Широкое применение вращательного бурения для сооружения скважин на воду началось примерно с 1920 г. Главные причины его популярности заключаются в высокой скорости проходки и в том, что крепить скважину обсадными трубами в процессе бурения приходится редко. Последнее обстоятельство особенно важно в случае ликвидации скважины — затраты тогда не превысят стоимости бурения. Ликвидация же скважины, пробуренной ударно-канатным способом и закрепленной трубами, труднее и дороже, так как для этого необходимо извлекать трубы, что часто оказывается невозможным.
Принципиальная схема установки вращательного бурения показана на рис. 6.21. Разрушение как скальных, так и рыхлых пород осуществляется долотами различных типов, вращаемых с помощью пустотелой стальной бурильной трубы. В бурильную трубу закачивается глинистый раствор, который, выходя через долото и поднимаясь по стволу скважины, увлекает за собой на поверхность разбуренную породу, поступающую затем в отстойник. Вращение бурильной трубы осуществляется через передаточный механизм и квадратную штангу, которую в процессе бурения опускают, а при наращивании бурильных труб поднимают. Когда квадратную штангу отвинчивают от бурильной колонны, последняя удерживается от падения в скважину скользящими клиновыми плашками штангодержателя.
Рис. 6.21. Установка вращательного бурения для сооружения эксплуатационных и разведочных скважин.
Стрелки внутри скважины указывают направление циркуляции бурового раствора. 1 — шкив; 2 — кронблок; 3 — мачта; 4 — вертлюг; 5 — квадратная штанга; 6 — двигатель; 7 — рычаги управления; 8 — ротор; 9 — лебедка; 10 — грязевой насос; 11 — желоб; 12 — всасывающий шланг; 13 — поверхность земли; 14 — буровой раствор; 15 — емкость для бурового раствора; 16 — отстойник; 17 — бурильная труба; 18 — необсаженный ствол скважины; 19 — долото.
Так же как и при ударно-канатном бурении, скорость бурения зависит от множества факторов, основные из которых — характер горных пород и тип используемого оборудования. В мягких рыхлых породах бурение возможно со скоростью 300—500 фут/сутки, тогда как в плотных породах скорость вращательного бурения, как правило, снижается до 30— 50 фут/сутки. В отличие от ударно-канатного бурения скорость проходки при вращательном бурении не очень зависит от глубины, хотя такие операции, как отбор керна и смена долота, замедляют темп бурения, поскольку требуется подъем и спуск бурильных труб и замена рабочего инструмента.
Наиболее трудоемко вращательное бурение в высокопроницаемых зонах, сложенных кавернозными базальтами и известняками, что вызвано поглощением бурового раствора породами. В результате поглощения раствора стенки скважины теряют устойчивость, что вызывает обрушение слабых пород, а иногда ведет к прихватыванию инструмента и потере дорогостоящих долот и бурильных труб. Осложнения возникают также и при бурении в мягких породах с включением обломков твердых пород и конкреций кремнистого сланца. Долото в этих случаях обычно скользит по поверхности твердой породы, не погружаясь в нее. Твердые включения также отклоняют долото от заданного направления бурения скважины. Наибольшие неприятности доставляют конкреции кремнистого сланца в известняках и валуны или очень твердые породы в слабосцементированных конгломератах.
Существуют различные модификации вращательного способа бурения. Одно из них — бурение с обратной промывкой, при котором буровой раствор нагнетается в скважину, а выходит через бурильные трубы. Перекачка бурового раствора в отстойник производится с помощью специального центробежного насоса, крыльчатка которого свободно пропускает даже крупный гравпй. Скорость подъема раствора в бурильных трубах выше (вследствие их небольшого диаметра), чем в скважине, что обеспечивает подъем более крупных обломков разбуренной породы и, следовательно, позволяет увеличить скорость проходки в грубозернистых рыхлых отложениях. Если бурение ведется в безводных районах, вместо бурового раствора или воды для очистки скважины можно использовать сжатый воздух, нагнетаемый компрессором. Бурение с очисткой забоя скважины воздухом возможно преимущественно в водонепроницаемых породах, а также если при разбуривании образуется тонкозернистый шлам. Имеются также комбинированные установки как для ударно-канатного, так и для вращательного бурения.
