Керн и основные виды керноприемных устройств

Тема 8

БУРЕНИЕ С ОТБОРОМ КЕРНА

Керн и основные виды керноприемных устройств

Столбик горной породы, обуриваемый бурильной головкой при бурении кольцевым забоем, называется керном. Керн извлекается на поверхность и служит основным материалом для прямого изучения состава, строения и механических свойств горных пород разреза месторождения, а также для решения ряда задач при его разведке и разработке. Поэтому извлечение высококачественного и в достаточном количестве керна является одной из главных задач при бурении разведочных скважин.

Основным количественным показателем отбора керна принят вынос керна в %:

В = (Н_к /Н)100, (8.1)

где Н_к – длина керна; Н – длина интервала, пробуренного с отбором керна.

Особенностями бурения с отбором керна являются подчинение всех технологических мероприятий максимальному выносу керна, а при выборе инструмента – обеспечению сохранения не только его наружного диаметра, но и внутреннего кернообразующего диаметра, так как любое изменение диаметра керна в процессе бурения делает проблематичным сохранение его целостности, отрыв от забоя и извлечение на поверхность.

Схема образования керна и основные схемы колонковых долот приведены на рис. 8.1. Колонковое долото состоит из бурильной головки 1, предназначенной для проходки скважины кольцевым забоем с образованием керна, и присоединенного к ней керноприемного устройства, предназначенного для размещения керна, его сохранения, отрыва от забоя после окончания выбуривания и транспортирования на поверхность.

Керноприемные устройства делятся на три группы:

1) бескорпусные, простейшие;

2) корпусные со стационарной колонковой трубой;

3) корпусные со съемной колонковой трубой.

Признаками качества керна являются:

1) диаметр керна D_к;

2) степень размыва и загрязненности буровым раствором;

3) целостность (неразрушенность).

До рассмотрения керноприемных устройств, пользуясь обозначениями на рис. 8.1, введем основные показатели, характеризующие совершенство колонковых долот с точки зрения отбора керна.

Коэффициент керноотбора

K₁ = D_к / D_г, (8.2)

D_г – наружный диаметр бурильной головки.

Рис. 8.1. Колонковые долота для различных видов бурения

Чем выше К₁, тем лучше колонковое долото удовлетворяет требованию отбора керна максимально возможного диаметра.

Коэффициент керноприема

K₂ = D_к / h_к, (8.3)

где h_к – расстояние от забоя до входа в керноприемное устройство.

Чем больше К₂, тем меньше керн подвергается прямому воздействию потока промывочной жидкости и вращающегося инструмента, тем меньше керн размывается и разрушается.

Простейшее керноприемное устройство (рис. 8.1, а) устанавливается непосредственно над бурильной головкой (коронкой) 1 и состоит изколонковой трубы 2, выполняющей одновременно функции корпуса, и переводника 3 для присоединения к бурильному инструменту. Такие инструменты широко применяют при бурении структурно-поисковых скважин малого диаметра от 36 до 151 мм. Коронка 1 предназначена для выбуривания керна. Вооружение ее может быть твердосплавными или алмазным, т.е. это инструмент режуще-истирающего действия. Выбуренный керн размещается в колонковой трубе. Промывочная жидкость при движении вниз проходит через зазор между керном и колонковой трубой, что является основным недостатком простейшего колонкового долота. Керн отрывается от забоя и удерживается в колонковой трубе при подъеме инструмента внутренним конусом коронки. Это обеспечивается тем, что в мягких горных породах (глинах) проводится «затирка» керна, а в твердых – его «заклинка». При «затирке» перед подъемом инструмента бурят без промывки до 1 м. Выбуриваемый при этом шлам набивается между керном и коронкой и при подъеме инструмента заклинивает керн в конусе коронки. В средних и твердых горных породах бурить без промывки нельзя. В этом случае перед подъемом в бурильный инструмент засыпают «заклинку» (например, щебень, битое стекло) и продавливают ее промывочной жидкостью до коронки. Момент достижения «заклинки» коронки отмечается по повышению давления на насосе. В этот момент насос отключают и начинают подъем инструмента.

Достоинствами рассмотренного колонкового долота являются простота конструкции и максимальный коэффициент керноотбора (до 0, 87).

Корпусные керноприемные устройства со стационарной колонковой трубой (рис. 8.1, б) предназначены, в основном, для глубокого роторного бурения включают корпус 2, который через переводник 3 соединяется с бурильным инструментом. В корпусе на подшипнике 4 подвешена колонковая труба, в верхней части которой установлен дренажный клапан 5 со сбрасываемым шаром. К нижней части колонковой трубы привинчен корпус 6 кернорвателя 7, предназначенные для отрыва керна от забоя и удержания его в колонковой трубе во время подъема инструмента.

В скважину колонковое долото спускают без шара дренажного клапана. Перед началом бурения колонковую трубу промывают, а затем сбрасывают в бурильные трубы шар, что обеспечивает защиту керна от прямого воздействия промывочной жидкости и вытеснение ее из колонковой трубы по мере заполнения ее керном.

Размещение керна в колонковой трубе, защита его от размыва и применение кернорвателей позволили повысить вынос керна и его качество. Однако при этом уменьшился коэффициент керноотбора, который у этой группы устройств не более 0, 44.

Корпусные керноприемные устройства со съемной колонковой трубой применяются как при роторном, так и при турбинном бурении. Рассмотрим особенности этой группы устройств на примере колонкового турбодолота (рис. 8.1, в), которое предназначено для отбора керна при высокооборотном бурении и создано на базе турбобура с полным валом, через который проходит съемная колонковая труба (грунтоноска). Бурильная головка 1 преимущественно дробяще-скалывающего действия крепится на валу 2 турбодолота. Переводником 3 турбодолото присоединяет к бурильному инструменту. В корпусе 4 на неподвижной конической подвеске 5 установлена грунтоноска 6, которая проходит через вал 2 и корпусом кернорвателя 7 входит в центрирующую втулку 8 бурильной головки. В верхней части грунтоноска снабжена конической головкой для захвата ее шлипсом и подъема из скважины без подъема бурильного инструмента.

В скважину турбодолото спускают без грунтоноски, которую сбрасывают в бурильные трубы после промывки перед началом отбора керна. После углубления скважины на длину грунтоноски последнюю извлекают из скважины с помощью шлипса, спускаемого на канате в бурильные трубы. Если бурильная головка не изношена, то в скважину сбрасывают другую грунтоноску, и бурение продолжают.

Основное преимущество турбодолот – высокая скорость проходки. К недостаткам относятся низкий коэффициент керноотбора, не превышающий 0, 28, и высокая динамичность работы. Поэтому удовлетворительный вынос керна турбодолота обеспечивают только в твердых монолитных горных породах.

8.2.Бурильные головки

Бурильные головки как и долота различаются по классу, типу, принципу воздействия на забой, материалу вооружения и конструк­ции основных рабочих элементов. Бурильные головки в отличие от долот не бывают гидромониторными. Более того, в их конструкциях предусмотрены меры по защите керна от прямого воздействия струй промывочной жидкости, а при проектировании режима бурения накладываются ограничения на количество подаваемой на забой жидкости.

Колонковые долота могут иметь стацио­нарную или съемную колонковую трубу. При этом диаметр стационар­ной трубы всегда больше, чем съемной. Поэтому бурильные головки, предназначенные для работы с разными керноприемными устройства­ми, имеют разные соотношения диаметров их кернообразующих отверстий и самих головок.

Шифр бурильных головок, выпускаемых заводом Уралбурмаш начинается с буквы К (колонковая). Если в шифре содержится вторая буква С, например КС, то эта головка для керноприемного устройства со съемной колонковой трубой (грунтоноской). Последующие буквы характеризуют особенности конструк­ции бурильной головки. После букв идут цифры дробью: числитель - диаметр бурильной головки, знаменатель - диаметр кернообразующего отверстия (в мм). Далее следуют тип и класс бурильной головки, как и у долот. В конце шифра могут стоять цифры, отражающие номер модификации. Примеры шифров: К212, 7/100М, КС212, 7/60ТКЗ и т.д. Разные изготовители обычно используют свои шифры, буквы в которых могут существенно отличаться от приведенных выше.

Наилучшие результаты с точки зрения качества керна дают алмазные бурильные головки и головки, оснащенные сверхтвердыми материалами. Это объясняется тем, что у таких инструментов практически не изменяются диаметры головки и кернообразующего вооружения, а также такие инструменты имеют минимальную динамичность работы.

Основные характеристики алмаз­ных бурильных головок приведены в табл. 8.1.

Таблица 8.1

Алмазные бурильные головки и соответствующие им характеристики

горных пород

Из табл. 8.1 видно, что алмазные бурильные головки, как и алмазные долота, не предназначены для бурения высоко абразивных и очень твердых горных породах.

Бурильные головки ИСМ изготавливают типов С и Т для работы с керноприемными устройствами с несъемной колонковой трубой. Общий вид одной из конструкций приведен на рис. 4.37, в. Основные характеристики и шифры приведены в табл. 8.2.

Из табл. 8.2 видно, что бурильные головки ИСМ предназначены для отбора керна в горных породах, твердость которых не превышает шестой категории, но бурильными головками типа Т можно отбирать керн в высоко абразивных горных породах.

Шарошечные бурильные головки типов МСЗ, СЗ, СТ и ТКЗ изготав­ливаются для керноприемных устройств, как с несъемными, так и со съемными колонковыми трубами. Они предназначены для отбора керна в тех условиях, где нельзя применить нешарошечные буриль­ные головки.

Таблица 8.2

Бурильные головки ИСМ и соответствующие им характеристики

горных пород

Бурильные головки типа МСЗ имеют восемь шарошек, размещенных в корпусе на четырех горизонтальных осях. Четыре шарошки обрабатывают периферийную часть забоя и четыре - приле­гающую к керну. Вооружены шарошки твердосплавными клиновыми зубками. Диаметр кернообразующего отверстия 80 и 100 мм. Шифр, например, К212, 7/80 МСЗ.

Бурильные головки типа СЗ имеют три чечевицеобразные шарошки, вооруженные клиновыми твердосплавными зубками. Шифр, например

К 187, 3/80 СЗ. Бурильные головки МСЗ и СЗ режуще-истирающего действия, хотя по конструкции шарошечные.

Бурильные головки типов СТ и ТКЗ выпускаются в шестишарошечном исполнении с кернообразующими отверстиями 80 мм и восьмишарошечном с кернообразующим отверстием 100 мм (К187, 3/80 СТ; К212, 7/80 СТ; К187, 3/80 ТКЗ; К212, 7/80 ТКЗ и К212, 7/100 ТКЗ).

Шестишарошечные бурильные головки имеют два вида шарошек: три шарошки для разрушения периферийной части забоя и три - для разрушения части забоя, прилегающей к керну. Восьмишарошечные головки имеют соответственно по четыре шарошки обоих видов. Эти бурильные головки дробяще-скалывающего действия и предназначены для работы с керноприемными устройствами с несъем­ной колонковой трубой. Специфичность конструкции этих головок обусловлена стремлением получить максимальные коэффициенты керноотбора и керноприема, а также обеспечить защиту керна от прямого воздействия струй промывочной жидкости.

Бурильные головки типов СТ и ТКЗ для керноприемных устройств с несъемной колонковой трубой, например, для турбодолот, изготав­ливаются четырехшарошечными и по конструкции во многом похожи на трехшарошечные долота. Принципиальное отличие имеет только система промывки: подача промывочной жидкости к забою осуществляется через отверстия или пазы вокруг центрирующей втулки. Бурильные головки типа СТ имеют фрезеро­ванное стальное вооружение, но кернообразующая часть шарошек оснащена твердосплавными клиновыми зубками. Бурильные головки ТКЗ оснащены только твердосплавными зубками. Примеры шифров бурильных головок: КС187, 3/40 СТ; КС212, 7/60 ТКЗ; КС215, 9/60 ТКЗ и т.д.

Бурильными головками, как и алмазными долотами, нельзя прорабатывать скважину, а поэтому их диаметр меньше, чем соот­ветствующий диаметр неалмазных долот. Исключение могут состав­лять четырехшарошечные бурильные головки.

Изучение конструкций бурильных головок будет проведено во время лабораторных работ.