ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Тюменский государственный нефтегазовый университет»

Институт Нефти и Газа

Кафедра «Бурение нефтяных и газовых скважин»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

по дисциплине «РАЗРУШЕНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН» специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» для студентов очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения

(часть 4 - Инструмент для отбора керна)

Тюмень – 2007

Утверждено редакционно-издательским советом

Тюменского государственного нефтегазового университета

Составители: В.Г. Абатуров - к.т.н., доцент;

А.Ф. Семененко – ассистент.

Под общей редакцией профессора В.П. Овчинникова

Рецензент: д-р техн. наук, профессор Г.А. Кулябин

© Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2007

Содержание

Введение……………………………………………………………….....4

Лабораторная работа № 1 Кернорватели………………...………….....5

Лабораторная работа № 2 Бурильные головки ………………………18

Список использованных источников………………………………....33

Введение

Методические указания предназначены для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения и могут быть использованы при выполнении учебно-исследовательских работ студентами других специальностей.

Целью ознакомления студентами инструмента для отбора керна.

Методические указания будут полезны при изучении курсов по технологии бурения нефтяных и газовых скважин и заканчивания скважин.

Лабораторная работа № 1

Тема: Кернорватели.

Цель работы: Изучение инструмента для отбора керна.

Отбор образцов горных пород в виду столбика (колонки), называемом керном играет существенную роль на всех стадиях разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. Изучение геологического строения массива горных пород, подсчет запасов и составление проектов разработки залежей требует получения большого объема информации, который может быть также получен при помощи проведения географических методов исследований. Но в силу того, что керн является прямым источником информации о свойствах горных пород, его доля по данным работы [1], достигает 70-80 % от всего объема информации.

Отбор керна производится при помощи керноотборного инструмента с бурильной головкой, разрушающей породу по кольцу у стенки забоя с сохранением в центре скважины столбика керна.

Для этого необходимо выполнить следующие операции [2]:

• Разрушение породы по кольцу для образования столбика керна;

• Продвижение керна в керноприемную трубу для сохранения его во время рейса;

• Отделение столбика керна от забоя при необходимости подъема инструмента;

• Подъем керна на устье;

• Извлечение колонки керна из керноприёмной трубы наклоном её и лёгким постукиванием.

Керноотборные инструменты

В практике геологоразведочных работ керноотборное устройство носит немало различных названий. Это колонковый снаряд, двойной колонковый набор, колонковое турбодолото, шпиндель универсальный керноотборный и т.д.

Керноотборные инструменты совершенствовались вместе с совершенствованием бурового дела. В 19 веке при всеобщем распространении ударного способа бурения геологические службы довольствовались отбором разрушенной горной породы (шлама) из желонок, но при этом получение такой информации, как пористость, проницаемость, нефтенасыщенномть, содержание остаточной водонасыщенности в породах не представлялось возможным.

При переходе на вращательное бурение использовались примитивные инструменты для отбора образцов пород.

По данным Брентли Д. Е. [3], Копылова В. Е. [4] первые устройства были следующие:

1 Ложковый бур. Это стальной цилиндр с вертикальной прорезью и скошенным внизу режущим лезвием, которым и осуществляется разрушение мягких горных пород при углублении. Инструмент называют также «буровой ложкой». Следует отметить, что этот инструмент почти без изменений применяется до сих пор при бурении неглубоких инженерно-геологических скважин.

2 Трубный паук, изготовленный из бурильной трубы. На нижнем конце ее при помощи ножовки или ацетоновой резки вырезают зубья. При осевой нагрузке и вращении с малым расходом бурового раствора, или без него, конец трубы погружается в породу, зубья загибаются и захватывают керн.

3 Дробовый бур, представляющий собой одинарную колонковую трубу с дробовой коронкой. При вращении дробь разрушает по кольцу горную породу, образуя столбик керна, который заклинивается в коронке гвоздями, крупными частицами твердых горных пород единовременно добавляемых в буровой раствор.

В настоящее время в стране производятся только керноотборные устройства для бурения ротором или с подвеской его на вал гидравлического забойного двигателя:

• Серии «Недра» для отбора керна в породах I и II категории трудности, то есть в неосложненных условиях. Это устройство керноотборные роторные типов УКР-122/52, УКР-138/69, УКР-164/80, УКР-203/100. Первая цифра шифра УКР обозначает диаметр скважины, вторая – диаметр керна в мм.

• Серии «Кембрий» для отбора керна в рыхлых, слабо сцементированных, размываемых буровым раствором, III категории пород по трудности отбора керна. Это УКР-172/100, УКР-127/67, УКР-122/67.

• Серии «Силур» применяется в интервалах горных пород, осложненных прихватами бурильных колонн. Эта серия керноотборных устройств включает УКР-114/52, УКР-146/80.

• Серии «Тенгиз», предназначенных для отбора керна в условиях наличия нефтегазоводопроявлений и поглощений буровых растворов. Представлена одним типом устройства УКР-185/100.

Схематическое устройство приведенных керноотборных устройств показано на рисунке 1.

Конструкция регулировочной головки 1 существенно отличает комплекс описанных керноотборных устройств от известных ранее. Благодаря головке достигается регулирование зазора между башмаком кернорвателя и бурильной головкой без подъема керноприемной трубы 4. Узел шарикоподшипника 2 позволяет предотвращать вращение керноприемной трубы 4 с кернорвателем во вращающимся корпусе 3. Шаровой клапан 5 предотвращает размыв керна струей бурового раствора. Важным усовершенствованием устройства является применение съемного эжектора, монтируемого вместо шара 5, для создания в керноотборном устройстве обратной

Рисунок 1 - Схематическое устройство керноотборных устройств

промывки. Это конструктивное решение позволяет повысить вынос керна за счет предотвращения заклинки керна в верхней части керноприемника скопившимся буровым шламом.

Базовой моделью всех описанных устройств является двухсекционное устройство, но «Недра», «Силур» используются также в односекционной и трехсекционной сборках, длиной 8, 16, 24 м и больше.

Что касается степени совершенства керноотборных устройств серий «Недра» и «Кембрий», то коэффициент керноотбора К₀ соответственно равен: «Недра», «Силур» - К₀=0,37-0,38; «Кембрий» - К₀=0,47-0,49.

Заметим, что коэффициент керноотбора К₀ должен быть К₀>0,40, то есть в конструкции керноотборного устройства «Кембрий» это условие соблюдено.

Коэффициент керноприема К_п, характеризующий отношений диаметра керна к расстоянию от керноприема до забоя скважины, который должен быть К_п>0,7 у современных керноотборных устройств равен:

- керноотборные устройства «Недра», «Силур» К_п=0,5

- керноотборное устройство «Кембрий» К_п=7,0-10,0.

В печати опубликованы материалы о разработке новых керноотборных устройств из серии «Недра», например УКР-172/80-100 «Лайнер» с пластиковым вкладышем, УКР-195/120 «Риф» для отбора керна из рыхлых, сыпучих, сильно трещиноватых пород.

Для отбора керна из интервалов трещиноватых пород, склонных к самозаклинке в керноприемной трубе, в ВНИИБТ разработано керноотборное устройство магазинного типа серии МАГ, приведенное на рисунке 2.

Устройство может быть использовано с приводом от ротора или с подвеской на вал ГЗД. Устройство серии МАГ включает бурильную головку 1, разрушающую горную породу кольцевым забоем, керноприемную трубу 4 с кернорвателем и керноломом 2, переводник 3 для фиксации керноприемной трубы 4. Частицы керна, изломанные керноломом, по керноприемной трубе 4, по изогнутой керноприемной трубе 5 частью потока бурового раствора поднимаются в магазин в корпусе 6. Кроме того, цифрой 7 обозначена юбка для изменения направления обратного потока, специальный переводник для обратной промывки 8. Над переводником 8 размещается утяжеленная бурильная труба 9 с отверстиями. Далее труба с опорной плитой 10 и узел обратной промывки 11.

Рисунок 2 – Керноотборное устройство магазинного типа

серии МАГ

Важным этапом создания новой техники отбора керна повышенной информативности является разработка керноотборных устройств с изоляцией керна при бурении с раствором на водной основе. Разработанные в 80-90-х годах прошлого столетия в ЗапСибБурНИПИ под руководством Хайруллина Б. Ю. керноприемники изолирующие, маслонаполненные серии КИ, примененные на скважинах Уренгойского, Песцового, Берегового, Колик-Еганского и Ван-Еганского месторождений позволили получить увеличение выноса керна в рыхлых, слабоцементированных породах с 15-30 % до 82,5 %.

На рисунке 3 а приведено керноотборное устройство КИС.

Цифрой 1 обозначена пробка для изоляции внутренней полости керноприемника после его заполнения изолирующим агентом 3. Керноприемник 4 подвешен на шаровой опоре 2. В нижней части керноприемника размещены кернорватели рычажковый (6) и цанговый (7). Корпус 5 снабжен центраторами 10 для предотвращения его поперечных колебаний. Внизу корпуса размещена бурильная головка 8 и диафрагма 9 для изоляции внутренней полости керноприемника от бурового раствора. После подъема керноотборного стройства на устье керн извлекается из керноприемника и размещается в пластиковых пеналах и ящике для хранения и транспорта в лабораторию (рисунок 3 б).

Основные параметры КИС приведены в таблице 1.

Рисунок 3 а - Керноотборное устройство КИС

Рисунок 3 б – Пластиковые пеналы ящика

В работе [5] сообщается, что на основе КИС разработаны модификации керноотборного устройства с включением в устройство кольматирующего переводника. Новым устройствам присвоены шифры КИК 172/80 и КИК 195/100.

Устройство керноприемное «Структура»

УКС-178/60-80 разработано для отбора керна из донных отложений на морских акваториях. Предусмотрено два варианта отбора керна:

• с помощью динамического гидровдавливания в породу гидравлического поршневого породоотборника ГПП;

• роторным способом с керноприемником диаметром 80 мм.

Первый вариант отбора представлен на рисунке 4. Устройство состоит из бурильной головки 1 размером 219,7/80 мм, пробноотборной трубы 2 с пластиковым вкладышем для снижения сопротивления движению керна, корпуса 3, полированного штока 4, с соединенным с ним фиксатором 8, силового поршня 5, размещенного на верхней части пробоотборной трубы 7, фиксаторы 8, на котором подвешен весь механизм ГПП, и грибообразной головки 9 для последующего захвата шлипсом. ГПП в сборе сбрасывается в бурильную колонну, внизу которой уже размещен корпус устройства с бурильной головкой.

При подаче насосами воды давление перед силовым поршнем возрастает и штифты, крепящие поршень к штоку, срезаются и поршень с пробоотборной трубой передвигается вниз, внедряясь в породу. Рейс завершается спуском ловителя с захватом за грибообразную головку 9.

Таблица 1 - Основные параметры КИС

Характеристики	Обозначение снаряда
	КИС – 114/67	КИС – 127/80	КИС – 172/100	КИС – 2 – 172/100	КИС – 195/100	КИС – 2 – 195/100	КИС – 168/100	КИС – 3 – 168/100
Диаметр скважины (бурголовки) минимальный, мм	120,0	139,7	187,3 212,7	187,3 212,7	212,7	212,7	212,7	212,7
Диаметр керна, мм	67	80	100	100	100	100	100	100
Диаметр корпуса, мм	114	127	172	172	195	195	168	168
Диаметр центраторов корпуса, мм	нет	138,1-0,4	185,7-0,5, 211,1-0,5	185,7-0,5, 211,1-0,5	211,1-0,5	211,1-0,5	211,1-0,5	211,1-0,5
Тип подвески	Маслонаполненная, герметичная, на подшипниках качения
Способ бурения	Роторный и турбинный
Масса, кг	250	300	800	1500	1000	1800	1000	1800

Рисунок 4 – Устройство для отбора керна

Техническая характеристика УКС-178/60-80 приведены ниже:

• наружный диаметр корпуса, мм 178

• максимальный диаметр съемной грунтоноски, мм 99

• диаметр керна, мм 57,88

• длина керноприёмника, мм не мене 2000

• длина керноприемного устройства, мм не более 3800

• рабочее давление под поршнем, МПа 2,0-10,0