Геофизические методы исследования земной коры (ГМИЗК), называемые по-разному: разведочная и скважинная; прикладная и промысловая; региональная, разведочная и геофизические исследования скважин (или каротаж), - это научно-прикладной раздел геофизики, предназначенный для изучения земной коры мощностью 35 - 70 км на суше и 5 - 10 км под дном акваторий океанов и морей.

Геофизика, как обобщающая наука, изучающая Землю и околоземное пространство с помощью естественных и искусственных физических полей занимает среди точных и естественных наук (астрономии, физики, математики, географии, геологии, химии) уникальное стыковое положение. Она использует достижения этих фундаментальных наук или родственных им научно-прикладных дисциплин (например, космонавтики, геодинамики, информатики, электроники, автоматики и др.), ставя перед ними немало проблем теоретического и прикладного плана.

Хотя иногда геофизику отождествляют с Физикой Земли, однако последняя наука изучает лишь Землю, как планету и ее оболочки: каменную - литосферу, мощностью порядка 100 км, астеносферу, простирающуюся до глубин 400 км, мантию - до глубин 2900 км, ядро внешнее (до глубин 5100 км) и внутренне (до центра Земли). Глобальная геофизика как обобщающая фундаментальная наука включает не только Физику Земли, но и геофизику космоса и атмосферы, гидросферы, а также науки, изучающие конкретные физические поля Земли: гравиметрию, магнитометрию, геоэлектрику, сейсмологию, сейсмометрию, термометрию, ядерную геофизику. Из этих фундаментальных геофизических наук выделяются научно-прикладные разделы. Так, геофизика воздушной оболочки включает физику космоса и атмосферы, метеорологию, климатологию и др. Геофизика водной оболочки (гидросферы) состоит из гидрофизики, океанологии, физики моря, лимнологии (изучение озер), гидрологии (изучение рек), подземной гидросферы, гляциологии (изучение ледников) и др. Из геофизики литосферы выделились разведочная или прикладная геофизика с методами, имеющими большое практическое значение при поисках и разведке полезных ископаемых и называемыми гравиразведкой, магниторазведкой, электроразведкой, сейсморазведкой, терморазведкой, ядерно-геофизической и геофизические методы исследования скважин (ГИС).

Глава 1. Геофизические методы поисковых работ.

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 (Каротаж) 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.

Глава 2. Бурение ручными способами.

В бурах, применяемых в настоящее время в хозяйствах для бурения небольших скважин, используется, как правило, принцип винтового движения. В связи с этим изготовление такого бура представляет некоторую сложность и требует соответствующего оборудования. Выше говорилось об изготовлении бура в домашних условиях. Материалом для него является практически любая сталь. Применение бура не требует затраты больших физических усилий, а срок службы в одном хозяйстве ориентировочно оценивается в 20-30 лет. Бур состоит из полотна в виде металлического листа с петлей и наконечником на од-ном конце и с отверстием для ручки на другом, а также ручки - металлической трубы или деревянного цилиндра диаметром 20-25 мм и длиной 500 мм. одновременном легком вертикальном нажатии на ручку. После заглубления полотна на величину, равную высоте петли, бур поднимают вверх для освобождения петли от грунта. Затем все повторяется до получения скважины требуемой глубины.

В принципе ручной бур входит в нижние слои грунта так же, как и механический. Он помогает определить состав грунта до 2 метров глубины. Для ручного механического бурения ударно-вращательным способом используется тренога из тонких бревен длиной 5-6 м и толщиной в верхнем обрезе 10-12 см и ворот (лебедка). Концы треноги просверливают и скрепляют болтом, к которому крепится серьга с блоком. Кроме того, на место скрепления бревен набрасывается веревка в виде петли, а конец ее спускается по одной из стоек. Веревка необходима для крепления штанги с буровым сверлом при установке вертикального снаряда.
При глубине скважины более 10 м процесс ручного ударно-вращательного бурения становится очень тяжелым и трудоемким. Длинные штанги гнутся, трудно избежать искривления оси скважины, много времени уходит на свинчивание- развенчивание штанг, возникает опасность их разрыва. А когда бур не идет, натыкаясь на камни, работа превращается в настоящее мучение. Между тем дело можно существенно облегчить, если штанги заменить стальным тросом или даже веревкой и производить бурение только ударным способом. В настоящее время этот ударно-канатный способ имеет некоторое промышленное значение, применяясь в основном при бурении глубоких скважин на воду. Станок ударно-канатного бурения для сооружения колодцев был изобретен еще в Древнем Китае, и в принципе он не отличается от современных конструкций. Древнее техническое оборудование было преимущественно деревянным и приводилось в движение вручную. Несмотря на медленные темпы бурения, которое иногда длилось несколько лет и даже десятилетий, сооружались глубокие колодцы глубиной 1200-1500 м. Правда, строились они для добычи рассола и газа, а не для получения питьевой воды. Снаряд Шитца, который "работает чрезвычайно быстро и просто. В течение дня, если работать вдвоем, со всеми приготовлениями, можно легко пробить скважину диаметром 270 мм до 20 м глубиной". Буровой снаряд Шитца состоял всего из четырех несложных инструментов и был доступен для изготовления в любой кузнице.

Перед бурением в скважину глубиной 1 м (делается буравом) устанавливают вертикально столб диаметром 140-200 мм и закрепляют оттяжкой за якорь. На верху столба заранее делают поперечину (в виде глаголицы) с подкосом и блоком. Подвешенным на блоке буравом намечают центр скважины. Начинают проходку скважины тем же буравом на глубину 1 м.

Далее работу ведут коническим стаканом - это основной инструмент. Поднимают его за веревку на высоту 1-1,5 м и бросают. Стакан врезается в дно скважины, грунт входит в него, уплотняется и удерживается в стакане, пока его вытаскивают на поверхность. Может случиться, что стакан будет забирать грунта слишком мало или совсем его не забирать. Это происходит в тех случаях, когда грунт очень тверд и сух или состоит из сыпучего песка или песка, напитанного водой (плывуна). В первом случае надо подливать в забой воду, во втором - подсыпать немного растительной земли и незначительно смачивать водой. Можно также пустить в дело цилиндрический стакан или желонку. Последняя и предназначена для проходки сыпучих и оплывающих грунтов, поскольку снабжена клапаном. С помощью желонки можно извлекать и довольно большие камни, лишь бы они смогли пройти в отверстие под клапан. Желонка в плывучих грунтах будет успешно забирать породу. Но поскольку порода будет заливать скважину, проходку скважины придется вести одновременно с опусканием обсадной трубы. Материалы, из которых делают обсадные трубы, могут быть самыми разными, здесь же мы пока остановимся на конструкции обсадной трубы из досок. Это один из самых доступных вариантов. Заметим, что современные материалы позволяют несколько упростить конструкцию дощатой обсадной трубы - шины сделать вставными, а все соединения собрать на водостойком синтетическом клее, например, эпоксидном, с запрессовкой шурупами или гвоздями. Доски нижнего конца обсадной трубы заостряют, закругляют и в них также просверливают отверстия для прохода воды в водоносном слое. Верхние доски устанавливают в разбег, чтобы разнести стык при наращивании трубы. Обсадную трубу во время проходки скважины опускают до самого дна. Описанный выше снаряд Шитца без помощи кузнеца изготовить совсем непросто. Так, даже в условиях довольно оснащенного ремонтно-механического цеха конический стакан автору сделать не удалось. Поэтому пришлось изготовить этот инструмент из двух отрезков труб: в нижней вырезали клинья кислородным резаком, нагрели до пластичного состояния, подогнули и заварили - получился конус.
Здесь не будут рассматриваться особенности бурения различных пород, слишком их много. Строитель колодца сам приспособится к "своим" породам, подбирая тот или иной инструмент. В ряде случаев дело облегчается, если в забой подливать воду. Тогда и процесс бурения идет легче, и разбуренные породы, особенно твердые, легче забрать желонкой.
При каждом подъеме из забоя бурового инструмента его надо тщательно осматривать. И все же, несмотря на все предосторожности, случаются аварии. Наиболее слабым местом при ударно-канатном бурении является крепление стального троса в канатном замке. При заклинивании инструмента в забое трос иногда можно вырвать из замка. В этом случае для извлечения инструмента придется изготовить ловитель. Перед спуском ловителя в скважину зубья его надо отвести в крайнее положение, сжав пружины и закрепив зубья штифтами. Когда ловитель наденется на верхнюю часть канатного замка - на конусную гребенку, торец замка приподнимет траверсу, штифты освободят зубья, и последние под воздействием пружин захватят замок за конические выступы.

Когда проходка скважины ведется с обсадной трубой, буровой инструмент должен проходить внутри трубы с зазором 10-15 мм на сторону. Остающийся на стенках скважины лишний грунт будет срезаться обсадной трубой при ее опускании. Здесь опять весьма полезной окажется тяжелая штанга, которой трубу можно основательно пристукнуть и осадить вниз. Стальная труба в этом случае будет наилучшей.

Если скважина проходит через твердые поропласты камня, срезать стенки с помощью обсадной трубы уже не удастся. Можно попытаться расширить скважину эксцентричным долотом, но более эффективным инструментом является специальный расширитель. Этот расширитель имеет два резца, которые могут поворачиваться на оси и, выступая наружу, за края обсадной трубы, разрабатывать соответственно скважину большего диаметра. Расширитель работает вместе с долотом. Чтобы спустить расширитель в обсадную трубу, надо его резцы отогнуть вниз, сжав пружину.
Пройдя нижний обрез обсадной трубы, резцы под воздействием сжатой пружины (через подкладку) расходятся и устанавливаются в рабочее положение . При падениях ударной штанги резцы срезают породу со стенок скважины за пределами обсадной трубы. Когда инструмент поднимают на поверхность, резцы упираются в края обсадной трубы, поворачиваются вниз, преодолевая сопротивление пружины, и проходят в обсадную трубу.

Глава 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.

Заключение

Возрастание роли геофизики в связи с увеличением глубин и сложности разведки месторождений ведет не к замене геологических методов геофизическими, а к рациональному их сочетанию, широкому использованию всеми геологами данных геофизики. Единство и взаимодействие геологической и геофизической информации - руководящий методологический принцип комплексирования наук о Земле. Объясняется это тем, что возможности каждого частного метода геологоразведки (геологическая съемка, бурение, проходка выработок, геофизика, геохимическая разведка и др.) ограничены. Однако, в любых условиях геофизика облегчает разведку глубокозалегающих полезных ископаемых, особенно в труднодоступных районах.

Сближение и совместное использование и геологической, и геофизической информации - единственный разумный и экономически целесообразный путь изучения недр.

Таким образом, обобщая сказанное выше, следует повторить, что исследования земной коры (прикладная геофизика) - это многогранная научно-прикладная дисциплина со сложной структурой и разными подходами к классификациям по:

· используемым полям (грави-, магнито-, электро-, сейсмо-, терморазведка и ядерная геофизика),

· технологиям и месту проведения работ (аэрокосмические, полевые, акваториальные, подземные методы и геофизические исследования скважин),

· прикладным направлениям и решаемым задачам (глубинная, региональная, разведочная, инженерная и экологическая геофизика),

· видам деятельности (теоретическая, инструментальная, экспериментальная, вычислительная и интерпретационная геофизика).

Список используемой литературы

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

2. "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

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