§ 2. Факторы, определяющие условия получения образцов пород или проб полезных ископаемых

При вращательном (колонковом) бурении скважин средством отбора проб или образцов пород являются колонковые снаряды. ^Сохранность, а следовательно, и качество получаемых при этом образцов или проб зависят, в первую очередь, от физико-геологических и физико-технических свойств пород или полезных ископаемых. Эти свойства определяют, в конечном счете, устойчивость пород или их способность к кернообразованию (табл. 16.1).

Опыт показывает, что при бурении скважин в малоустойчивых породах наблюдается значительное уменьшение количества керна, а иногда и полное его отсутствие, ухудшается сохранность получаемого материала и его представительность, особенно при избирательном разрушении отдельных участков, сложенных более мягкими минеральными образованиями. Это связано не только с геологическими условиями бурения скважин (механическими свойствами полезных ископаемых или пород), но и с действием целого ряда вполне определенных факторов технического, технологического и организационного характера. Все основные факторы, влияющие на формирование керна, по характеру и степени влияния могут быть разделены на четыре группы или класса: геологические, технические, технологические и организационные.

Влияние геологических факторов связано с проявлением разнообразных свойств горных пород. Свойства горных пород, как известно, определяются их структурой и текстурой и проявляются в способности разрушаться или разделяться на отдельные элементы при наличии определенных признаков: делимости, отдельности, слоистости, сланцеватости, кливажа, трещиноватости, наличия прожилков и включений. Поведение пород зависит в свою очередь от целого ряда физико-технических свойств, к числу которых относятся: прочность или разрушаемость пород (способность дробиться или разрушаться), сыпучесть, размываемость, размокае- мость, растворимость, плывучесть, набухаемость, растепляемость и др. Все эти свойства определяют устойчивость пород или их способность к кернообразованию. Зная природу и характер проявления геологических факторов, можно устранять их отрицательное влияние на формирование керна.

Особо неблагоприятные условия формирования керна создаются при наличии прожилков с прочностью жильной массы, отличающейся от прочности вмещающих пород. При этом большое значение приобретает угол, под которым буровой снаряд пересекает эти прожилки (плоскости делимости). При этом может быть два наиболее неблагоприятных случая: жильная масса имеет меньшую твердость или прочность, чем вмещающие породы, и наоборот. В первом случае при формировании керна обычно происходит разрыв или скол керна либо по контакту, либо по самой жильной массе, которая в процессе бурения истирается в той или иной степени в зависимости от ряда факторов. Процент выхода керна может быть достаточно высоким, а его представительность — низкой. Во втором случае, когда жильная масса имеет большую прочность, чем основная, при формировании керна последняя может быть полностью или частично разрушена, и керн будет представлен

Факторы, определяющие условия формирования керна	Форма или xapaicrep проявления различных факторов	Результаты действия или проявления факторов
Геологические Минералогический состав, структура и текстура пород; физико-геологические и физико-технические свойства пород; наличие прожилков и включений пород разной твердости; угол падения плоскостей делимости или угол встречи бурового снаряда с плоскостями делимости	Степень сопротивляемости пород действию технических и технологи- ческих факторов и характер разрушения керна	Потеря качества и количества получаемого кернового материала (разрушение или избирательное истирание керна)
Технические Способ бурения скважин (вращательный или ударно-вращательный)	Поперечные и продольные колебания бурового снаряда; вибрации снаряда; действие сил трения между керном и колонковой трубой и между кусками керна	Потеря связей между частицами, слагающими породу, или кусками керна; истирание кернового материала; сламывание керна; механическое разрушение (измельчение) кернового материала; избирательное разрушение; уменьшение диаметра керна и его прочности; разрыхление или уплотнение кернового материала
Тип, конструкция и параметры породоразрушающего инструмента (твердосплавный, алмазный, дробовой или шарошечный)	Динамика работы ПРИ; концентрация напряжений в керне; образование зазора между буровым снарядом, стенками скважины и керном, интенсивность действия технических факторов; изменение сопротивляемости керна сламыванию

Качество и техническое состояние элементов бурового снаряда

Способы удаления продуктов разрушения (гидравлический, пневматический или комбинированный). Схема циркуляции очистного агента

Качество очистного агента

Угол наклона скважины

Способ захвата и удержания керна в колонковом снаряде при его подъеме 11есбапансировашюсть бурового снаряда; биение(вибрация)бурового снаряда; сопротивление продвижению керна в колонковую трубу

Действие скоростного напора очистного агента

Размывающее, растворяющее или растепляющее действие очистного агента; абразивное действие частиц твердой фазы потока; изменение коэффициента трения

Изменение сил трения кусков керна о стенки колонковой трубы и друг о друга; изменение угла встречи оси бурового снаряда с плоскостями делимости

Оставление на забое или потеря керна при подъеме снаряда

Усиление отрицательного действия факторов, приводящих к разрушению породы; удары, прижатие кусков друг к другу, увеличение сил трения

Размывание кернового материала, увеличение сил трения кусков керна друг о друга; эрозионное разрушение кернового материала; вынос кернового материала из колонковой трубы; изменение коэффициента трения

Размывание кернового материала, увеличение сил трения кусков керна друг о друга; эрозионное разрушение кернового материала; вынос кернового материала из колонковой трубы; изменение коэффициента трения Размокание, растворение, растепление кернового материала и снижение сопротивляемости керна разрушению

Истирание керна по боковой поверхности или по торцу; изменение вероятности самозакли- нивания кусков керна и степени их разрушения

Уменьшение процента выхода и представительности керна

Факторы, определяющие условия формирования керна	Форма или характер проявления различных факторов	Результаты действия или проявления факторов
Конструкция, компоновка и параметры бурового снаряда Техническое состояние скважин	Колебания и вибрации снаряда, скорость бурения, действие сил трения, потока очистного агента и др. Накапливание шлама в скважине или обломков пород на забое	Изменение степени сохранности керна Ухудшение условия формирования керна. Оставление керна на забое или потеря его при подъеме
Технологические Параметры режима бурения скважин; продолжительность времени чистого бурения и величина углубки за рейс; технология подъема колонкового снаряда из скважины	Изменение степени действия факторов, определяющих условия формирования керна (колебания снаряда, вибрации, удары, действие потока очистного агента, температура и др.).	Уменьшение диаметра керна и его прочности; механическое и гидроэрозионное разрушение керна; вынос мелких частиц кернового материала; выпадение и разрушение кусков керна при расхаживании снаряда; надевание и прижог керна; потеря кусков керна при подъеме снаряда из скважины
Организационные Наличие ГТП и его качество; наличие контрольно-измерительной аппаратуры; техническое состояние средств бурения скважнн; квалификация бурового персонала; дисциплинированность и ответственность бурового персонала; контроль за выполнением основных правил и рекомендаций по отбору керна	Обеспечение нормальных условий получения представительных образцов пород или проб полезных ископаемых	Уменьшение или усиление степени действия некоторых факторов на формирование и получение керна

кусочками более твердых включений. Процент выхода керна и его представительность будут также незначительными.

Опытным путем установлено, что с увеличением угла встречи у выход керна уменьшается, достигая минимума при у = 90° (рис. 16.1). Но при этом уменьшается вероятность подклинивания керна и увеличивается величина углубки за рейс. Отмечается, что при углах встречи оси скважины с плоскостями делимости, близких к 90°, увеличивается степень избирательного истирания более слабого материала по прожилкам или прослойкам. Это связано с тем, что при у = 90° керн раскалывается на плоскопараллельные кусочки (лепешки) по жильной массе, которые трутся друг о друга при вращении, и жильная масса интенсивно истирается. При этом керн часто скалывается в плоскости забоя и, не попав в колонковую трубу, заклинивается в коронке. Вращаясь вместе с коронкой, он трется о забой скважины и изнашивается. На горце таких кусочков керна наблюдаются следы вращения — концентрические полосы. При более острых углах встречи керн просто заклинивается кусочками клинообразной формы. В этом случае происходит истирание всей массы кернового материала равномерно или прекращается углубка.

Действие факторов технического характера связано главным образом со способом бурения, конструктивными особенностями и параметрами применяемых буровых снарядов и динамикой их работы. При этом наблюдаются: действие колебаний, вибраций и ударов снаряда или коронки; действие сил трения керна о снаряд и кусочков друг о друга; действие потока очистного агента (промывочной жидкости) на керн.

Действие колебаний, вибраций и ударов проявляется при вращении снаряда и наличии больших зазоров между снарядом и стенками скважины при его перекосе. В этом случае столбик керна даже очень прочных пород может ломаться. Предельная длина керна /_к зависит от угла перекоса снаряда /3, его длины L, зазора между керном и колонковой трубой <5 и разницы диаметров скважины D_CK и колонкового снаряда D_KC (рис. 16.2). Из треугольников ABC и ADC' определяем предельную длину керна

/к = f <5 cos/?/(Dck Dk.c). (16.8)

Отсюда видно, что для сохранения столбика керна следует уменьшать величину зазора между снарядом и стенками скважины или увеличивать его длину. При этом следует учитывать возможность изгиба колонковой трубы.

Под действием радиальных (поперечных) сил коронка, перемещаясь вдоль забоя, может разрушать стенки скважины и керн на величину выхода резцов наружу. Установлено, что бурение коронками с плоской торцовой частью сопровождается увеличением диаметра скважины и уменьшением диаметра керна. При бурении же коронкой с косоугольным (коническим) торцом керн разру-

Рис. 16.1. Зависимость выхода керна от угла встречи бурового снаряда с плоскостями делимости пород:

1 — плоскости делимости; 2 — керн

Рис. 16.2. Схема расчета длины недеформируемого керна-колонковой трубой

шается в меньшей степени. Это объясняется тем, что образующийся при бурении такой коронкой забой конусной формы способствует центрированию нижнего конца бурового снаряда и формированию столбика керна. Действие этих факторов усиливается при возникновении динамических нагрузок, в особенности при ударно-вращательном бурении. В этом случае хорошо реализуются ослабленные участки породы, по которым происходит разделение керна на кусочки в форме дисков (шайб).

Действие сил трения снаряда о керн и между кусочками керна совершенно очевидно вызывает их истирание, особенно мягких прослойков и включений (избирательное истирание), учитывая, что кусочки керна прижимаются друг к другу потоком жидкости, обладающим определенной кинетической энергией (рис. 16.3, а). В наклонных скважинах наблюдается интенсивное истирание керна и по боковой поверхности.

Совокупное действие всех факторов — вибраций, ударов или толчков снаряда — способствует скалыванию керна, дроблению его на кусочки и уплотнению в колонковом снаряде, что приводит к самозаклиниванию, преждевременному отрыву от забоя, разрушению, истиранию и, в конце концов, к уменьшению количества кернового материала и прекращению углубки.

Салюзаклинивание керна является одним из главных факторов,

Рис. 163. Схема фор­мирования керна в трещиноватых поро­дах:

/ — коронка; 2 — кусочки керна; J — колонковая тру­ба; 4 — бурильная труба

СМ

к ft

а

прр

определяющих не только качество и количество получаемого кер- нового материала, но и производительность труда при колонковом бурении скважин, так как очень часто, в особенности при бурений в трещиноватых породах, является причиной прекращения рейса и преждевременного подъема бурового снаряда.

Механизм самозаклинивания керна является сложным процессом, изучение которого позволяет определить пути борьбы с этим явлением. Д. Н. Башкатовым и А. В. Кочкаревым проведен подробный анализ современных представлений о механизме самозаклинивания керна. Из этого анализа следует, что основными причинами самозаклинивания керна являются: накопление продуктов разрушения (шлама) в призабойной части скважины и внутри колонкового снаряда; формирование керна в виде кусков и обломков различной формы и размеров; действие сил трения и прямого потока промывочной жидкости, уплотняющего частицы шлама и кусочки керна в зазоре между керном и внутренней поверхностью коронки или колонковой трубы, что приводит к

расклиниванию керна (рис. 16.3, в). Вероятность самозаклинивания керна зависит в первую очередь от характера пород — степени их устойчивости и трещиноватости, а также от ряда технических и технологических причин, рассмотренных ранее. Особенно высокая вероятность самозаклинивания керна наблюдается при пересечении скважиной слоев пород под острым углом к плоскостям делимости, когда кусочки сламывающегося керна приобретают клиновидную форму.

Вероятность самозаклинивания и срыва керна определяется уровнем действующих при этом сил прижатия кусков или обломков керна, сил трения и прочностью породы — сопротивлением разрыву связей при действии крутящего момента.

Ситуация самозаклинивания керна, особенно в трещиноватых породах, создается практически постоянно, но это не всегда приводит к срыву керна. Обязательным условием процесса срыва является превышение расклинивающей силы и величины вращающего момента над силой сопротивления керна срыву. При этом определенной прочностью должен обладать и расклинивающий материал (частицы или кусочки) породы. Если их прочность оказывается недостаточной, то они будут разрушены (раздавлены) и срыва керна не произойдет. Механизм расклинивания керна при его делении на элементы клиновидной формы в общем случае сводится к следующему (рис. 16.3, б). Величина силы расклинивания Р_ер является суммой сил, создаваемых массой расклинивающего элемента Р_м и действием скоростного напора потока очистного агента /\_и. Сила Р_м определяется выражением

Рн = V (уп-уол), (16.9)

где V— обьем расклинивающего элемента керна, м³; у_п, у_{0 а} — плотность породы и очистного агента соответственно, кг/м³.

Величина скоростного напора потока очистного агента Р_са может быть Ьпределена из выражения

Рсн = kxS_My₀ aVc.n I2g, (16.10)

где к_х— коэффициент лобового сопротивления керна; S_M — площадь керна, на которой возникает лобовое сопротивление, в проекции на его поперечное сечение (миделево сечение); у_оа — плотность очистного агента, транспортирующего продукты разрушения; v_CJ,_ средняя скорость потока в колонковой трубе над керном; g — ускорение силы тяжести.

Лобовое сопротивление керна определяют двумя факторами: сопротивлением сил трения и сопротивлением формы, что зависит от конфигурации тела, угла атаки, шероховатости его поверхности и от числа Рейнольдса Re'. Коэффициент лобового сопротивления тем больше, чем тело хуже обтекаемо и чем меньше число Рейнольдса. С некоторого критического значения Re' = 10⁵+20^s коэффициент лобового сопротивления принимает, примерно, постоянное значение. Кроме того, этот коэффициент зависит от отношения длины обтекаемого тела I к его диаметру d. Для цилиндра с плоским торцом, обтекаемого параллельно образующей, в зависимости от отношения l/d коэффициент лобового сопротивления может иметь следующие значения:

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

Гер = Mfrn-yc) (16.11)

Эта сила может быть разложена на две составляющих: нормальную к плоскости делимости керна Р_и и касательную к этой плоскости Р_К (см. рис. 16.3, б). Уровнем последней определяется сила прижатия расклинивающего элемента к колонковой трубе F„, величина которой определяется по формуле

F„ = Р^гф, (16.12)

где /3 —угол наклона плоскости делимости.

Но

Р_к = P_cv соф. (16.13)

Следовательно,

F_H = Р_с.pCos^rsiivS. (16.14)

Подставив в это выражение значение силы Р_ср, получим значение силы прижатия расклинивающего элемента к колонковой трубе

„ „„ _ч . kfSidyoaVcjj, „ „ snr-tc\

Fa = [У(уп—уол) + Jco^SjisilV?. (16.15)

Это выражение справедливо для условий бурения вертикальной скважины. В наклонных скважинах соотношение сил будет меняться в зависимости от угла наклона.

Таким образом, отрыв столбика керна от массива породы произойдет при условии, когда сила сцепления между керном и снарядом F_e превысит его прочность на скручивание (скалывание) при необходимой величине крутящего момента А/_кр, создаваемого вращающимся снарядом, т. е.

fc^-jgTfciiSWiq), (16.16)

где М_кр — крутящий момент, даН-м; d_K — диаметр керна, м; современное сопротивление породы скалыванию (скручиванию), Па. Срыв заклиненного керна может происходить и при подъеме

бурового снаряда, если усилие подъема превысит сопротивление керна на разрыв.

Расклинивания отдельных кусков керна при разделении его по плоскостям делимости или по трещинам, располагающимся перпендикулярно к оси снаряда, срыва столбика керна может не происходить, но при этом расклинившиеся элементы при достаточной силе сцепления их с колонковой трубой будут препятствовать продвижению не отделившегося от массива породы столбика. Действующая при этом осевая нагрузка будет передаваться на формирующийся при бурении керн, что приведет к линейному износу его и заклинивающихся кусков. Скорость бурения при этом будет снижаться практически до полного прекращения углубки.

Под действием усилия подачи бурового снаряда в некоторых случаях заклинившиеся куски керна могут продвигаться или освободиться. Этому способствует действие вибраций, создаваемых забойным вибратором, чем пользуются при борьбе с самозакли- ниванием керна. Но это не всегда приводит к успеху.

Исходя из рассмотренных условий формирования керна, возможно определить следующие меры повышения степени его сохранности и представительности: уменьшение зазоров между буровым снарядом и стенками скважины; увеличение зазоров между керном и внутренней поверхностью колонковой трубы; увеличение длины и жесткости бурового снаряда; эффективное удаление продуктов разрушения из пространства между керном, коронкой и колонковой трубой; устранение или снижение сил, способствующих расклиниванию керна и его обломков в колонковой трубе (действие силового напора очистного агента); снижение коэффициента трения керна о внутреннюю поверхность колонковой трубы; применение различных усовершенствований в обычных (одинарных) и двойных колонковых снарядах.

Действие технологических факторов связано со способом и параметрами режима бурения, продолжительностью времени чистого бурения в рейсе и величиной углубки за рейс, состоянием скважины и др.

К числу технологических факторов, прежде всего, относится режим бурения скважин, характеризующийся, как известно, окружной скоростью или частотой вращения снаряда; осевой нагрузкой; частотой и силой ударов при ударно-вращательном способе бурения; интенсивностью циркуляции очистного агента. Кроме того, к этой группе факторов относится технология подъема колонкового снаряда из скважины.

С ростом частоты вращения увеличивается интенсивность вибрации бурового снаряда, т. е. увеличивается сила и частота толчков или ударов. Вследствие этого керн чаще сламывается, а попадая в керноприемник, разрушается. Тем интенсивней это происходит, чем менее устойчива порода или полезное ископаемое, чем менее совершенны технические средства и чем больше времени воздействуют на керн отрицательные факторы технического характера. С этой точки зрения увеличение частоты вращения должно сказываться неблагоприятно на сохранность керна. Но, с другой стороны, увеличение частоты вращения приводит, как правило, к повышению механической скорости бурения, вследствие чего уменьшается время воздействия отрицательных факторов на керн, и сохранность его в связи с этим должна быть лучше. Поэтому, очевидно, сведения о влиянии этого параметра не всегда однозначны.

Применение ударно-вращательного способа бурения скважин показало, что наложение динамических (ударных) нагрузок ведет к существенному разрушению керна. В этом случае хорошо реализуются ослабленные зоны, происходит разделение керна на «плашки» по плоскостям делимости. Но при этом также отмечается уменьшение случаев подклинивания керна и увеличение углубки за рейс.

Осевая нагрузка также двояко влияет на формирование керна: «, одной стороны, увеличение осевой нагрузки приводит к увеличению механической скорости бурения, что должно сказываться Положительно на формирование керна. С другой стороны, увеличение осевой нагрузки приводит к усилению действия поперечных колебаний и искривлению бурового снаряда, что отрицательно сказывается на сохранности керна. Кроме того, при большом выходе резцов и неблагоприятной конструкции коронки увеличение осевой нагрузки ведет к росту масштабов разрушения породы или полезного ископаемого, что в слоистых и трещиноватых породах приводит к отрыву керна от массива и его истиранию.

При вращательном бурении с гидравлическим способом удаления продуктов разрушения жидкость, омывающая керн, может существенно влиять на его разрушаемость. Поток промывочной жидкости может вызвать: размывание и размокание керна; уменьшение сил связи между зернами или частицами, слагающими породу, набухание (увеличение объема) керна; растворение керна или его части; растепление при бурении в многолетнемерзлых породах; прижатие друг к другу и расклинивание кусочков или уплотнение рыхлого керна в колонковой трубе. Кроме того, жидкость может выдавливать керн из колонкового снаряда при его подъеме из скважины.

Размывание керна может происходить с его верхнего конца (торца) гидромониторной струей или по боковой поверхности потоком жидкости, омывающим столбик керна. Зависит этот процесс от интенсивности движения потока, направления его движения, конструктивных особенностей колонкового снаряда и свойств породы.

Исследования показали, что с увеличением скорости потока с 1,9 до 8,6 м/с выход керна при бурении в углях уменьшается с 95 до 60%. При использовании снарядов и коронок, защищающих полностью керн от воздействия потока жидкости, выход керна в подобных условиях практически не меняется. Поэтому увеличение процента выхода керна можно достичь следующими мероприятиями: снижением скорости движения жидкости в зазорах между коронкой и керном за счет увеличения площади их сечений или уменьшением ее расхода; уменьшением времени воздействия потока на керн (сокращением времени бурения в рейсе); изменением направления движения потока на обратное; изоляцией керна от потока жидкости.

Однако снижение скорости потока не всегда возможно в связи с тем, что промывочная жидкость выполняет другие функции. С уменьшением времени воздействия потока жидкости на керн связано уменьшение продолжительности рейса, а это, при небольшой механической скорости бурения и большой глубине скважин, приводит к снижению производительности труда. Для изоляции керна от потока промывочной жидкости наиболее рационально применять специальные колонковые снаряды, имеющие вторую колонковую трубу (ДКС). Изменение направления движения потока достигается обратной промывкой тем или иным способом.

Расхаживание снаряда, осуществляемое в некоторых случаях, например при бурении с местной (призабойной) циркуляцией жидкости (снарядом с шариком), приводит в определенных условиях к разрушению керна. Это бывает, в частности,-при бурении в трещиноватых, разрушенных или слабоустойчивых породах или полезных ископаемых. Во время подъема снаряда над забоем из колонковой трубы выпадают кусочки керна, которые попадают на забой под торец коронки и измельчаются, что приводит к снижению процента выхода керна. Следовательно, с целью сохранения керна в таких случаях необходимо исключать по мере возможности расхаживание снаряда.

Продолжительность времени чистого бурения и величина углубки за рейс при колонковом бурении определяют не только выход и качество керна, но и производительность труда. В связи с этим величину углубки за рейс устанавливают, прежде всего, при определении норм выработки. Но при плохом выходе керна величину углубки уменьшают в 2—3 раза, с чем связана затрата дополнительного времени на СПО.

Потеря керна может быть связана с технологией подъема колонкового снаряда из скважины. Во время подъема обычных колонковых снарядов керн может быть потерян из-за действия силы инерции, возникающей в начальный момент подъема и при опускании снаряда на подкладную вилку перед развинчиванием бурильных труб, т. е. в момент резкой остановки снаряда, движущегося вниз. С целью уменьшения влияния этих факторов рекомендуется начинать подъем и опускать снаряд на вилку очень плавно, без рывков и толчков.

Кроме того, потеря керна в процессе подъема снаряда на поверхность может быть связана с его выдавливанием из колонкового снаряда в связи с изменением уровней жидкости в скважине и бурильных трубах при плотном перекрытии выхода из колонкового снаряда керном. В этих условиях возникает перепад гидростатического давления на керн, величина которого зависит от разности высот столба жидкости в бурильных трубах и в скважине.

К числу факторов организационного характера, влияющих на получение качественного керна, относятся: наличие контрольноизмерительной аппаратуры и надежность ее работы; наличие рациональных средств для отбора керна и их техническое состояние; квалификация бурового персонала; контроль за выполнением основных требований и рекомендаций по отбору керна.

Эффективность отбора керна в большой степени зависит от подготовленности буровой бригады к этому процессу, от своевременного определения момента встречи опробываемого интервала и оптимального решения других организационных вопросов.