Существуют разные способы бурения. Если глубина скважины не велика, то двигатель, находящийся на поверхности, вращает колонну стальных бурильных труб; на нижнем конце трубы крепится буровая коронка (рис3), армированная твердыми сплавами или алмазами.
Вращаясь коронка вырезает цилиндрический столбик породы, которая постепенно заполняет специальную внутреннюю (колонковую) трубу, при бурении без отбора керна часто используют буровые головки, которые представляют собой систему нескольких вращающихся конусов, армированных твердыми сплавами (рис4).
Если стенки скважины неустойчивы, в нее опускают стальную обсадную трубу. В процессе бурения насос постоянно закачивает в скважину специальный глинистый раствор, необходимый для придания устойчивости стенкам, охлаждения инструмента, выноса мелких частиц породы (шлама) и других целей. Время от времени колонну буровых труб поднимают на поверхность с помощью лебедки, установленной на буровой вышке, выгружают керн, если необходимо, заменяют изношенную коронку на новую и опять опускают буровой снаряд на забой.
Бурение сопровождается измерениями физических свойств пород вдоль ствола скважины. Для этого на специальном кабеле в скважину опускают приборы которые фиксируют температуру, электропроводность, магнитную восприимчивость и друге свойства пород. Этот процесс называют каротажем скважин.
Как показывает опыт бурения в США и других странах, Увеличивая мощность двигателей и давления насосов, нагнетающих буровой раствор, повышая грузоподъемность лебедок и прочность стальных буровых труб, таким способом можно бурить скважины глубиной до 9-10 км. Для более глубоких скважин нужны нетрадиционные инженерные решения. Многие из них были предложены и реализованы в ходе выполнения программ сверхглубокого научного бурения.
Так, если забой скважины находится на многокилометровой глубине, целесообразно использовать забойные двигатели, установленные не на поверхности а в нижней части буровой колонны, которая при этом сама не вращается. Забойные двигатели представляют собой миниатюрные турбины или винтовые механизмы, которые приводятся во вращение буровым раствором, нагнетаемым под давлением в скважину.
Для того чтобы уменьшит вес колонны буровых труб длинной в несколько километров, их изготавливают из специальных легких, но достаточно прочных и термостойких сплавов. Например при бурении Кольской скважины были использовали алюминиевые сплавы, которые в 2-4 раза легче стали. Для этих же целей предлагается применять трубы из титановых сплавов.
Когда скважина достигает большой глубины, возникает значительная разница между гидростатическим давлением столба бурового раствора и литостатическим давлением, обусловленным весом горных пород. В результате стенки скважины могут быть разрушены, что приводит к серьезным осложнениям при бурении. Для того чтобы уравновесить горное давление увеличивают плотность бурового раствора примерно до 2г на сантиметр кубический, добавляя в него специальные наполнители.
Одна из наиболее сложных технических задач заключается в том, чтобы обеспечивать надежную работу бурового оборудования при высоких температурах, существующих в сверхглубоких скважинах. Это касается металлических деталей, их соединений, смазок, бурового раствора и измерительной аппаратуры. Хотя на забое, то есть в самой нижней точки скважины Солтон-Си в США на глубине 3220м была зафиксирована температура 355 градусов С, а в другой скважине, пробуренной до1440м в одной из вулканических структур на западе США, измеренная температура достигла 465С, современные технические средства не позволят бурить сверхглубокие скважины при столь высоких температурах в течении длительного времени, поскольку термостойкость существующего оборудования не превышает 200-300С. Самые большие проблемы возникают с измерительной аппаратурой, особенно с электроникой, которая отказывает уже при 150С. Водные Буровы растворы сохраняют технологические свойства до 230-250С. При более высокой температур приходится переходить на нефтяную основу растворов и применять более сложные смеси. Высокая температура земных недр остается одним из главных факторов ограничивающих глубину научного бурения.
Серьезные технические трудности связаны с самопроизвольным искривлением глубоких скважин в процессе бурения из-за неравномерного разрушения парод на забое, геологических неоднородностей, разреза и других причин. Например, забой Кольской скважины на глубине 12 км отклонился от вертикали на 840м. существуют технические приемы удержания скважины в вертикальном положении. Так, благодаря удачной конструкции скважина КТБ-Оберпфальц в Германии оставалась до глубины 7500 м самой вертикальной скважиной в мире. Однако глубже это приспособление вышло из строя из-за высоких давлений и температур, и скважина пошла своим путем; в результате на глубине 9101м она отклонилась о вертикали на 300 м.
Сверхглубокое бурение требует создания специальной измерительной аппаратуры, контролирующей условия вдоль ствола на забое. Обычная технология каротажа с датчиками, которые опускают в скважину на термостойком кабеле, мало пригодна для этих целей. Разработана телеметрическая и другая электронная аппаратура, которая крепится на буровом снаряде, а так же автономные измерительные приборы, которые опускаются вниз и выносятся наверх потоком бурового раствора, сигналы датчиков могут передаваться не по проводам,, а гидравлическим способом, путем создания импульсов давления в буровом растворе.
Глубокие и сверхглубокие скважины имеют телескопическую конструкцию. Бурение начинают с самого большого диаметра (92 см в Кольской скважине, 71см в скважине КТБ-Оберфальц), затем переходят на меньшие. Нижняя часть Кольской скважины пробурена диаметром 21,5 см. а диаметр скважины КТБ-Оберфальц на забое был 16,5 см.
Механическая скорость бурения составляет в среднем 1-3м/час. за один рейс между спуско-подъемными операциями углубляются в среднем на 6-10м. Средняя скорость подъема колонны буровых труб равна 0,3-0,5 м/с. Не менее 10% тратится на измерения в скважине. В целом бурение одной сверхглубокой скважины занимает годы и стоит очень дорого. Например бурение одной сверхглубокой скважины в Германии обошлось в 583 млн немецких марок. Затраты на сверхглубокое бурение в нашей стране были не меньше.
При бурения сверхглубоких скважин нередко возникают аварии, вызванные мертвым прихватом бурового снаряда и другими причинами. На устранение аварии требуется много времени, зачастую их не возможно устранить, приходится начинать бурение нового ствола. Поэтому многокилометровый столбик керна диаметром от 5 до 20 см, который являются одним из основных, но не единственным результатом научного бурения, становится поистине драгоценным. Керн тщательно документируют и хранят в специальных помещениях. Его изучением занимаются большие коллективы специалистов, которые проводят разнообразные исследования. Например, материал, полученный при бурении немецкой сверхглубокой скважины, изучали около 400 ученых, результаты этих исследований были опубликованы в 2000 научных публикаций!
После того как бурение сверхглубокой скважины закончено, она превращается в постоянно действующую лабораторию. Специалисты следят за изменением режима земных недр вдоль ствола скважины и в околоскважинном пространстве, проводят различные эксперименты. Такие лаборатории созданы на базе Кольской и Воротиловской скважин в России и скважины КТБ-Оберфальц в Германии.