§ 6. Бурение скважин снарядами со съемным керноприемннком

Бурение скважин снарядами со съемным керноприемннком (ССК) позволяет получать пробы полезных ископаемых или образцы пород без подъема самого снаряда на поверхность. При бурении коронками, которые могут проходить значительные интервалы (сотни меров) без заметного износа, применение съемной керноприемной трубы дает возможность сократить число подъемов бурового снаряда из^за необходимости извлекать керн после заполнения керноприемника. Это осуществляется только подъемом керноприемника специальным устройством, спускаемым и поднимаемым по трубам на канате с достаточно высокой скоростью с помощью специальной лебедки.

В глубоких скважинах этот процесс отнимает значительно меньше времени, чем подъем и спуск всего бурового снаряда, что дает возможность существенно повысить производительность труда при бурении с отбором керна.

Кроме того, применение снарядов со съемным керноприем- ником дает еще целый ряд преимуществ: сохранение керна за счет более частых подъемов керноприемника без существенного снижения производительности труда; сокращение числа аварий, связанных с частыми подъемами и спусками бурильных труб при работе обычными колонковыми снарядами, что приводит к образованию желобов и затяжкам в них бурового снаряда, обрушению стенок скважин, более быстрому износу труб и замков и т. д.; повышение срока службы бурового оборудования за счет уменьшения СПО; улучшение условий труда буровой бригады за счет сокращения объема трудоемких СПО; уменьшение объемного расхода жидкости при необходимой скорости восходящего потока за счет уменьшения зазора между БТ и стенкой скважины; уменьшение энергозатрат при сооружении скважин и др. Поэтому снаряды со съемным керноприемннком стали широко использоваться в практике бурения глубоких скважин на нефть и газ, а также геологоразведочных скважин за рубежом и в Советском Союзе.

Снаряды со съемным керноприемником успешно применяют для бурения пологонаклонных и горизонтальных скважин из подземных выработок. Доставку керноприемника к забою при этом осуществляют потоком жидкости или сжатого воздуха со скоростью 50—37 м/мин, а извлечение с еще большей скоростью.

Известны попытки создания «самовсплывающих» керноприем- ников оригинальной конструкции. Они снабжаются поплавком в виде патрубка из легкого материала, либо в виде воздушного колпака. Во время бурения такой керноприемрик удерживается в снаряде за счет перепада давления жидкости, а при прекращении подачи жидкости — всплывает. В случае необходимости керноприемник может быть захвачен специальным ловителем. Особенно перспективно применение таких снарядов при бурении сверхглубоких скважин.

Отечественной промышленностью выпускаются комплексы технических средств для бурения геологоразведочных скважин алмазным ПРИ со съемным керноприемником конструкции СКВ НПО «Геотехника*-КССК-76 и ВИТРа- ССК-76, ССК-59 и ССК-46. В комплекс входят специальные бурильные трубы (ТБ-ССК), буровые снаряды, спускоподъемный, вспомогательный и аварийный инструмент, а также лебедка.

Хорошая балансировка БТ и небольшие зазоры между буровым снарядом и стенкой скважины позволяют вести бурение такими комплексами при повышенной частоты вращения (1000— 2000 об/мин) с применением современных буровых станков и насосов со ступенчатым регулированием расхода промывочной жидкости. При использовании ПРИ повышенной износостойкости углубка скважин за рейс может достигать 150—200 м и более без подъема БТ с периодическим извлечением керна по мере заполнения керноприемной трубы (через 2—6 м углубки). При проходке на коронку менее 15—20 м эффективность использования комплексов существенно снижается. Ниже приведены характеристики комплексов.

Техническая характеристика комплексов со съемными керноприемниками

Тип ССК-46 ССК-59 ССК-76 КССК-76

Диаметры коронки, мм:

БУРЕНИЕ 1

ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН 1

I 141

J 141

с 155

с 155

[] 252

G₀ = 0,1 253

1 51

rF%irirrnrsn^Sr^n 51

/_п = / - ft, (24.31) 393

Ш 405

Щк! 405

Комплексы КССК-СКБ эффективно применять при бурении скважин на глубинах 400—3000 м в сложных геолого-технических условиях в породах V—IX категорий по буримости. Увеличенный зазор между керноприемником и внутренней стенкой БТ позволяет использовать в качестве промывочной жидкости глинистные растворы. Промышленностью выпускаются несколько модификаций комплексов КССК-76 и КССК-76М, для бурения скважин на глубину 1200, 2000 и 3000 м с колонковыми наборами НК-76, ССГ-76, КГНС, «Конус».

Базовый колонковый снаряд со съемным керноприемником КССК состоит из двух основных частей (рис. 13.5,я): наружной — колонкового снаряда, присоединяемого к БТ, и внутренней — кер- ноприемника, извлекаемого после заполнения керном специальным ловителем без подъема бурового снаряда. Колонковый снаряд состоит из специальной алмазной коронки 24, расширителя 21, колонковой трубы IS, переходников 6, 9 и центратора-переходника

3. к которому присоединяются БТ. Между переходниками 6 и 9 установлена опора S, на которой подвешивают съемную часть снаряда, керноприемник 20 которого стабилизируется с помощью бронзового центратора 19. Съемная часть снаряда имеет механизм блокировки, состоящий из грибка 1, гильзы 2, защелок 5, раздвигаемых пружиной 4, и корпуса 7; узел подвески и керноприемную трубу 20 с кернорвательным устройством 22, 23.

В скважину опускается на БТ колонковый снаряд, а затем на канате его съемная часть. При этом керноприемник подвешивается на опоре S с помощью буртика на корпусе 7, таким образом, чтобы между торцом кернорвателя и внутренним конусом алмазной коронки остался необходимый зазор в 2 мм, величина которого регулируется заранее с помощью резьбы шпинделя 10, вывинчиванием его из корпуса 7, и регулировочной гайки 11. При бурении скважин керноприемник 20 удерживается от осевого перемещения вверх упором защелок 5 в торец центратора 3, между которыми устанавливается зазор в 2—4 мм при изготовлении снаряда. Свободная подвеска керноприемника на шпинделе 10 с помощью двух подшипников 14 и 17 практически исключает его вращение в процессе бурения скважины и формирования керна.

Промывочная жидкость поступает на забой по кольцевым зазорам между элементами наружной (несъемной) и внутренней (съемной) частей и отверстия в корпусе 7. Для определения момента заполнения керноприемника керном или его самозаклинивания в снаряде предусмотрено сигнализирующее устройство, действие которого заключается в следующем. В том или другом случаях осевое перемещение керноприемника прекращается, а наружная часть снаряда по мере углубки какое-то время будет иметь поступательное движение за счет сжатия пружины 16, упирающейся в подшипник 15. При этом осевым усилием будут сжаты резиновые манжеты 13, расположенные между упорным подшипником 14 и буртиком 12 шпинделя 10. За счет увеличения диаметра манжет сечение кольцевого зазора уменьшится, что приведет к повышению давления жидкости в нагнетательной линии циркуляционной системы. Это и служит сигналом о заполнении керноприемника керном или его самозаклинивании.

Рис. 13.5. Колонковый снаряд со съемным керноприемником конструкции СКВ НПО «Геотехника»

По окончании углубки в заданном интервале керноприемник с помощью лап 25 ловителя, спускаемого на тросе, поднимается на поверхность. Извлекаемая часть захватывается за грибок 1, гильза 2 которой при натяжении каната перемещается относительно корпуса 7 и наружной части снаряда вверх, выводя защелки 5 из контакта с торцом центратора 3, как это показано на рис. 13-5,6.

Спуск керноприемника в скважину, заполненную промывочной жидкостью, осуществляется свободно — под действием собственного веса, а для ускорения по БТ прокачивается жидкость. В безводную (сухую) скважину керноприемник спускают на тросе с ловителем, который отсоединяют после установки керноприемника с помощью патрубка, опускаемого по канату. Патрубок освобождает захваты ловителя, сближая их противоположные концы.

Для комплексов КССК-76 разработано ряд устройств, повышающих эффективность их работы. К такого рода разработкам относится колонковый набор НК-76, снабженный сигнализатором готовности бурового снаряда к бурению. В этом случае керноприемник снабжается головкой — сигнализатором и регулятором. Съемный керноприемник после спуска занимает такое положение, при котором опорный буртик корпуса и затвор головки-сигнализатора перекрывают поток промывочной жидкости, что ведет к повышению давления в циркуляционной системе, отмечаемого на манометре насоса. Под действием давления определенной величины затвор перемещается вниз и фиксирует блокирующие элементы, открывая при этом центральный клапан. Давление в системе падает, что также отмечается на манометре и свидетельствует о готовности снаряда к работе. В случае подклинивания керна или заполнения керноприемной трубы керном, съемный керноприемник перемещается вверх и блокирующие элементы перекрывают циркуляционные каналы, что приводит к повышению давления в системе. Это является сигналом к подъему съемного керноприемника.

При бурении по малоустойчивым углям и породам применяют КССК со съемным керноприемником «Конус», принцип действия которого основан на работе штампа (рис. 13.6). В керноприемник 3 при этом встраивают упругий элемент в виде тарельчатой пружины 5 с заданной силовой характеристикой. Под действием упругой силы пружины керноприемная труба 3 выдвигается из колонковой трубы 4 и опережает коронку 2 на некоторую величину. Чем мягче разбуриваемая порода (уголь), тем на большую величину штамп 1 опережает вращающуюся коронку 2, вырезая столбик (керн) породы (угля) без его разрушения (рис. 13.6, а, б). При встрече более твердых пород (углей) величина опережения уменьшается за счет сжатия упругого элемента 5, в связи с чем возрастает силовое воздействие штампа при соответствующей величине осевой нагрузки G„, преодолевающее сопротивление породы его внедрению (рис. 13.6,в). Работа штампа с опережением вращающейся коронки способствует сохранению в керне естественной структуры разбуриваемого пласта.

При разведке угольных месторождений для отбора проб угля и газа применяют съемные керногазонаборники типа КГНС в комплексе с КССК-76. Съемный керногазонаборник (КГН) состоит из узла блокировки (фиксатора) с сигнализатором готовности снаряда к работе, газосборника с водяным затвором и керноприемника с кернорвателем пружинно-лепесткового типа. При бурении

Рис. 13.6. Схема работы съемного кер- поприемника «Конус» снаряда КССК:

1 — штамп; 2 — коронка; J

керноприемник; 4 — б —подшипник.

j — штамп; * — коронка; j — керно колонковая труба; 5— пружина; 6 7— блокирующее устройство; 8 —

грибок

угольного пласта КГН работает как штамп, вырезая столбик угля под действием осевой нагрузки без нарушения его структуры. В процессе бурения происходит перекрытие выхода из газосборника, который заполняется выделяющимся из керна газом, вытесняя промывочную жидкость через специальную трубку. По окончании углубки КГН извлекают на поверхность, герметизируют, отсоединяют узел блокировки и отправляют в лабораторию.

Для ударно-вращательного бурения используют съемный снаряд с встроенной гидроударной машиной ССГ-76, позволяющий вести бурение скважин глубиной до 1200 м, диаметром 76 мм по породам VII —X категорий по буримости с комплексом КССК-76. В этом случае в состав СК кроме механизма блокировки входит гидроударник прямого действия. При нормальном режиме работы боек гидроударника наносит 1600—1800 ударов в минуту, энергия которых составляет 5 Дж.

Промывочная жидкость, проходя через гидроударник, поступает на забой по зазору между наружной колонковой трубой и кер- ноприемником. При заполнении керноприемной трубы или са- мозаклинивании керна продвижение СК прекращается, и удары

начинают передаваться на керноприемную трубу, что может привести к ликвидации самозаклинивания керна.

При работе КССК в ударно-вращательном режиме повышаются механическая скорость бурения, углубка за рейс и в целом производительность труда на 20—30%.

Комплексы ССК-ВИТР позволяют вести бурение на глубину до 1000—1200 м при диаметрах скважин 46,59 и 76 мм в монолитных и слаботрещиноватых породах VII —X категорий по буримости.

Снаряд ССК-ВИТР принципиально устроен так же, как и КССК, но имеет некоторые отличия.

С целью повышения эффективности работы комплексов ССК разработаны специальные съемные устройства, включающие, кроме керноприемника, эжекторную прйставку, гидравлический вибратор и сигнализатор готовности снаряда к приему керна или подклини- вания керна (прекращения циркуляции жидкости). При разведке угольных месторождений используют снаряды со съемным кер- ногазонаборником.

Так, кроме базового варианта ССК-59Б, в практике применяют снаряды с вибратором ССК-59В (рис. 13.7,в), с эжектором ССК-59Э (рис. 13.7,6) или с вибратором и эжектором ССК-59ЭВ.

Назначение вибратора — снижать вероятность заклинивания керна в керноприемной трубе при действии вибраций (ударов), создаваемых ударником, закрепленным на тонком стержне. Удары генерируются при движении потока жидкости, приводящей в колебательные движения ударник, наносящий удары по корпусу’ с частотой до 3000 ударов в минуту. В результате углубка за рейс и техническая скорость бурения возрастает на 30 и 20% соответственно.

Эжекторная приставка, встроенная в ССК, создает при бурении обратный (восходящий) поток промывочной жидкости в керноприемной трубе, что также приводит к снижению вероятности заклинивания керна и повышению процента его выхода.

Породоразрушающий инструмент ССК должен обладать высокой износостойкостью, что обусловливает высокую производительность труда. В зависимости от характера пород обычно используют три вида коронок: с зубчатой формой матрицы, ступенчатой и комбинированной.

Для бурения пород IV —VIII категории по буримости применяют однослойные зубчатые коронки типа КАСК-Р, КАСК-3,17А4, К-02, К-03 и др. В породах VIII —X категорий по буримости применяют коронки К-01, К-16, К-90, КАСК-4С. Наконец, в породах IX —XII категорий по буримости рекомендуется использовать коронки типа К-08, К-16, КАСК-К, ССК-БСБ и др.

В компоновке буровых снарядов используют расширители типа РЦК, PACK (при бурении в породах VI —X категорий по буримости), РАС-1 (в породах VII — X категорий по буримости), Р-03 (в породах VIII —X категорий по буримости).

а — блок вибратора; б — блок эжектора; 1 — резьбовая втулка; 2 — корпус; J — ударник; 4 — стержень; S — переходник; 6 — шаровой клапан; 7 — присоединительный патрубок; 3,11 — переходники; 9 — сопло эжектора; 10 — смеситель

Бурильные трубы для ССК (КССК) отличаются от обычных некоторыми параметрами (диаметром), точностью и качеством изготовления, типом соединений и высокой степенью балансировки. Трубы комплекса ССК соединяют в колонну с помощью резьбы труба в трубу, что обеспечивает ее гладкоствольность.

Подбираются БТ в соответствии с конструкцией скважины и диаметром коронки, исходя из отношения D_Br/D_CKB = (0,92 + 0,93) или, соответственно, 43/46, 55/59, 70/76.

Вспомогательный буровой инструмент. Для работы с комплексами ССК используются, кроме обычных, специальные инструменты и приспособления: проходные переходники-сальники, тру-

бодержатели, труборазвороты, ключи, подсвечники, ловитель (подъемник или овершот) и др.

При работе с гладкоствольными БТ комплекса ССК используют полуавтоматические элеваторы МЗ-50-80-1, МЗ-50-80-2, ЭН2-20 и специальные наголовники для труб. Колонну при СПО подвешивают на устье с помощью гидравлического трубодержателя типа ТР2-12.5. При свинчивании и развинчивании БТ используют гладкозахватные ключи КГ или шарнирные многозвенные ключи, а также приспособление ПРТ к труборазвороту РТ-1200М.

При выполнении СПО с КССК-76 применяют элеваторы ЭН2-20 или ЭК-20 с захватом БТ за кольцевую проточку на замках (без наголовников). Переходник-сальник характеризуется увеличенным диаметром проходного канала и наличием крышки в торцовой части, через которую осуществляют спуск и подъем СК.

Технология бурения комплексами со съемными керноприемниками. Спуск бурового снаряда делается без СК во избежание его за- шламования. При заполнении колонны БТ промывочной жидкостью производят свободный спуск СК. В случае низкого уровня жидкости в скважине СК спускают на тросе с помощью лебедки. После фиксирования СК в колонковой трубе ловитель извлекают и приступают к бурению.

Бурение начинают с приработки коронки в течение 7—10 мин на пониженных значениях режимных параметров: п = 150 200 об/мин;

G₀ = 3-s-4 кН при расходе промывочной жидкости 20 ч- 30 л/мин (для коронок диаметром 76 мм) и 15—25 л/мин (для коронок диаметром 59 мм). В дальнейшем бурение ведут на оптимальных режимах в соответствии с геолого-техническими условиями: свойствами пород, глубиной и диаметром скважины.

Частота вращения снаряда должна соответствовать величине осевой нагрузки и подбирается, исходя из условий бурения. При этом следует помнить, что от этого параметра зависит не только механическая скорость бурения, но и расход алмазов, связанный с их износом или полированием, выход керна и величина расходуемой энергии (мощности). Рекомендуемые значения осевой нагрузки и частоты вращения приведены в табл. 13.4. Максимальные значения частоты вращения соответствуют бурению в нормальных геолого-технических условиях при использовании для борьбы с вибрацией бурового снаряда смазки (КАВС) или эмульсионных растворов на основе эмульсолов ЭЛ-4, ЭН-4, кожевенной пасты и др.

В качестве промывочной жидкости при бурении ССК-59 используют техническую воду, а при бурении КССК-76 и ССК-76 в сложных геолого-технических условиях — малоглинистые эмульсионные и безглинистые растворы на основе полимеров — гипана и полиакриламидов —плотностью 1000—1080 кг/м³ и вязкостью

16. 28 с. Возможно также применение пены.

Расход промывочной жидкости зависит от диаметра скважины и интенсивности шламообразования. При бурении комплексами ССК-76 расход промывочной жидкости рекомендуется в пределах 50—80 л/мин, при ССК-59 —35—50 л/мин и при ССК-46 — 15—20 л/мин, исходя из скорости восходящего потока 0,5—0,1 м/с.

При бурении в очень сложных геолого-технических условиях (сильно разрушенные, трещиноватые, малоустойчивые породы, зоны интенсивного водопоглощения) прибегают к тампонированию стенок скважин известными методами и креплению обсадными трубами. В интервалах скважин большого диаметра (93 мм и более) или при очень сильных осложнениях бурение ведут обычными колонковыми снарядами или без отбора керна с последующей обсадкой таких интервалов трубами. Трубы при этом должны соединяться в колонну строго соосно, а зазор между ними и стенкой скважины в призабойной части должен быть надежно затампонирован во избежание попадания в скважину из затрубного пространства разрушенного материала.

Подъем СК на поверхность производят после его заполнения керном или при самозаклинивании керна в керноприемной трубе и невозможности его устранения.

Срыв керна производят при медленном подъеме колонны БТ без вращения на 0,3—0,4 м. Момент срыва керна отмечается по индикатору веса. После этого на тросе спускают ловитель, захватывают СК и поднимают на поверхность. По БТ спускают второй комплект СК, если он есть в наличии и продолжают процесс бурения. Из поднятого СК извлекают керн и снаряд готовят к следующему спуску. Углубка за цикл в нормальных условиях определяется длиной керноприемной трубы, в целом до подъема колонны БТ — износостойкостью ПРИ или глубиной скважины.

БУРЕНИЕ СКВАЖИН С УДАЛЕНИЕМ ПРОДУКТОВ РАЗРУШЕНИЯ ВОЗДУХОМ И ПЕНОЙ