книги из ГПНТБ / Булнаев И.Б. Техника и технология отбора проб при разведочном бурении

лезные ископаемые в порядке возрастания их механической прочности (см. табл. 2), а по оси ординат асж и ф.

Из приведенных данных видно, что все исследованные поро­ ды и руды, имеющие различные фнзико-механические свойства (от сыпучих до весьма крепких) и структурно-текстурные осо­ бенности, по величине коэффициента ф (по трудности получения керна) могут быть подразделены на пять групп (табл. 3).

В I группу входят мягкие, сыпучие и плывучие породы и руды с коэффициентом ф>0,85.

Выход керна по породам и рудам данной группы опреде­ ляется в основном степенью размываемости выбуриваемого ма­ териала потоком промывочной жидкости. Определенное влияние оказывает и вибрация снаряда. Экспериментальные исследова­ ния, проведенные в лабораторных условиях, показывают, что под действием вибрации снаряда мягкий, сыпучий материал сильно уплотняется в нижней части керноприемной трубы, в результате чего происходит не только интенсивное истирание керна, но и размывание его потоком промывочной жидкости.

11

По этой причине при бурении одинарной колонковой трубой с прямой промывкой выход керна по породам и рудам данной группы составляет в среднем 10—20%, снижаясь в отдельных случаях до нуля.

Для получения качественного керна необходимо применять

= 0,5— 0,85.

Как видно из рис. 2, в породах данной группы между коэф­ фициентом ср и механической прочностью 0 С-,К устанавливается обратная зависимость, т. е. с увеличением аС)К снижается зна­ чение коэффициента ф (выход керна увеличивается). Это про­ исходит главным образом из-за меньшего размывания более

1,2

чае невозможности решения данной проблемы названными спо­ собами, особенно когда наблюдается избирательное истирание керна, можно применить улавливание рудного шлама с по­ мощью погружного гпдроцпклона или отбор бороздовых проб со стенок скважин.

В IV группу рассматриваемой классификации входят одно­ родные по составу, монолитные породы средней и высокой кре­ пости (сгсж = 350— 1400 кгс/см2) с коэффициентом разрушаемо-

сти керна ср= 0,15—0,30.

При бурении пород и полезных ископаемых данной группы выход керна обычно довольно высок и составляет около 70— 85%. Незначительные потери керна происходят в основном за счет поверхностного истирания отдельных столбиков между со­ бой и о колонковую трубу.

Чем ниже крепость буримых пород и руд, тем больше поте­ ри керна в процессе бурения. По этой причине между механи­ ческой прочностью пород и выходом керна (коэффициентом раз­ рушаемое™ керна ср) устанавливается определенная обратная зависимость (см. рис. 2).

Качественный керн по породам и рудам данной группы мо­ жет быть получен при бурении одинарными колонковыми тру­ бами с применением специальных режимов бурения.

В V группу входят монолитные, весьма крепкие кристалличе­ ские породы (сСж=1200— 1500 кгс/см2) с коэффициентом разру­ шаемое™ керна ср<0,15. При бурении пород и руд данной группы керн почти не разрушается из-за высокой механической прочности, монолитности и получается, как правило, полностью (95— 100%) в виде ненарушенных цилиндриков.

На основании результатов исследований можно отметить сле­ дующее.

1. Количество и качество керна, получаемого при колонко­ вом бурении, зависят в основном от строения, состава, трещи­ новатости и хрупкости пород и полезных ископаемых и в мень­ шей степени от их механической прочности.

2.Предлагаемая классификация пород и полезных ископае­ мых на основе коэффициента разрушаемое™ керна ср позволяет

сучетом основных разрушающих факторов и особенностей фи­ зико-механических свойств пород и полезных ископаемых отно­ сить их к той или другой группе по трудности получения керна.

Всвязи с этим появляется возможность разработки более пра­ вильных и эффективных методов повышения выхода керна при колонковом разведочном бурении.

3.При применении дайной классификации появляется воз­ можность еще до начала проведения буровых работ на место­ рождении отнести исследуемые породы и руды к тем или иным группам по трудности получения керна, что позволит заранее провести подготовительные мероприятия по повышению каче­ ства буровых работ. Для этого достаточно из обнажений, канав

М

и шурфов отобрать по интересующим породам образцы весом в несколько килограммов и в лабораторных условиях опреде­ лить значения коэффициента ср.

4. Ограниченное количество исследованных пород и полез­ ных ископаемых (24 разновидности) позволяет считать данную классификацию предварительной. По мере увеличения числа исследованных пород или полезных ископаемых в нее могут быть внесены некоторые уточнения. Так, например, из III груп­ пы можно выделить подгруппу трещиноватых пород, которые по характеру разрушения керна при бурении могут несколько от­ личаться от переслаивающихся по твердости, слоистых и слан­ цеватых пород или полезных ископаемых.

5. Выделение отдельной группы растворимых полезных иско­ паемых (солей), как это делается в ранее предложенных клас­ сификациях, нам кажется нецелесообразным, так как смена обычной промывочной жидкости иа насыщенный раствор соли, воздух или дизтопливо позволяет устранить растворение солей и получить качественный керн.

То же самое можно сказать про мерзлые и льдистые породы и полезные ископаемые. Как известно, применение охлажден­ ного до соответствующей температуры промывочного агента (жидкости или воздуха) позволяет избежать растепления и раз­ рушения керна при бурении. В практике бурения известен спо­ соб, когда с помощью охлажденного промывочного агента ис­ кусственно замораживается слабый, керн для предохранения его от разрушения.

В рассмотренных выше случаях мы имеем дело с различны­ ми способами повышения выхода керна в породах или полез­ ных ископаемых со специфическими свойствами. Для нахожде­ ния места указанных пород или руд в предлагаемой классифи­

промывочного агента. Пробы мерзлых пород должны иметь естественную отрицательную температуру.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ КОЛЕБАНИЯ КОЛОНКОВОГО СНАРЯДА НА ИНТЕНСИВНОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ КЕРНА

Известно, что изогнутая, упругая колонна бурильных труб подвержена продольным, поперечным и крутильным колеба­ ниям, которые передаются на колонковый снаряд и оказывают определенное влияние на разрушаемость керна. С увеличением глубины скважины и переходом на форсированные режимы бурения влияние колебания снаряда на процесс бурения, в ча­ стности на разрушаемость керна, значительно возрастает, и в -связи с этим появляется необходимость более детального изу-

15

ченпя данного явления и разработки мероприятий по борьбе г с ним.

Теоретическим исследованиям колебаний колонны бурильных труб посвящены работы Н. Г. Аветисяна, В. С. Владиславлева, А. Н. Динника, С. И. Калинина, В. Е. Копылова, Л. С. Лейбеизона, Г. М. Саркисова, А. Е. Сарояиа, В. Я. Симкина, Л. Е. Симонянца, А. С. Станишевского, С. И. Шищенко и др.

Ряд работ [2, 10, 13, 38, 39, 40, 41, 71 и др.] освещает резуль­ таты практического изучения колебания бурового снаряда при проходке скважин. Все эти исследования касаются в основном влияния колебания снаряда на прочность бурильных труб, ус­ тойчивость стенок скважин, искрнвляемость скважин, работо­ способность породоразрушающих инструментов и т. д. И почти не затрагивается в них влияние колебания бурового снаряда на разрушаемость керна. Поэтому данный вопрос остается' слабо исследованным и недостаточно учитывается при разработке ме­ роприятий по повышению выхода керна.

Наблюдения, проведенные в лабораторных и производствен­ ных условиях, показывают, что разрушение керна в процессе бурения происходит в основном в колонковой трубе. При буре­ нии только очень хрупких, трещиноватых и часто переслаиваю­ щихся пород или руд возможно незначительное разрушение кер­ на в процессе его образования под воздействием породоразру­ шающего инструмента. Об этом говорят результаты исследова­ ний влияния длины рейса на выход керна [16,56,57], получен­ ные при бурении пород с различными физико-механическими свойствами. Почти во всех случаях наблюдается снижение коли­ чества и качества получаемого керна с увеличением длины рейса, т. е. времени пребывания керна в колонковой трубе.

Разрушение керна в колонковой трубе происходит под дей­ ствием трех основных факторов: вибрации колонкового снаряда, размывающего действия потока промывочной жидкости и исти­ рания керна колонковой трубой или самопстиранпя кусочков при их заклинке.

Разрушающее действие на керн двух последних факторов изучено достаточно хорошо, п результаты исследований широко освещены в специальной литературе. Влияние вибрации (коле­ бания) бурового снаряда на разрушение керна при бурении изучено недостаточно и является одним из основных разрушаю­ щих факторов, особенно при бурении хрупких, разнородных по составу, переслаивающихся и трещиноватых пород и полезных ископаемых. Об этом говорят результаты сравнительного буре­ ния некоторых осадочных пород при проходке скважины (на глубине) и в лабораторных условиях (на стенде).

Работа проводилась по следующей методике: вначале породы бурились на глубинах 150—300 м в процессе проходки скважи­ ны при строго выдержанном режиме и коронками определенно­ го типа. После проходки 0,7— 0,8 м и надежной заклинки керна

16

снаряд поднимался на поверхность н определялись: количество выбуренного материала, а также степень п характер его разру­ шения. Затем из горных выработок отбирались крупные блоки тех же пород и разбуривались в лабораторных условиях при идентичных режимах и темп же породоразрушающими инстру­ ментами.

Разница условий кернообразования при опытах заключалась в том, что в первом случае снаряд подвергался колебаниям изза наличия длинной колонны бурильных труб, а во втором — ко­ лебание снаряда было сведено к минимуму путем исключения из состава снаряда бурильных труб н хорошей центрации колон­ ковой трубы.

Результаты исследований, приведенные в табл. 4, показы­ вают, что при бурении с вибрацией бурового снаряда (в сква-

Та б л и ц а 4

Снижение процента выхода керна под действием вибрации бурового снаряда

Примечание. Коэффициент Т|, характеризующий качество керна, определяется деле нием суммарной длины ненарушенных цилиндриков керна, поднятых за рейс (имеющих длину превышающую их диаметр), на величину рейсовой проходки, т. е.

оквлиотена СГ-С;1,

ЭКЗЕМ ПЛЯР

жнне) керн подвергается более сильному разрушению, и потому выход его значительно снижается (на 35—40%) по сравнению

сбурением без вибрации (на стенде).

Осильном разрушающем действии вибрации бурового сна­ ряда на керн говорят также данные (табл. 5), полученные в Воропцовской геологоразведочной партии [39] при сравнитель­ ном бурении с антивибрационной смазкой и без нее. Антивибра­ ционная смазка не устраняет полностью вибрацию снаряда, но позволяет значительно снизить (в 1,5—2,5 раза) амплитуду как продольных, так и поперечных колебаний. В результате, как видно из табл. 5, при бурении со смазкой в совершенно одина­ ковых условиях выход керна повысился на 9—21%.

Т а б л и ц а 5 Выход керна при бурении с антивибрационной смазкой и без нее

Под действием вибрации снаряда снижается не только ко­ личество, но и качество керна.

Из данных табл. 4 видно, что при бурении без вибрации б\рового снаряда величина коэффициента т) в 1,5— 3,0 раза выше, чем при бурении с вибрацией. Причем интенсивность раздробления керна под действием вибрации изменяется в за­ висимости от механических свойств и строения пород.

Так, например, при бурении разнородного по составу и твер­ дости конгломерата с вибрацией величина коэффициента т] снизилась в 3 раза, тогда как в однородных алевролитах всего в 1,65 раза.

Из приведенных данных следует, что вибрация снаряда, воз­ никающая в процессе бурения скважины, является весьма зна­ чительным разрушающим фактором, резко снижающим как ко­ личество, так и качество получаемого керна, особенно при про­ ходке хрупких, трещиноватых, разнородных по составу и твер­ дости пород или полезных ископаемых.

Интенсивность и характер колебаний бурового снаряда в скважине в зависимости от свойств проходимых пород, режима бурения и параметров бурового инструмента изучены недоста­ точно. Определенную трудность представляет измерение ампли­ туды и частоты колебаний бурового снаряда непосредственно в

18

скважине из-за сложности данного процесса п отсутствия соот­ ветствующих измерительных приборов. Поэтому о колебании бурового снаряда в процессе проходки скважины судят в основ­ ном по результатам измерений, произведенных на поверхности. В частности, для установления характера продольного колеба­ ния бурового снаряда обычно измеряют частоту и амплитуду перемещения направляющих штоков или траверсы вращателя бурового станка [13, 38, 39], а поперечное устанавливается по замерам колебаний бурильных труб у устья скважины или шпинделя бурового станка [41].

Очевидно, что при указанных методах исследований допус­ каются ошибки, так как колебание колонкового снаряда, нахо­ дящегося на забое скважины, будет совершенно отличным от колебания шпинделя станка. Вероятно, снаряд, расположенный в сжатой части колонны бурильных труб, подвержен более силь­ ному колебанию, которое при передаче на поверхность через растянутую часть труб постепенно гасится. В. Е. Копылов [39] отмечает, что «размах колебаний на забое скважины втрое больше колебаний, записанных на устье».

Таким образом, по результатам замеров, произведенных на поверхности, невозможно судить о колебаниях колонкового сна­ ряда, расположенного на забое скважины. Для точного изуче­ ния характера и интенсивности колебаний колонкового снаряда при бурении необходимо применить забойные регистрирующие приборы. Подобный прибор, созданный на основе ручного виб­ рографа ВР-1, был применен на Усть-Балыкском нефтяном месторождении В. Е. Копыловым для замера амплитуды и ча­ стоты продольного колебания долота. Но данный прибор имеет ряд конструктивных недостатков: большой диаметр, малое вре­ мя записи (1,5 мин), невозможность многократной записи за рейс и др. Поэтому он не может быть применен в скважинах разведочного бурения на твердые полезные ископаемые, прохо­ димых небольшим диаметром.

Автором было предложено и испытано в скважинных усло­ виях устройство несколько иной конструкции, предназначенное для замера и записи амплитуды и частоты продольного колеба­ ния колонкового снаряда.

Устройство (рис. 3) представляет собой двойной колонковый снаряд длиной около 1,5 м. В верхней части в герметично за­ крытой трубе располагается узел для записи колебаний, состоя­ щий из часового механизма 1, барабана 2 и пера 3. Перо свя­ зано с датчиком колебания, представленного двумя трубами 8 и 9. Внутренняя труба получает вращение через квадрат 6 и имеет возможность продольного перемещения (до 30— 40 мм) относительно наружной. До постановки снаряда на забой внут­ ренняя труба выдвинута из наружной под действием пружины 7 и перо, прикрепленное к детали 4, занимает крайнее нижнее положение.

19