Покорители земных недр - Геннадий Блинов

Что же дальше? Перспективы сверхглубокого?

Предусматривается, что после завершения бурения Кольской сверхглубокой скважины она будет превращена в уникальную природную лабораторию, где будут исследоваться глубинные процессы, протекающие в земной коре, проводиться долговременные наблюдения за температурным режимом, испытываться приборы и методы различных скважинных исследований.

В нашей стране планируется и дальнейшее значительное увеличение объемов глубокого и сверхглубокого бурения. Намечено начать проходку Тюменской, Анастасьевско-Троицкой и Уральской сверхглубоких скважин (до 12–15 км). Начнется бурение и шести глубоких скважин (6–8 км): трех в нефтегазоносных провинциях (Днепровско-Донецкая, Прикаспийская, Тимано-Печорская) и трех в рудных районах (Криворожская, Мурунтауская, Норильская).

Мечтают (но реально!) и о больших глубинах: создается специальный стенд, который позволит моделировать условия бурения скважин глубиной до 20 км при температуре на забое 300–400 °C и давлении 2000–3000 кгс/см2.

Рис. 17. Конструкция Кольской сверхглубокой скважины. / — колонна стальных труб для крепления ствола скважины; 2 — открытый ствол; 3—колонна бурильных труб; 4 — турбобур; 5— керноотборный снаряд; 6 — буровое шарошечное долото.

А теперь вернемся из рекордных сверхглубин на земную поверхность и поговорим о типовом, самом распространенном бурении. Для начала надо остановиться на способах бурения и хотя бы бегло ответить на вопросы —

Как и чем разрушают горные породы

Мы показали, что есть ударный способ бурения и есть вращательный. Они существуют испокон веков и будут преобладать в обозримом будущем. Правда, в последнее время уже появились принципиально новые методы бурения скважин, такие как термический, взрывной, лазерный (о них мы поговорим чуть позже), но все они находятся в экспериментальной стадии и широкого распространения пока не имеют.

Так что удар либо вращение, а если уж вращение, то с полным разрушением породы в скважине (бурение «сплошным забоем» — бескерновое) или с выбуриванием ее по кольцу (колонковое бурение). Вот и все. А дальше можно бесконечно совершенствовать и комбинировать между собой те или иные виды бурения, можно модернизировать оборудование и создавать все новые и новые конструкции буровых станков, т. е. делать именно то, что успешно осуществляется в наше время.

Для наглядности наиболее распространенные способы бурения можно изобразить в виде упрощенной схемы. На той же схеме укажем и основные области применения того или иного способа.

Ударно-канатное бурение

Как мы уже говорили, этот способ проходки настолько прост и эффективен, что не утратил своего значения и в нашу атомно-электроннуго эпоху. Как и тысячелетия назад, раскачивание тяжелого снаряда, удары по забою, вверх — вниз, вверх — вниз, без особых премудростей, без лазеров, зарядов и разрядов. Правда, станки, оборудование и соответственно скорости проходки существенно изменились и вполне отвечают требованиям нашего скоростного века.

Как и в старину, порода в скважине разрушается под действием свободнопадающего массивного снаряда (с заостренным долотом на нижнем конце), но раскачивание снаряда сейчас уже производится не упругим бревном и не коромыслом журавля, а металлической рамой, называемой «балансиром». Балансир приводится в действие от шатуна, который в свою очередь эксцентрично связан с маховиком, вращающимся от двигателя. Принцип тот же, что и у ведущих колес старого паровоза, но конструкция здесь намного проще: один маховик, один шатун, одна балансирная рама, движение только вверх — вниз. Ход балансира от верхней точки до нижней невелик и не превышает 40–50 см, т. е. именно на такую высоту и приподнимается снаряд над забоем и с той же высоты он падает. Да, высота, казалось бы, ничтожная, но вовремя вспомним, что капля камень долбит не силой, а частым падением. Так и здесь: снаряд падает на забой почти с частотой человеческого пульса — раз 40–50 в минуту. Упорно, методично, безостановочно. К тому же общая масса снаряда с долотом составляет несколько тонн, и ему совершенно не обязательно падать с высоты небоскреба, вполне достаточно и полуметра.

Современный станок ударного бурения, в отличие от своих громоздких и неподвижных прародителей, предельно компактен и мобилен. Все его агрегаты и узлы смонтированы на единой раме, которая по своим размерам не превышает рамы небольшого грузового автомобиля. При переездах со скважины на скважину колесные станки обычно подцепляются к трактору, гусеничные двигаются самостоятельно, своим ходом.

Кроме простоты и надежности ударные станки имеют еще одно важное преимущество перед вращательными: ими отбуриваются скважины больших диаметров, самых больших среди других видов бурения. Снаряды для ударного бурения представляют собой длинные цельнолитые цилиндры. Чем больше их диаметр, тем больше масса и соответственно выше производительность. При вращательном бурении наоборот: чем меньше диаметр, тем меньше расход истирающих материалов в коронках и тем большую нагрузку можно передать через инструмент на забой. Разумеется, в том и в другом случае есть свои допуски и ограничения, есть и оптимальные параметры. В частности, при ударном бурении максимальные скорости проходки достигаются в скважинах диаметром 200–250 мм. Ударным способом можно пробурить скважины диаметром и более 600 мм, но зато при диаметрах менее 100 мм проходка вообще нецелесообразна — в них снаряд не имеет достаточной массы.

Но если есть преимущества, то должны быть и недостатки (иначе других видов бурения просто не существовало бы). И недостатки есть. Они-то и ограничивают применимость ударно-канатного способа.

Во-первых, свободнопадающий снаряд может перемещаться лишь в одном направлении — строго вниз, и поэтому ударно-канатным способом отбуривают только вертикальные скважины; проходка наклонных стволов этим способом физически невозможна. Именно поэтому в подземных выработках, при разведке твердых полезных ископаемых (кроме россыпей) канатное бурение не применяется.

А во-вторых, ударное бурение возможно лишь в рыхлых, слабоустойчивых грунтах и вообще в породах небольшой твердости: в песках, мергелях, известняках и доломитах. В очень твердых скальных породах, таких как граниты, диабазы, кварцевые песчаники, заостренное долото очень быстро «садится», превращается в округлую болванку и углубка скважины прекращается. Так что монолитные скальные породы гораздо проще «стереть в порошок» (вращением да еще под давлением), чем раздолбить в своеобразной ступе.

Ударно-вращательное бурение

Канатное бурение в какой-то мере является и вращательным. Снаряд здесь находится в подвешенном состоянии; естественно, он закручивается либо раскручивается и при каждом ударе поворачивается вокруг своей оси. Но вращение при канатном бурении неуправляемое, стихийное и снаряд в процессе работы может по нескольку раз попадать в одну и ту же трещину, все больше заклинивая самого себя. С подобными осложнениями достаточно легко справляется долото крестовидной формы, которое не в состоянии попасть даже в открытую трещину — одна из двух поперечин креста всегда удерживает его в плоскости забоя и одновременно разрушает стенки трещины.

Но есть и другой, более эффективный, способ борьбы с трещиноватостью — удар с одновременным принудительным вращением долота, т. е. сочетание дробления с истиранием. Именно этот принцип и использован в бурильном молотке — главном орудии производства проходчика подземных горных выработок. Сразу заметим, что имеются в виду горные выработки в крепких, скальных породах, в тех породах, которые можно разрушить только взрывчаткой. В породах же невысокой крепости — при разработке угольных пластов, прокладке тоннелей метрополитена и т. д. — применяются врубовые машины, проходческие комбайны, щиты и другая мощная техника. Но речь не о ней, а о простом бурильном молотке.

Вернемся на минутку к отверстию в камне. Его можно проделать кувалдой, а можно и молоточком.

В первом случае — большой груз с редкими ударами, во втором — малый груз с очень частыми ударами. Какой же способ более эффективен? Конечно, все зависит от прочности камня. В крепких скальных породах эффективен именно второй. В этом легко можно убедиться опытным путем.

Так вот, разница между канатным станком и бурильным молотком и заключается прежде всего в соотношении массы с частотой удара. В бурильном молотке боёк имеет массу всего-то полтора-два килограмма, не больше, зато ударяет он с большой частотой. Работает молоток от сжатого воздуха (потому и называется пневматическим), подаваемого по трубам и шлангам от компрессора. Следует отметить, что в подземных горных выработках используются механизмы только с электрическим либо с пневматическим приводом. Других нет. Система вентиляции в выработках под землей настолько сложна и громоздка, что применять там бензиновые или дизельные двигатели — непозволительная роскошь. Поэтому насосы, лебедки, поезда под землей — только электрические, все проходческие механизмы — как правило, пневматические, а потребляемый ими сжатый воздух заодно используется для дополнительной вентиляции.