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

При постановке снаряда на забой и передаче на него осевой нагрузки внутренняя труба вдвигается в наружную, сжимая пружины 5 и 7. При этом перо также перемещается вверх и прочерчивает на барабане вертикальную линию (рис. 4). В про­

бания снаряда при различных режимах бурения за один спуск, отмечая результаты отдельных опытов вертикальными линиями, получаемыми при отрыве снаряда от забоя (рис. 4).

Прибор был испытан при проходке скважины на глубинах 150—200 м. Разбуривались породы, представленные песчаника­ ми IV— V категорий, плотными алевролитами VI—VII катего­ рий и мелкогалечными конгломератами VI—VII категорий (табл. 6). Диаметр бурения 92 мм. Бурильные трубы диамет­

20

ром 42 мм ниппельного соединения. Промывка скважины осу­ ществлялась водой.

В процессе бурения одновременно производились замеры амплитуды и частоты колебания бурового снаряда на поверх-

Число оборотов снаряда

102 182 237 т

Рис. 4. Виброграмма продольного колебания снаря­ да, полученная при бурении плотного алевролита VII—VIII категорий на глубине 178,8 м при н—102, 182, 237 и 480 об/мин, С=700 кгс и Q= 60 л/мин.

Т а б л и ц а 6

Амплитуда продольного колебания снаряда, измеренная на поверхности и в призабойной части скважины

21

кости с помощью вибрографа ВР-1 по методике исследователей

[38, 39 и др.].

Рис. 5. Кривые зависимости амплитуды продольного колебания бурового снаряда А от числа оборотов п и осевой нагрузки С.

I — песчаник IV—V категорий, // — алевролит VI—VII категорий,

/// — мелкогалечиый конгломерат VII категории.

/ — амплитуда колебания, замеренная у забоя: 2 — то же, на поверхности.

2. С увеличением числа оборотов снаряда амплитуда про­ дольного колебания возрастает (рис. 5, а, б, в, г), причем интен­ сивность роста ее в призабойной части значительно выше, чем на поверхности, что указывает на затухание колебания в на­ правлении к устыо скважины.

3. С увеличением механической прочности и разнородности состава пород амплитуда продольного колебания колонкового снаряда соответственно растет.

Определенное влияние на амплитуду продольного колебания колонкового снаряда оказывает величина осевой нагрузки на

22

породоразрушающий инструмент, создаваемой весом сжатой части колонны бурильных труб.

На рис. 5 приведены кривые зависимости A = f(C ), полу­ ченные по результатам записи колебания колонкового снаряда с помощью погружного вибрографа. Из рисунка видно, что наи­ большая амплитуда колебания наблюдается при ограниченной

сивностью в зависимости от свойств и состава пород и полез­ ных ископаемых.

Снижение амплитуды колебания колонкового снаряда с ро­ стом осевой нагрузки можно объяснить, вероятно, быстрым за­ туханием его в сжатой части колонны из-за увеличения силы трения изогнутых бурильных труб о стенки скважины (увеличи­ вается число точек касаний и сила прижатия полуволн).

Частота продольного колебания снаряда достаточно точно может быть замерена на поверхности и в зависимости от усло­ вий и режимов бурения изменяется в пределах 7— 14 Гц [13,39].

Полученные результаты исследований показывают, что даже при благоприятных условиях бурения: небольшая глубина, уме­ ренные режимы бурения, невысокая крепость пород и т. д. — ам­ плитуда продольного колебания колонкового снаряда достигает 2,5— 3,3 мм. При бурении глубоких скважин по крепким и осо­ бенно трещиноватым породам она может еще более возрасти и при определенных условиях достигать нескольких десятков (50—60) мм [39]. В результате породоразрушающий инструмент может отрываться от забоя и наносить удары по нему, что от­ рицательно сказывается не только на работоспособности корон­ ки, но и на выходе керна. Не менее важное значение при реше­ нии проблемы получения качественного керна имеет поперечное колебание бурового снаряда.

Ряд исследователей [13, 39] производили замеры амплитуды и частоты поперечного колебания бурового снаряда на поверх­ ности по величине колебания шпинделя бурового станка или бурильных труб у устья скважины и получили следующие вели­ чины при различных режимах бурения (табл. 7).

Из приведенных данных видно, что амплитуда поперечного колебания Ап изменяется в зависимости от режима бурения и особенно от числа оборотов. Увеличение осевой нагрузки также приводит к росту А„, но менее интенсивной, чем от числа обо­ ротов п.

Таким образом, при бурении скважин возникают как про­ дольные, так и поперечные колебания колонкового снаряда, ко-

23

Т а б л н ц а 7

Изменение амплитуды поперечного колебания снаряда в зависимости от режима бурения

Опыты проводились с различными породами и в определен­ ной последовательности: вначале выполнялась серия экспери­ ментов без вибрации с хорошо отцентрированным снарядом,, затем они повторялись с продольным или поперечным колеба­ нием снаряда при одинаковых условиях.

Исследования с продольным колебанием снаряда выполня­ лись с помощью специального устройства (рис. 6), состоящего из бурильной трубы 1, шарикового вибратора 3, 4, 5 и 6, тру­ бы 11 с буртиком 8, шпонки 2, подшипников 9, пружины 12, стержней 7, направляющих стоек 10, основания 13, колонкового снаряда 14, цилиндра 15, опирающегося в пяту 16. Буртик 8 трубы 11, зажат между упорными подшипниками 9, располо­ женными в канале нижней муфты шарикового вибратора 6. Труба И плотно вставлена в канал муфты вибратора и закреп­ лена шпонкой 2, через которую передается вращение от буро­ вого станка к колонковому снаряду 14. Наличие лыски на тру­ бе 11 позволяет ей совершать поступательное движение относи­ тельно верхней муфты вибратора 3.

Опыты с продольным колебанием снаряда выполнялись сле­ дующим образом. Основание устройства 13 закрепляется на стенде на высоте 1,5—2,0 м под шпинделем станка, а пята 16 — к днищу металлического ящика, установенного на полу. Иссле­ дуемый керн, представленный (около 70%) небольшими цилинд­ риками (1—2— 3d) и кусочками около 30% с размерами, рав­

ными—----------(I и d — соответственно длина и диаметр цилинд­

риков керна), взвешивается, а затем в определенной последова­ тельности загружается в колонковую трубу 14. В нижний конец трубы вставляется цилиндр 15, который выполняет функцию столбика керна, проталкивающего исследуемый материал в тру­ бу 14 при осевой подаче снаряда. v

24

Бурильная труба зажимается в патронах станка, пружина 12 слегка поджимается, и включается вращение. При этом верхняя

давалось также с помощью шарикового вибратора, устроенного следующим образом: на боковую поверхность переходника ко­ лонкового снаряда закреплялись в специальных гнездах четыре

плита, установленная вертикально. Для возбуждения попереч­ ного колебания необходимо отодвинуть станок по салазкам до упора снаряда в плиту и включить вращение. Когда очередной

25

шарик надвигается на плиту, то он смещает снаряд в сторону па величину выступающей части (па 3—5 мм), а при проходе его снаряд возвращается в исходное положение под действием упругих сил изогнутой бурильной трубы.

Частота колебания снаряда изменялась, как и в первом слу­

взвешиванием оставшегося в трубе материала.

Результаты исследований некоторых видов пород с различ­ ными механическими свойствами, представленные в виде кривых на рис. 7, показывают, что под действием поперечного колеба­ ния снаряда потери керна, по сравнению с бурением без виб­ рации, значительно возрастают, в частности: по мрамору VI категории на 25—45%, по цементному камню V категории на 38— 45% и по песчанику IV категории па 10—20%.

Особенно резко возрастают потери керна при увеличении частоты поперечного колебания снаряда из-за сильного уплот­ нения раздробленного материала в приемной трубе, что приво­ дит к частому самозаклиниванию керна и, соответственно, бо­ лее интенсивному разрушению в процессе бурения.

Чем выше механическая прочность кусочков, вызвавших за­ клинивание керна, тем значительнее потери, что связано с труд­ ностью раздробления их и продвижения керна при углубке скважины.

При низкой механической прочности материала керна самозаклинивание, происходящее под действием вибрации, легко устраняется в результате быстрого разрушения кусочков при незначительных усилиях подачи снаряда.

По этой причине потери керна под действием поперечного колебания снаряда возрастают по слабому песчанику IV кате­ гории по буримостн всего на 10— 20%, а по более прочному мрамору VI категории на 25— 45%.

Продольное колебание снаряда, в отличие от поперечного, вызывает менее интенсивное разрушение керна, а в отдельных случаях даже способствует лучшему его сохранению в процессе

(рис. 7, а), что объясняется снижением самозаклинкм и исти­ рания керна.

Исследования показывают, что при продольном колебании1 снаряда сила трения и сцепления между отдельными кусочка­ ми, а также колонковой трубой снижается, и потому самозаклиика керна происходит значительно реже. Даже в случае ее возникновения кусочки слабых пород, вызвавшие заклниива-

26

ние, легко разрушаются при продольном колебании снаряда, н керн без особого сопротивления проходит в колонковую трубу.

Об этом же говорят результаты, получаемые при безнасоспом бурении с шариком. Известно, что в данном случае бурение осуществляется с частым расхаживанием снаряда (до 40— 50

Рис. 7. Графики зависимости потери керна (по вертикали, % ) от частоты продольного и попе­ речного колебании снаряда.

а — песчаник на глинистом цементе IV категории; б — це­ ментный камень, плотный, вязкий. V — категории; в — алевролит плотный, вязкий., VI—VIII категорий; г — мра­ мор среднсзсрнистый, плотный. VI категории.

1— бурение без колебания снаряда; 2— бурение с попе­ речным колебанием снаряда; 3 — бурение с продольным колебанием снаряда.

в мин) и с отрывом его от забоя на 50—80 мм. Практически это также является продольным колебанием снаряда, но с низ­ кой частотой и большой амплитудой. В результате, как из­ вестно, значительно снижается самозаклинивание и повышается качество и количество получаемого керна. Или другой пример.

27

При проходке скважины в сильно трещиноватых, крепких поро­ дах и рудах для уменьшения самозаклиики керна и увеличения длины рейса бурение осуществляется также с частым расхажи­ ванием снаряда.

Но при бурении крепких пород, когда кусочки, вызвавшие заклинивание керна, не разрушаются под действием вибрации,

вместе со снарядом, наносят по поступающему с забоя керну удары, в результате чего интенсивность разрушения керна воз­ растает по сравнению с бурением без вибрации.

Самозаклинка, следовательно, и разрушение керна при бу­ рении, значительно снижаются при увеличении частоты продоль­ ного колебания снаряда. Из рис. 7, б, в, г видно, что при увели­ чении частоты колебания с 7 до 15 Гц потери керна под дейст­ вием продольного колебания снизились: по цементному камню с 60 до 30%, по мрамору с 30 до 8% и по алевролиту с 25 до 8%. Поэтому при проходке скважин особенно в трещиноватых по­ родах пли рудах, когда наблюдается частая самозаклинка и разрушение керна, режимы бурения необходимо подбирать та­ ким образом, чтобы при минимальной амплитуде получить мак­ симальную частоту продольного колебания колонкового снаря­ да. Это может быть достигнуто уменьшением осевой нагрузки (рис. 5, г) и увеличением числа оборотов снаряда (рис. 7, а, в, с).

Лабораторные исследования также показывают, что интен­ сивность разрушения керна под действием вибрации бурового снаряда в значительной степени изменяется в зависимости от вида промывочного агента.

Опыты, проведенные в одинаковых условиях при промывке скважины водой и продувке сжатым воздухом, показали, что в последнем случае интенсивность разрушения керна, особенно под действием поперечного колебания снаряда, значительно воз­ растает. Отсутствие жидкости в керноприемиой трубе способ­ ствует увеличению силы соударения керна с трубой при коле­

керна при опытах с продувкой на 15—23% выше, чем с про­ мывкой водой. При этом слабый материал в керне полностью разрушается и выносится промывочным агентом, а крепкие столбики и кусочки сильно истираются, окатываются и к концу рейса часто приобретают шарообразную форму. Подобное же явление отмечалось в производственных условиях [8] при буре­ нии мраморов с продувкой сжатым воздухом.

Таким образом, керн в процессе бурения особенно сильно разрушается под действием поперечного колебания снаряда в результате раздробления, уплотнения в приемной трубе и самозаклинивания. Устранить полностью колебание колонкового'

28

снаряда при бурении невозможно, но снизить его интенсивность можно правильным подбором режима бурения или технически­ ми средствами, например, применением сбалансированного сна­ ряда, антивибрационных средств, использованием специальных колонковых наборов и т. д.

Все существующие конструкции специальных колонковых снарядов (двойные, эжекторные и др.), предназначенные для получения полноценного керна из легкоразрушаемых при буре­ нии пород или полезных ископаемых, не устраняют разрушаю­ щее действие на керн колебания (особенно поперечного) колон­ кового снаряда. Поэтому по некоторым видам пород или полез­ ных ископаемых не удается получить качественный керн, даже при применении снарядов совершенных конструкций. Для уст­ ранения этого недостатка предлагается специальная конструк­ ция двойного колонкового снаряда (Д1\С) с втягивающейся эластичной оболочкой (рис. 8). Он представляет собой двойной колонковый снаряд, состоящий из ступенчатой коронки 2, на­ ружной трубы 8 и внутренней трубы 14, свободно подвешенной на подшипниках 11.

Устройство для захвата н транспортировки керна состоит из эластичной оболочки и механизма привода.

Оболочка состоит из прочного каркаса, изготовленного из стальных тросиков 9 диаметром 1,0— 1,5 мм, и тонкой резино­ вой оболочки 10, наклеенной на каркас. Диаметр оболочки на 10— 15 мм меньше диаметра керна, благодаря чему она может транспортировать даже раздробленный материал.

Эластичная оболочка одевается на керноприемную трубу 14, которая предварительно протачивается по наружному диаметру на 2,0—2,5 мм. Один конец оболочки через корпус подшипни­ ков 13 соединяется с трубкой 12, а второй, представленный мягкой манжетой, плотно облегает керноприемную трубу и тем самым предупреждает попадание под оболочку бурового шлама.

Механизм привода состоит из трубки 12 с наружным диамет­ ром 15 мм и внутренним— 10 мм, головки 6 с захватами 5, ловителя 4, спускаемого внутри бурильных труб на тросе 1 диаметром 5—6 мм. В процессе бурения трос вращается вместе- с бурильными трубами благодаря наличию на поверхности спе­ циального подшипникового звена.

Бурение ДКС производится следующим образом. Снаряд

•спускается в скважину и, не доводя его до забоя 1,0— 1,5 м,. дается промывка для удаления осевшего шлама. При этом про­ мывочная жидкость проходит к забою между трубами 14 н 8 и по каналу трубки 12, куда попадает она через окна 7. В ре­ зультате очищается от шлама не только забой, но и внутренняя полость эластичной оболочки.

Затем снаряд ставится на забой и на тросе 1 забрасывается в бурильные трубы ловитель 4, который по достижении снаря­ да с помощью захватов 5 соединяется с головкой 6. Дается

29'