8.3. Влияние различных факторов на процесс кернообразования

Основной целью геологоразведочного бурения скважин в конечном итоге является получение представительных проб полезных ископаемых и горных пород, которые не только дают сведения о геологическом строении, форме, размере рудных тел, но и помогают оценить горно-технические условия эксплуатации.

В связи с этим становится очевидным, какое большое значение имеет качество и количество керновых проб, получаемых в процессе бурения. Однако на выход керна оказывает большое влияние целый ряд факторов (более 50), действующих в совокупности с различной степенью интенсивности.

Классификация, отражающая характер важности факторов по степени их влияния на процесс кернообразования, приведенная в табл. Позволяет учитывать и устранять действия этих факторов на отбор качественных керновых проб в процессе бурения  6, 7 .

4. Качество керновых проб

Основная часть информации при геологоразведочном бурении обеспечивается получением керновых проб требуемого качества.

При этом, под качеством керновой пробы следует понимать обеспечение входа керна в процентном отношении выше кондиционного с максимальным сохранением структурно-текстурных особенностей и истинного содержания полезного компонента в конкретном комплексе горных пород.

С момента формирования керн испытывает воздействие большого числа разнообразных факторов, приводящих к его износу и порой сводящих на нет усилия по получению качественной геологической информации об объекте разведки.

Оценка качества разведочных работ только по количеству полученного при бурении керна не отвечает современным требованиям, а в ряде случаев и не позволяет признать месторождение полезного ископаемого разведанным с требуемой степенью достоверности (наличие избирательного истирания полезного ископаемого, необходимость оценки структурных элементов залегания пород и т.д.).

В этих случаях приходится прибегать к дополнительным способам повышения достоверности полученной геологической информации: дополнительное опробование по шламу, вторичное перебуривание рудных интервалов, заверка тяжелыми горными работами и т.д.

Таблица Классификация факторов кернообразования

Группа факторов кернообразования	Факторы кернообразования
	геологические	технические	технологические
1	2	3	4
А Факторы, определяющие выход керна	Трещиноватость пород Перемежаемость пород по твердости	Диаметр керна Конструкция колон-кового снаряда Способ бурения	Вибрации бурового снаряда Количество промывочной жидкости Осевая нагрузка на инструмент
В Факторы, влияющие на выход керна	Структура пород Вторичные изменения пород Текстура пород Угол встречи пластов с осью скважины	Способ заклинивания керна Способ удаления продуктов разрушения Тип забойного инструмента Качество бурового снаряда	Углубка за рейс Частота вращения бурового снаряда
С Факторы, оказывающие влияние на выход керна в специфических условиях	Категория пород по буримости Глубина залегания пород Абразивность пород	Профиль промывочных каналов коронки и форма торца Количество секторов в коронке Качество и размер резцов в коронке	Состав промывочной жидкости: водоотдача, вязкость, плотность, химический состав

В связи с этим представляется необходимым иметь шкалу оценок керна по его качественным показателям, в которой количество кернового материала было бы только одним из критериев. Общей характеристикой критериев является соответствие свойств кернового материала пройденному интервалу скважины.

Основные критерии качества керновых проб (табл. ) полностью отвечают указанным требованиям. Оценка керновых проб по этим критериям позволяет определить степень достоверности геологической информации, получаемой по конкретной пробе.

Качество керновой пробы оценивается по следующим критериям:

1. Количество кернового материала; определяется выходом керна: линейным, весовым или объемным методом.

2. Вещественный состав кернового материала; определяется наличием избирательного истирания полезного компонента.

3. Структура кернового материала; характеризуется вторичным дроблением керна, изменением физико-химических свойств горных пород, ориентацией керна

Оценка керновых проб по этим критериям позволяет разбить получаемую геологическую информацию на четыре группы:

• пробы, представительные по всем трем критериям;

• пробы, представительные по двум критериям (имеет место нарушение структуры);

• пробы, представительные по одному критерию (нарушены структура керна и его масса);

• пробы, у которых не выдержан ни один из критериев (брак).

Согласно классификации керновых проб по степени достоверности получаемой геологической информации  6  максимальную геологическую информацию обеспечивает керновая проба, полностью соответствующая исходному материалу пробуренного интервала скважины по структуре, массе и истинному содержанию полезного компонента. Для обеспечения максимальной сохранности перечисленных характеристик керновой пробы в геологоразведочной практике применяется широкая гамма специальных технических средств и технологических методов для получения требуемых параметров этой пробы. Очевидно, что конкретные технические средства существенно различаются по степени обеспечения ими сохранности керна, однако оценка изменения качества керновых проб по обобщенному

Таблица Основные критерии качества керновых проб

Критерии	Основные критерии	Характеристика критерия	Оценка керна
1	Количество кернового материала (выход керна)	Линейный Весовой Объемный	Выход, % То же То же
2	Вещественный состав кернового материала	Наличие избирательного истирания полезного компонента Содержание летучих компонентов	Изменение содержания, % То же
3	Структура кернового материала	Вторичное дробление керна Изменение физико – механических свойств керна Ориентация керна	Есть, нет В единицах величин Градус поворота

показателю (выход керна) проводится достаточно субъективно и не отвечает современным требованиям.

Как показали исследования, проведенные ВИТРом, в реальных условиях в первую очередь нарушаются структурные характеристики керна, что в дальнейшем приводит к заклиниванию керна в колонковом снаряде и его износу. При самозаклинивании износ керна развивается постадийно. В общем виде он определяется последовательностью самозаклинивания: частичное, полное, развитое.

Под ч а с т и ч н ы м с а м о з а к л и н и в а н и е м понимается процесс заклинивания, развивающийся в колонковом снаряде и сравнительно быстро самоликвидирующийся в процессе бурения практически без смены режима бурения. При этом процесс износа керна прекращается в самом начале и фиксируется на извлеченном керне в виде площадок притирания двух взаимосоприкасающихся столбиков или плашек керна; площадка притирания составляет не более половины диаметра керна, а износ керна по вертикали в результате истирания не превышает 0,5 – 1,0 мм в каждом отдельном случае самозаклинивания.

Под п о л н ы м с а м о з а к л и н и в а н и е м понимается процесс заклинивания, развивающийся в колонковой трубе и ликвидируемый только изменением технологических параметров режима бурения. При этом процесс износа керна достаточно развит, однако износ двух взаимосоприкасающихся плашек керна происходит только истиранием; площадка притирания распространяется на полный –диаметр поперечного сечения керна, а износ по вертикали достигает 2,0 – 4,0 мм.

Под р а з в и т ы м с а м о з а к л и н и в а н и е м понимается процесс заклинивания, развивающийся в колонковой трубе и не ликвидируемый в процессе бурения сменой режимных параметров. Ликвидация такого заклинивания может произойти только в результате полного разрушения и перетирания заклиненной плашки керна в зоне заклинивания и, по сути дела, уничтожения самой зоны. При этом износ керна происходит в результате развитых процессов истирания и объемного дробления, что приводит к существенным потерям кернового материала. На извлеченном керне поверхность притирания имеет сложную форму, которая может быть с достаточной точностью охарактеризована как «трактрисса вращения», износ керна по вертикали достигает 8 – 12 мм  1.

Определить характер заклинивания можно по следующей схеме:

Площадка износа Характер заклинивания

До 0,5 d_к ……………………………………………………Частичный

От 0,5 до 1,0 d_к …………………………………………….Полный

1,0 dк «трактрисса вращения» ………………………….Развитый

Исходя из изложенной концепции определения характера заклинивания, можно оценить степень сохранности структуры керновой пробы. Нарушение структуры керновой пробы происходит при любом виде самозаклинивания, однако в разной степени. Степень влияния характера самозаклинивания на сохранность структуры керна предлагается оценивать коэффициентом пропорциональности, учитывающим износ керна по образующей (вертикали) при различных видах заклинивания, приняв износ керна при частичном заклинивании за единицу. Тогда можно записать выражение коэффициента нарушенности керна К _н:

К _н = n ₁ + 4n ₂ + 10n ₃ ,

где n ₁, n ₂ , n ₃ - число частичных, полных и развитых заклиниваний в рейсе.

Коэффициент нарушенности керна должен быть четко привязан к 1 п.м. рейсовой проходки. Тогда:

n ₁ + 4n ₂ + 10n ₃ ,

К _н = ----------------------------

l _к

где l _к - проходка за рейс, м.

Таким образом, чем больше коэффициет К _н , тем выше степень нарушен-ности керна.

Расчет коэффициента нарушенности керна показывает следующее:

1. Максимальную степень сохранности керна при бурении в конкретных геологотехнических условиях обеспечивают двойные колонковые снаряды типа ТНД-РК-76 (К _н =min).

2. Увеличение диаметра применяемых специальных технических средств с 59 до 76 мм способствует при прочих равных условиях снижению нарушенности керна.

3. Соотношения коэффициентов нарушенности керна для колонковых снарядов одного типа, но разных диаметров показывают, что при переходе с бурения снарядами диаметром 59 мм на технические средства диаметром 76 мм сохранность керна увеличивается в 1,3 – 1,4 раза; это существенно для получения керна ненарушенной структуры.

Как известно, в первую очередь в процессе бурения нарушается структура керновой пробы. Оценка степени ее нарушенности производится по коэффициенту нарушенности керна К _н . Для решения же ряда инженерно-геологических и других задач существенно важно знать стратиграфические изменения керновой пробы в сопоставлении со стратиграфией в исходном интервале скважины. В связи с этим представляется необходимым определять не только сумму количественных потерь кернового материала и степень нарушенности структуры керновой пробы, но и установить отдельные интервалы фактических потерь кернового материала в пределах рейсовой углубки.

Износ, как известно, протекает под воздействием, в основном, двух физических процессов: истирания керна; объемного дробления и сколов с последующим истиранием. Известно также, что процесс чистого истирания керна наблюдается достаточно редко, основным является совместный процесс дробления и истирания.

Для уточнения зон стратиграфических изменений керна рейсовой углубки необходимо выяснить количественные соотношения потерь кернового материала при истирании и совместном процессе.

При возникновении самозаклинивания процесс истирания происходит адекватно трению на пяте и продолжается до образования поверхностей трения, описываемых трактриссой. С некоторой корректировкой можно считать, что удельная нагрузка на единицу площади р _н определяется следующим выражением:

Р _ос

р _н = ------------ , (1)

2  r²_к

где r _к – радиус керна; Р _ос – осевая нагрузка на породоразрушающий инст румент.

Износ трущихся поверхностей по вертикали h может быть рассчитан по следующей формуле [ 1 ]:

k  n P_ос

h = --------------- , (2)

r _к

где k – коэффициент пропорциональности;

 - коэффициент трения;

n - частота вращения бурового снаряда.

В реальных условиях процесс износа керна не останавливается на стадии образования поверхностей, описываемых трактриссой (хотя и такой случай имеет место); в большинстве случаев этот процесс развивается дальше.

Дальнейшее развитие процесса износа керна при самозаклинивании можно представить в виде следующих стадий:

• повышенная скорость износа периферийных частей пяты приводит к уменьшению площади контакта трущихся поверхностей по периферии вплоть до полного исчезновения их контакта;

• осевая нагрузка перераспределяется на все меньшую площадь, определяемую сокращающимся радиусом соприкасающихся поверхностей;

• при некоторой критической площади соприкосновения осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент превышает предел прочности породы на сжатие и происходит процесс объемного дробления столбика керна;

• процесс объемного дробления керна с последующим истиранием достаточно быстротечен, что приводит к интенсивному износу разрушенной зоны;

• если процесс самозаклинивания не самоликвидировался, то происходит вынос разрушенного материала из зоны контакта и восстанавливается процесс чистого истирания соприкасающиъся поверхностей.

В целом процесс цикличен и число циклов разрушения определяется числом моментов ликвидации заклинивания и восстановления нормального течения процесса кернообразования.

Установлено, что скорость разрушения зоны дробления при развитом заклине, составляет V _р  600 мм/мин для гранитного материала, что практически на порядок выше скорости износа при истирании ( V _и  50 – 100 мм/мин ).

После полного разрушения зоны дробления, если заклинивание не самоликвидировалось, процесс износа керна возобновляется со стадии притирания вновь образованных поверхностей соприкосновения, т.е. начинается новый цикл износа истиранием. Время существования заклинивания может быть определено по –диаграмме затрат мощности, так как при работе в режиме заклинивания затраты мощности на разрушение породы сплошным забоем существенно возрастают, что и прослеживается на этих диаграммах.

Таким образом, износ керна при заклинивании происходит только в случае развитого заклина, который легко определяется визуально по керновому материалу. На основании визуального определения может быть составлена кернограмма рейсовой углубки, по которой определяются зоны износа кернового материала, что, в конечном итоге, и определяет оценку стратиграфической нарушенности керна.

Примеры кернограмм рейсовой углубки при бурении геологоразведочных скважин на территории Монголии приводятся на рис. Частичные и полные заклины отмечены пиками, соответствующими (по масштабу) уровню вертикального износа керна по принятой оценке. Анализ кернограмм позволяет реально оценить поинтервальные потери керна в конкретном рейсе и тем самым оценить стратиграфическую нарушенность керна.

Сопоставление кернограмм рейсовой углубки при бурении различными техническими средствами отбора керна позволяет наглядно оценить степень надежности защиты керна при бурении конкретными техническими средствами в идентичных геологических условиях.

В целом, кернограммы рейсовой углубки являются наглядным дополнительным критерием оценки качества керновых проб и степени достоверности геологической информации.

Основными факторами, приводящими к нарушению качественных характеристик керна при бурении, являются физические процессы, определяющие механическое разрушения керна: истирание, скалывание, дробление, размывание. Следует учитывать, что разрушение керна идет тем интенсивнее, чем больше поверхность кернового материала, подвергающаяся указанным воздействиям. Поверхность определяется степенью дробления керновой пробы, т.е. числом кусков керна, находящихся в керноприемной трубе.

Необходимо также различать естественную трещиноватость породы в массиве (первичная дезинтеграция породы) и вторичное дробление породы под воздействием вибраций, ударов, и других механических воздействий, возникающих в процессе бурения.

В процессе разрушения керна отмечаются три стадии:

• раскрытие естественных поверхностей дробления и вторичное технологическое дробление керна;

• механическое разрушение керна (истирание, сколы, размывание т.д.). Химическое растворение, как процесс разрушения керна имеет подчиненное значение;

• вынос разрушенных частиц керна струей промывочной жидкости .

По стадийности развития процессов разрушения керна при бурении составлена принципиальная схема процесса формирования и износа керна в виде структурной схемы (рис. ), где в качестве исходных условий принято первичное состояние породы в массиве, а в качестве выходных параметров – керновый материал с оценкой по трем предложенным критериям качества керна.

Следует учитывать, что в приведенной структурной схеме область образования дефектов керновой пробы представляет собой упрощенную модель процесса износа керна. В реальных условиях процесс износа керна протекает существенно сложнее и может быть разделен еще минимум на две области: предпосылок износа и собственно износа.

Степень достоверности керновых проб определяется согласно классификации керновых проб по степени достоверности получаемой геологической информации ( табл. ). При разработке классификации принято допущение, что для III и IУ классов пробы потери ее массы не превышают 60%.

Рекомендуемые способы оценки керновых проб по степени их представительности позволяют определить необходимые параметры качества керновой пробы и, в соответствии с поставленной геологической задачей и в соответствии с требуемым классом представительности пробы , решать вопросы о применении специальных технических средств и способов отбора керна.