрать наиболее правильное направление дорогостоящих буровых и горных работ и тем самым повысить их эффективность.

    Геофизические методы разведки используют как естественные, так и искусственно создаваемые физические поля. Разрешающая способность, т. е. способность специфически выделять искомые особенности среды, как правило, значительно выше для методов искусственного поля. Средства для исследования методами естественных полей относительно дёшевы, транспортабельны и дают однородные, легко сравнимые результаты для обширных территорий. В связи с этим на рекогносцировочной стадии применяются преимущественно Г. м. р. естественного поля (например, магнитная разведка), а при более детальных работах главным образом используются искусственные физические поля (например, сейсмическая разведка). Различные физические поля дают специфическую, одностороннюю характеристику геологических объектов (например, магниторазведка только по магнитным свойствам горных пород), поэтому в большинстве случаев применяют комплекс Г. м. р. В зависимости от природы физических полей, используемых в Г. м. р., различают: гравиметрическую разведку, основанную на изучении поля силы тяжести Земли; магнитную разведку, изучающую естественное магнитное поле Земли; электрическую разведку, использующую искусственные постоянные или переменные электромагнитные поля, реже — измерение естественных земных полей; сейсморазведку, изучающую поле упругих колебаний, вызванных взрывом заряда взрывчатого вещества (тротила, пороха и т.п.) или механическими ударами и распространяющихся в земной коре; геотермическую разведку, основанную на измерении температуры в скважинах и использующую различие теплопроводности горных пород, вследствие чего близ поверхности Земли изменяется величина теплового потока, идущего из недр. Новое направление геофизические методы разведки — ядерная геофизика, исследующая естественное радиоактивное излучение, чаще всего гамма-излучение, горных пород и руд и их взаимодействие с элементарными частицами (нейтронами, протонами, электронами) и излучениями, источниками которых служат радиоактивные изотопы или специальные ускорители (генераторы нейтронов, см. Радиометрическая разведка).

     Все  виды геофизические методы разведки основаны на использовании физико-математических принципов для разработки их теории, высокоточной аппаратуры с элементами электроники, радиотехники, точной механики и оптики для полевых измерений, вычислительной техники, включая новейшие электронные вычислительные машины для обработки результатов.

     Исследования  в скважинах ведутся всеми  геофизическими методами. Геофизические измерения в скважинах производятся приборами, показания которых передаются на земную поверхность по кабелю. Наибольшее значение имеет электрический, акустический и ядерно-геофизический каротаж скважин. Бурение глубоких скважин ведётся с обязательным их каротажем, что позволяет резко ограничить отбор пород (керна) и повысить скорость проходки. Геофизические измерения в скважинах и горных выработках применяются также для поисков в пространствах между ними рудных тел (т. н. скважинная геофизика). Наконец, геофизические методы используются для изучения технического состояния скважин (определения каверн и уступов, контроля качества цементировки затрубного пространства и т.п.).

     Геофизические методы разведки быстро развиваются, успешно решая задачи поисков и разведки полезных ископаемых, особенно в районах, закрытых толщами рыхлых отложений, на больших глубинах, а также под дном морей и океанов.

    2. Бурение ручными способами.

     Все  системы бурения можно разделить  на две большие группы: вращательное и ударное; как первое, так и второе может производиться ручным и машинным способом. Какова бы ни была система бурения и к какой бы она группе ни принадлежала, подготовительные работы к бурению всегда будут одни и те же. Работы эти состоят в устройстве буровой башни и установке направляющей трубы в том месте, где будет производиться бурение скважины. Буровая башня (так называется постройка в виде усеченной пирамиды, обычно деревянная) возводится над буровой скважиной для помещения в ней рабочих и разного рода приспособлений для производства бурения. Буровые башни бывают открытые и закрытые, т. е. обшитые досками для защиты от дождя и ветра. При ручном бурении на довольно значительную глубину, до 100 метров и даже более, ограничиваются треногами, ведя работу на открытом месте. В буровой башне устраивается деревянный станок, называемый буровым. В этом станке устанавливается рычаг, или балансир, для подъема ударного прибора, ременные шкивы, принимающие движущую силу от локомобиля, канатные барабаны, шестерни, зубчатые колеса, приборы для регулирования длины буровых штанг во время работы, насосы и т. д. Устройство бурового станка для каждой системы бурения бывает различно, но в общем разницы мало.

     Бурение, как сказано выше, разделяется на 2 группы, а именно:

1) Вращательная система бурения бывает ручная и машинная. Первая употребляется для разведки грунтов, для строительного дела на небольшую глубину, до 20 метров — и тогда для этого выгодно употреблять ручной бур, изобретенный горным инженером С. Войславом.

     Ручной способ вращательного бурения — самый обыкновенный и вместе с тем самый старинный, и если он применен к грунтам мягким или даже и средней плотности, но однообразно расположенным, и если буровая скважина небольшого диаметра и стенки не обсыпаются, то работа производится успешно и стоит недорого, так как употребляемые для этого инструменты весьма просты и дешевы. В прежнее время, когда для очистки инструмента и скважины требовалось каждый раз вынимать его, работа шла тихо, стоила непомерно дорого и поэтому не имела более широкого применения.

     В начале сороковых годов французский инженер Фовель (Fauvelle) начал употреблять для бурения полые штанги и накачивать и нагнетать в них воду, которая, по мере углубления бура, подымалась обратно к верху между стенками его и скважины, унося с собой землю, осколки пород каменистых, грязь и прочее. Это изобретение составило эру в буровой технике. При таком устройстве не может быть никогда скопления грязи на дне скважины и надобности в подъеме инструмента, а потому можно безошибочно утверждать, что этим изобретением Фовеля трудность бурения уменьшилась. Бур Фовеля, кроме описанных выше преимуществ, имеет и то важное значение, что одинаково свободно действует как на небольшой, так и на весьма значительной глубине. Опыты, произведенные при применении этого бура, показали, что производство работ обошлось в 15 раз дешевле, чем посредством бура старого образца. При всех своих достоинствах бур Фовеля имеет тот недостаток, что не может быть употреблен везде с одинаковой выгодой. Несмотря на это, он все-таки остается до настоящего времени самым лучшим буровым инструментом во всех существующих системах бурения при производстве работ по сверлению, как вертикальных, так и горизонтальных скважин.

     Работы по бурению на сплошных штангах обыкновенным буром или ложкой (резак) производятся так: сначала на глубину одной сажени ввинчивание бура производится особым штанговым ключом, поворачивая слева направо и наблюдая, чтобы тотчас, как только бур или ложка наполнятся выбуренной землею доверху, что бывает после углубления бура на 14—15 дюймов, вынимать их, что бы не засасывался инструмент. Для дальнейшего углубления навинчиваются штанги, которые поднимаются и опускаются на блоке, подвешенном к треноге. Крюк, которым захватываются штанги, подвешен или соединен с канатом вертлюгом, для свободного поворота в обе стороны подвешенных к нему штанг. Крюк этот, имеющий форму вилки, для предупреждения соскальзывания штанг запирается крючками. Подъем штанг и опускание производится лебедкой, к которой приставляется двое рабочих.

     Бурение ручным способом посредством особых цилиндрических открытых или закрытых буров. Первые употребляются в грунтах глинистых и вязких, а вторые в сыпучих, как песок. Эти буры очень востребованы, так как ими вместе производится и очистка скважины. Бурение этими инструментами производят на довольно большую глубину, если грунт мягкий; но глубина эта не должна превышать 150 или 200 футов (что зависит от твердости проходимых пород), так как при большей глубине происходит скручивание штанг и их поломка. Для начала же бурения на небольшую глубину прием этот очень практичен.

     При бурении скважин для разведок грунта где бур проходит по слоям сыпучего и водянистого песка или ила, необходимо укреплять в этих местах стенки скважины, что и делается посредством опускания железных труб диаметра меньшего, чем скважина отверстия. При бурении же отверстия для добывания соли или нефти, одновременно с началом бурения опускают и обсадные железные трубы. Трубы эти делают из листового железа в 1/8 до 3/1 6 дюйма толщиной, длиной 5 футов и соединяются заклепками. Опускание труб составляет весьма важную часть бурения. Для того, чтобы трубы опускались свободно, имеется расширитель , который опускается впереди трубы вместе с буром и расширяет скважину на 1½ или 2 дюйма вокруг труб. Несмотря на это, на значительной уже глубине вследствие трения их об стены скважины, которые часто обсыпаются, трубы не могут опускаться от собственного веса, а нужно употреблять для этого усилие в виде домкратов или гидравлических прессов с силой от 10 до 15 тонн. 

     Самое простое укрепление буровых скважин производится посредством конических труб, в которых верхний диаметр немногим больше нижнего, и в этом месте они соединяются заклепками, число которых в каждом ряду равно числу дюймов диаметра труб, например при 4 дюймах труба склепывается 8 заклепками. Бурение на пустотелых штангах с промывкой скважин водой производится ручным и машинным способом. В обоих случаях наконечником бывает трубчатый бур со стальной или алмазной коронкой; первый применяется к грунтам мягким, а второй к твердым. Для вращения труб при ручном бурении употребляется зажим с ручками, который прикрепляется к трубам и трубчатыми рычагами, надеваемыми на ручки, приводится во вращательное движение подобно тому, как и на сплошных штангах. При горизонтальных буровых скважинах вращательное движение буру сообщается посредством колеса с ручками. Работа производится беспрерывно, до совершенного заполнения породой трубчатого бура, причем насос должен быть постоянно в действии, дабы буровая грязь не могла оседать и засасывать инструмент.

     В последнее время при бурении в мягких породах применяют расширитель для расширения скважин под предохранительными трубами. Для опускания труб надавливают на них винтовыми или гидравлическими прессами, для чего на резьбу трубы навинчивают чугунный наконечник с двумя по сторонам отверстиями, через которые проходят винты пресса; третье отверстие для пропуска воды.

     Для бурения в породах твердых употребляется трубчатый бур с алмазами. Первое применение алмазов для бурения сделано было Лешотом в Швейцарии; затем способ этот значительно усовершенствован в Америке и в последнее время английским капитаном Бомоном. Усовершенствования относятся к буровым станкам, штангам и алмазной коронке. Преимущество этой системы бурения заключается в большой быстроте работы и в том, что выбуренные породы вынимаются в виде столбиков, кусков порядочной длины, по которым не только можно различать изменения в напластовании, но и угол падения. При бурении этого рода углубляются зараз до 15 футов,

т. е. до полного  заполнения бура породой, если последняя  это позволяет. Так как трубчатый  бур с алмазной коронкой должен иметь  более быстрое вращательное движение, чем со стальной, то он приводится в  движение паровой машиной, как насос, накачивающий воду. Для горизонтального вращательного бурения имеются особые гидравлические буровые машины, посредством которых уже пробуравлено столько замечательных по своей длине туннелей, как Сен-Готтардский, Сен-Бернардский и у нас Сурамский на Кавказе.

2) Ударное бурение производится долотами ручным и машинным способом. В настоящее время существует несколько систем этого рода бурения, а именно:

- обыкновенным долотом на стальных железных штангах. Это самая примитивная система и, несмотря на это, имеет и по сие время довольно большое применение при бурении на небольшую глубину, когда скважина малого диаметра, не более 3 дюймов. При благоприятных геологических условиях — этой системой доходили до 180 метров глубины, причем очистка скважины производилась желонкой. Опускание и поднимание штанг производится обыкновенною лебедкой.

- долото, укрепленное на пустотелых штангах, с промывкой скважины водой. Эта система применяется в скважинах небольшого диаметра и при нетвердых грунтах, так как при твердых каменистых породах вода не в состоянии подымать крупные куски камня на большую высоту. В глинистых же грунтах, а в особенности сыпучих и плывучих, этот способ бурения не имеет себе подобного по быстроте и чистоте работы; при этом надо иметь в виду, что для грунтов сыпучих и плывучих необходимы опускные трубы. Производство работы — очень простое. На нижнем конце штанги укреплено долото, а верхний конец соединен с буровым станком и насосом. Для соединения преимуществ бурения с промывкой скважины водой со свободнопадающим инструментом, инженер А. Фаук изобрел особого устройства автоматически действующий, свободнопадающий инструмент. Особенно практичной оказалась эта система в грунтах нетвердых или образующих частые обвалы. Таким инструментом можно, не вынимая его, бурить на 1,5 м, а так как забой скважины остается постоянно чистым, то отсюда и видно, почему так велика успешность работы.

- долото, укрепленное на проволочном канате. Эта система бурения применена была с успехом Г. Кольбом в Баварии в начале семидесятых годов. Буровой инструмент составляют: долото, ударная штанга с направляющими корзинками и вертлюг. Особое устройство последнего с ударной штангой и составляет сущность этой системы, в которой можно заставить долото поворачиваться во время работы. При подъеме канат, натягиваясь, — раскручивается более или менее сообразно весу инструмента, и этим способом поворачивают долото; при падении же долота канат сразу освобождается от груза и вновь скручивается, а с ним вместе отворачивается и долото. Система эта, в не особенно твердых породах, превосходит предыдущие и со свободнопадающим инструментом, так как при этой системе грунт скорее разрыхляется и подъем инструмента, а также очистка скважины производятся быстрее.

- бурение на ножницах посредством каната или штанг. Эта система бурения составляет переход от бурения долотом на сплошных штангах к бурению со свободнопадающим инструментом. Ножницы одинаково хорошо действуют как на канатах, так и на деревянных штангах. Бурение этой системой имеет наибольшее применение в Америке: на канатах употребляется в Пенсильвании и носит название пенсильванского, а на деревянных штангах — канадского. Канатное бурение на ножницах употребляется в глубоких скважинах, более 200 метров, так как на такой глубине вес штанг был бы уж очень велик. Этим способом бурения достигают глубины 600 метров, причем производство самой работы весьма просто. Сначала опускают малое долото и пробуравливают им скважину в 1 метр, вынимают его, очищают скважину и опускают долото больших размеров для расширения отверстия и т. д. Для придания лучшего направления ножницам, ширина их делается на 1 дюйм меньше диаметра скважины. Нижний конец каната посредством обоймицы скрепляется с верхней частью ножниц. Канат изготовляется из самой лучшей пряди, диаметром от 1½ до 2 дюймов. Подъем инструмента не превышает 90 см, при 45 ударах в минуту. Очистка скважины делается желонкой.

- долото, укрепленное к свободнопадающему инструменту. Всякий свободно падающий инструмент производит при падении удар на породу в буровой скважине и сила этого удара находится в зависимости от массы ударного прибора и высоты его падения. Из физики известно, по закону Галилея, что пути, проходимые падающим телом, относятся как квадраты времен падения; следовательно, всякое свободно падающее тело проходит, например, в 2 секунды пространство в 4 раза большее, чем в 1 секунду. Поэтому для достижения наибольшей производительности свободнопадающего инструмента надо найти наибольшую высоту подъема и величину веса его. Бурение может производиться с успехом лишь тогда, когда имеются отличной выделки долота и другие ударные инструменты, независимо от диаметра скважины и степени твердости проходимых пород. В последнее время свободнопадающий инструмент начали применять ко всем буровым системам; а в особенности к канатной. Изобретение, сделанное в Кельне Guilieaume, состоящее в устройстве пустотелого проволочного каната, может создать самую совершенную систему бурения, если изобретение это на практике даст хорошие результаты. Эта система канатно-водяного бурения со свободнопадающим, автоматически действующим инструментом, представит самую совершенную из систем, какую только можно себе представить в настоящее время. При производстве работ подобного рода системой, кроме хороших инструментов, надо иметь и отличных рабочих. Свободнопадающий инструмент на сплошных штангах имеет большое применение в Европе. В усовершенствованной системе этого рода требуется иметь три прибора: а) долото; б) расширитель (когда скважина укрепляется обсадными трубами), и в) свободнопадающий инструмент. Бурение состоит в том, чтобы буровой инструмент поднять на требуемую высоту, которая бывает от 30 до 60 см, и затем сбросить его. Бурение может производиться ручным и машинным способом. Из перечисленных ударных систем в Европе для глубоких скважин применяется единственно штанговая система со свободнопадающим инструментом, для различных диаметров и глубины, как оказавшаяся наиболее выгодной, и только в редких случаях применяют канатную. В Америке, где геологические напластования однообразны на весьма значительную глубину, самого большого успеха в работе достигают, употребляя канатное или на деревянных штангах с ножницами бурение. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Долото для отбора горных пород (керна).

     Керн (нем. Kern), цилиндрическая колонка (столбик) горной породы, выбуриваемая в результате кольцевого разрушения забоя скважины (Колонковое бурение).

     Долото буровое, основной элемент бурового инструмента для механического разрушения горной породы на забое скважины в процессе её проходки. Термин «долото» сохранился от раннего периода развития техники бурения, когда единственным способом проходки скважин было ударное бурение, при котором долото буровое имело сходство с плотничным инструментом того же наименования. долото буровое, как правило, закрепляют в конце бурильной колонны, которая передаёт ему осевое и окружное усилие, создаваемое буровой установкой (в случае ударного бурения долото буровое подвешивается на канате и наносит удары по забою скважины за счёт энергии свободного падения).

     В основу классификаций долото буровое положены два признака: назначение и характер воздействия на породу. По назначению различают 3 класса долото буровое: для сплошного бурения (разрушение породы по всему забою скважины), для колонкового бурения (разрушение породы по кольцу у стенок скважины с оставлением в её центральной части керна) и для специальных целей (разбуривание цемента в колонне труб, расширение скважины и др.). По характеру воздействия на породу долото буровое делятся на 4 класса: дробящего действия, дробяще-скалывающего, истирающе-режущего и режуще-скалывающего. Основные элементы долото буровое — корпус и рабочая (разрушающая) часть; последняя определяет три типа долото буровое, широко применяемых в промышленности: шарошечные, алмазные и лопастные.

     Шарошечными долото буровое осуществляется свыше 90% объёма бурения на нефть и газ; эти долото буровое наиболее производительны при бурении геологоразведочных (сплошным забоем) и взрывных скважин в крепких породах. Шарошечное долото буровое (или колонковая бурильная головка) состоит из одной, двух, трёх и более конических, сферических или цилиндрических шарошек, смонтированных на подшипниках качения или скольжения или же их комбинации на цапфах секций долото буровое. На наружной поверхности шарошки имеют породоразрушающие элементы — фрезерованные зубья или запрессованные (запаянные) твёрдосплавные зубки или комбинации зубьев и зубков. Для повышения износостойкости фрезерованные зубья армируются твёрдым сплавом. Зубья на конусах шарошек, как правило, имеют клиновидную форму; твёрдосплавные зубки — клиновидную или полусферическую рабочие поверхности. В зависимости от конструкции корпуса, шарошечные долото буровое разделяются на секционные и цельнокорпусные. В секционных долото буровое корпус сваривается из отдельных (двух, трёх и четырёх) секций, на цапфах которых монтируются свободно вращающиеся шарошки. В цельнокорпусных долото буровое корпус литой, к нему привариваются лапы с шарошками. Для присоединения долото буровое к бурильной колонне у секционных предусмотрена наружная конусная резьба (ниппель), у корпусных — внутренняя конусная резьба (муфта). Секции (лапы) и шарошки долото буровое изготовляются из хромоникельмолибденовых, хромоникелевых и никельмолибденовых сталей. Самое широкое распространение имеют трёхшарошечные долото буровое В ограниченных объёмах применяются вставные двух- и трёхшарошечные долото буровое для бурения скважин турбинным и роторным способами, позволяющие опускать новое и поднимать отработанное долото буровое внутри колонны бурильных труб без подъёма последних на поверхность, а также многошарошечные долото буровое для бурения скважин диаметрами 346—2600 мм реактивно-турбинным способом.

     Лопастное долото буровое состоит из кованого корпуса, к которому привариваются три лопасти и более. У двухлопастного долота корпус и лопасти отштамповываются как одно целое. Передние грани лопастей армируются твердосплавными пластинами прямоугольной формы и зерновым сплавом релит, а боковые — твёрдосплавными цилиндрическими зубками. Лопастные долото буровое применяются для разбуривания мягких и средней твёрдости пород.

     Эффективное бурение скважин обеспечивается своевременной очисткой забоя от выбуренных частиц породы и подъёмом их на поверхность, а также охлаждением  рабочих элементов долото буровое Это осуществляется обычно продувкой при бурении неглубоких (до 20 м) скважин, а при бурении глубоких и сверхглубоких — промывкой. В шарошечных долото буровое применяется два вида промывки: по центральному каналу и гидромониторная — между шарошками, а в больших корпусных долото буровое — их комбинация. Форма, сечение, расположение и количество промывочных каналов зависят от назначения, типа и размера долото буровое В гидромониторных шарошечных и лопастных долото буровое для увеличения передаваемой ими гидравлической мощности применяются сменные минералокерамические или металлокерамические насадки различных диаметров, преобразующие перепад давлений на долото буровое в скоростной напор, повышающий эффективность разрушения породы.

     Совершенствование долото буровое осуществляется в направлении улучшения их конструкций (гидромониторная система очистки забоя скважины, создание новых опор скольжения и др.), применения новых материалов (высокопрочные твёрдые сплавы, стали электрошлакового и вакуумно-дугового переплавов), оснащения рабочих элементов долото буровое алмазами, высокопрочными твёрдыми сплавами и сверхтвёрдыми материалами. 
 
 
 
 
 
 

Список литературы: 

          1. С. Войслав, "Исследование грунта и разведка полезных ископаемых, посредством ручного бурения" 1889

         2."Гидротермальные рудопроявления рифтов Срединно-Атлантического хребта"/ Ю.А.Богданов.- М.: Научный Мир, 1997.- 167 с

         3."Россыпные месторождения России  и других стран СНГ"/ Н.Г.  Патык-Кара, Б.И. Беневольский, Б.И.  Быховский и др.- М.: Научный мир, 1997.- 479 с

         4.Основы нефтегазового дела: Учеб.пособие/  А.А. Коршак А.М. Шаммазов - УФА  ДизайнПолиграфСервис 2001.-543с.