Современный отечественный и зарубежный опыт мелкого бурения позволяет сделать ряд обобщений и выводов по эффективности применения этого вида бурения. В общем способы мелкого морского бурения разделяются на механические и гидромеханические. Механический способ бурения в свою очередь подразделяется на ударно-канатный, ударно-забивной, вращательный колонковый, комбинированный, вибрационный и ручной. При гидромеханическом бурении используют гидравлические и эрлифтные буровые снаряды.
В ряде работ делается попытка оценить эффективность существующих способов мелкого бурения и дать рекомендации по их дальнейшему развитию. В результате новейших исследований и практических работ в этой области установлено, что в целях достижения максимального эффекта каждый способ мелкого бурения должен обеспечивать определенный вид геологических работ.
Геологическое картирование морского дна целесообразно выполнять путем использования хорошо зарекомендовавших себя буровых станков типа ЗИФ-ЗООМ, ЗИФ-650А, СБА-800, УГБ-50М, БСК-2М-100 и других, устанавливаемых на соответствующих по водоизмещению плавучих средствах (экспедиционных или буровых судах, металлических баржах и понтонах и т. д.) или на льду, при бурении в зимний период (в особенности в условиях Арктического прибрежья).
Применение того или иного способа бурения при ведении Рекогносцировочных, поисково-разведочных работ на твердые полезные ископаемые россыпного типа определяется в основном геолого-литологическим строением морского дна и видом изучаемого минерального сырья. Опыт показывает, что ударно-канатный способ, при его высокой производительности и технологической простоте процесса проходки скважины, при же-лонировании искажает истинное распределение в рыхлой толще полезных минеральных компонентов. Ударно-забивной способ бурения нашел сравнительно широкое распространение при изучении морских россыпей, однако и он имеет тот же основной недостаток, что и предыдущий способ, к тому же он не эффективен при проходке крупнообломочных отложений (включающих валуны, гальку или гравий).
Вращательное колонковое бурение является одним из наиболее распространенных способов бурения ввиду его высокой производительности, освоенной технологии, возможности проходки скважин в различных породах с хорошим качеством получаемой геологической информации. Однако вследствие особенностей этого способа («жесткая» связь буровой трубы с основанием) он оказался малоэффективным в морских условиях без соответствующих усовершенствований..
Достаточно высокая эффективность бурения скважин с плавсредств обеспечивается применением комбинированного способа бурения, сочетающего ударно-канатный и вращательный способы (установки типа БУК-75 и МРБ-75). В этом отношении перспективна установка конструкции Копачева- Трусо-ва БУК-75, обеспечивающая бурение скважин диаметром 254, 203 и 152 мм на глубину до 75 м. Эта установка может осуществлять комбинированное бурение при спуске бурового снаряда в скважину на канате, когда снаряд получает вращательное бурение от колонны обсадных труб при помощи шпоночного устройства. При вращательном бурении возможно повышение скорости проходки за счет включения ударного механизма станка. В ряде случаев, например при необходимости ускоренной проходки скважин на глубину до 40 м в рыхлых отложениях при геокартировании дна, успешно может быть применен вибрационный способ бурения. Возможности его при поисках россыпных месторождений несколько ограничены ввиду нарушения структуры отбираемого образца породы.
Ручное ударно-вращательное бурение при ведении морских геологических исследований можно применять в исключительных случаях, например при проходке и отборе монолитов слабых илистых отложений для специальных инженерно-геологических исследований. В других случаях этот способ малоэффективен и экономически нецелесообразен.
При оценке рассмотренных выше способов мелкого бурения важное значение имеет их геологическая эффективность, т. е. полнота получения необходимой геологической информации. Специальными исследованиями установлено [23], что при вибрационном и ударном способе бурения и воздействия на рыхлую породу происходит изменение положения тяжелых минералов в ее пробе и обогащение ими нижележащих слоев. Авторы этих исследований отмечают, что в процессе бурения в песчано-гли-нистых отложениях «проседания» тяжелой фракции не происходит, а обогащение его нижних слоев связано с механическими процессами, протекающими вблизи стенок буровых труб.
Некоторыми специалистами перспективным способом бурения при поисках морских россыпей признается гидромеханический способ бурения с использованием эрлифта и гидроэлеватора, при котором проходимая порода разрушается (разрыхляется) на забое путем механического и гидравлического воздействия струями воды, подаваемой в снаряд под напором. Полученная таким образом пульпа посредством эрлифта или иного гидравлического способа подается на палубу экспедиционного судна. Этот способ бурения высокопроизводителен, возможно эффективен на стадии разведки, когда требуется представительность опробования, но дает мало геологической информации.
Примером подобного гидромеханического способа бурения может служить буровой гидравлический снаряд (БГСТ), разработанный лабораторией техники и методики разведки ВНИИМОРГЕО (руководители работ А. Е. Смолдырев и А. К. Курбатов), который использовался в 1968—1971 гг. в прибрежье Балтийского, Охотского и Японского морей. Опытное применение этого снаряда продолжается.
Применение всех рассмотренных выше способов и средств сравнительно неглубокого морского бурения осуществляется путем монтажа буровых агрегатов на различных плавучих средствах. В зависимости от задач бурения, удаленности от берега и гидрометеоусловий района работ могут быть использованы разнообразные самоходные и несамоходные плавучие средства — от всех видов маломерных плавучих средств (шлюпки, вельботы, баркасы, катера, баржи, плоты, понтоны и т. п.) до крупнотоннажных экспедиционных и специальных буровых судов (типа буксиров, тральщиков, сейнеров и т. д.). Как видно из перечня плавсредств, которые могут быть использованы при мелком бурении, водоизмещение их может колебаться в очень больших пределах — от 5 до 600 т. Для улучшения остойчивости и плавучести плавсредств при бурении часто создаются двухкорпусные и даже трехкорпусные буровые основания (катамараны и тримараны).
В нашей стране применяют буровые установки, смонтированные на рыболовных сейнерах («Агат»), на буксирных судах («Киргиз» Азморнефтеразведки, «Геолог» Гипроморнефти и ДР-), на тральщиках («Лазарев» Азморнефтеразведки) на несамоходных баржах, плашкоутах и других маломерных средствах («Геолог-1», «Днепр-1», «Амур-1», «Циркон», «Белемнит» р т- д-) различных производственных и научных организаций. Специальное геологоразведочное судно ,,Агат», кроме различного дологического и геофизического оборудования, оснащено буровой погружной установкой (типа вибромолота) и пробоотбор пиками. Длина судна 34 м, ширина 7 м, высота борта 3,6 м, осадка 2,8 м, водоизмещение 267 т, скорость 9 узлов. Катамаран «Амур-1»—несамоходное буровое плавучее основание, главным назначением которого является бурение скважин глубиной до 30 м при оценке подводных россыпных месторождений. Это основание создано в Приморском ТГУ на базе двух корпусов ботов-краболовов; длина его 13,6 м и общая ширина 9 м. На основании установлен буровой станок ЗИФ-650А, на нем размещаются две электростанции ЖЭС-30 (мощностью по 30 кВт каждая) и другое оборудование.
В Приморском ТГУ в 1972 г. создано буровое плавучее основание ПРС-100, представляющее собой тримаран, базовым корпусом которого является рейдовый плашкоут ПРС-100 грузоподъемностью 100 т. На этой плавучей буровой установке предусмотрено выполнение вращательного и ударного бурения.
Плавучая буровая установка «Геолог-1» представляет собой дизельное судно-катамаран, созданное на базе двух понтонов, соединенных мостом с прорезью для спуска и подъема буровых труб. На понтоне установлен буровой станок УГБ-50М, имеется также сейсмоакустическая станция «Грунт», пенетрационно-каротажная станция и т. д. Эта установка используется в мелководной зоне шельфа для выполнения инженерно-геологических исследований.
Подробное описание подобных морских буровых установок, а также технология бурения, приводятся в специальных работах.
Как видно из описания средств пробоотборника и мелкого бурения, эффективное их использование требует знания конкретных естественно-географических условий, и в первую очередь гидрологических, состава и свойств донных осадков и пород как по простиранию, так и в особенности по глубине.
Из всего изложенного выше следует, что вопрос глубины отбора проб всеми способами пробоотбора и мелкого бурения до сих пор остается одним из важнейших. Этот вопрос не может быть успешно решен без учета особенностей формирования осадочных пород морского генезиса по глубине в каждом конкретном случае.
Теория осадкообразования, формирования и распространения морских отложений в общем виде была разработана русскими учеными А. И. Павловым, В. А. Обручевым, Н. М. Страховым и др. В 1959 г. автором была предложена схема их стадийного формирования и были установлены основные особенности и свойства прибрежных морских отложений Северных. Западных, Южных и Восточных морских бассейнов СССР. В результате выполненных исследований было установлено следующее.
1. Процесс осадкообразования и распределения морских отложений на шельфе не является процессом хаотичным, он подчинен закономерностям, обусловленным гидродинамическим режимом бассейна, подводным рельефом и геологическим строением дна, климатом и удаленностью области сноса терригенного материала.
2. Формирование морских осадочных пород является процессом длительным, в ходе которого породы проходят пять стадий (этапов) своего развития: седиментогенеза, раннего и позднего диагенеза, раннего и позднего катагенеза.
3. Каждая стадия формирования отличается своими, только для нее характерными особенностями и свойствами (состава, физическими, физико-техническими, механическими и т. д.).
4. Каждый естественно-географический морской район отличается своими особенностями распределения донных морских отложений, их свойствами и условиями формирования по глубине.
5. На эффективность применения методов и средств пробоотбора и бурения решающее влияние оказывают следующие свойства морских отложений и особенности их изменения по глубине: размер составляющих фракций, плотность (консистенция), влажность и содержание органических веществ.