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

приемной трубой, так как наружные подрезные резцы в ко­ ронках выставляются обычно на большую величину, чем внутренние.

2. Скорость потока в затрубном пространстве мало изм няется в течение всего рейса, тогда как внутри трубы она мо­ жет резко возрасти в результате уплотнения раздробленного керна.

3'. Скорость восходящего потока в кольцевом зазоре между стенками скважины и колонковым снарядом, обеспечивающая нормальную транспортировку шлама Сгцв = 0,50—0,80 м/с), в большинстве случаев недостаточна для размывания даже мягких пород или полезных ископаемых, располагаемых вокруг ствола скважины, что видно из результатов экспериментальных иссле­ дований, приведенных в табл. 15.

Таблица 15

Критическая скорость потока, при которой происходит размывание мягких и хрупких пород и руд, располагаемых вокруг ствола скважины

Из табл. 15 следует, что в породах и рудах даже неболь­ шой крепости (аСш = 60— 550 кгс/см2) размывание стенок сква­ жин, отрицательно влияющее на результаты опробования, мо­ жет произойти при скорости, значительно (в 1,5— 3,0 раза) пре­ вышающей скорость потока, обеспечивающей нормальную транспортировку шлама в затрубном пространстве.

Таким образом, экспериментальные исследования, проведен­ ные в лабораторных условиях, и расчеты показывают, что поро­ ды или руды, располагаемые вокруг ствола скважины (на уча­ стке работы колонкового снаряда), находятся в более благо­ приятных условиях, чем керн. Поэтому со стенок данного участка скважины можно отобрать достоверные пробы даже из легкоразрушаемых пород или полезных ископаемых, дающих некачественный керн при колонковом разведочномбурении.

Изложенные выше положения хорошо подтверждаются дан­ ными практики. Исследования, проведенные на месторождении

50

Озерное, сложенном породами осадочного комплекса — песча­ никами, алевролитами, гравелитами и конгломератами V —VIII категорий, показали, что при колонковом бурении крайне трудно получить качественный керн, особенно по слабым (IV—VI ка­ тегорий) рудоносным породам. Не дали положительных резуль­ татов специальные способы бурения (с обратной призабойной циркуляцией промывочной жидкости) и использование различ­ ных колонковых снарядов (двойных, эжекторных и т. д.). Сред­ ний процент выхода керна по вмещающим породам составляет 35—45%, а по рудным интервалам 5— 15%.

На рис. 16 приведены диаграммы выхода керна н кавернограммы по трем наиболее характерным скважинам, пробурен­ ным на месторождении. Скважины бурились твердосплавными коронками при соблюдении рациональных режимов и с промыв­ кой качественным глинистым раствором.

Из диаграмм видно, что выход керна весьма низок, осо­ бенно по рудоносным породам. Так, например, по скв. 211 средний процент выхода керна составил 34%, а по рудоносным породам, имеющим мощность около 10 м, керн вообще не по­ лучен.

Сравнивая диаграммы выхода керна с кавернограммами скважин, нетрудно убедиться, что при крайне плохом выходе керна стенки скважин сохраняются сравнительно хорошо даже на участках расположения слабых рудоносных пород. Не­

ряда диаметр скважины хорошо выдержан и величина разра­ ботки не превышает 3— 5 мм.

Еще более характерные результаты были получены на ме­ сторождении Таежное, в строении которого принимают участие также породы осадочного комплекса, представленные конгло­ мератами, песчаниками, гравелитами V — IX категорий.

На рис. 17 приведены диаграммы выхода керна и кавернограммы рудоносных участков 377— 412 м и 390—425 м скв. 194.

Из диаграмм видно, что выход керна как по вмещающим, так и рудоносным породам очень низок. Так, например, в ин­ тервале 377—412 м средний процент керна составляет 29,7, по рудоносным породам около 14%, а в интервале 390—425 м соответственно 24 и 8,7%.

Рассмотрим теперь кавернограммы тех же участков скв. 194. Из рис. 17 видно, что, несмотря на низкий выход керна по мало­ устойчивым породам осадочного комплекса, ствол скважины раз­ рабатывается незначительно. Причем степень разработки неоди­ накова по длине участка. В начале интервала — максимальная и составляет в обоих случаях 130— 140 мм при диаметре буре­ ния 76 мм. По мере приближения к забою диаметр скважины постепенно уменьшается и в призабойной части составляет 80— 85 мм, т. е. увеличивается относительно диаметра породоразру-

51

каберно- грамма

Рис. 16. Диаграммы выхода керна н кавернограммы скв. 156, 211 и 253.

Рис. 17. Диаграммы выхода керна п кавернограммы интервалов (390— 425 м, 377— 412 м) скв. 194.

1 — конгломерат мелко- и среднегалечный; 2 — гравелиты разнообломочиые; 3 — конгломерат круппогалечный.

тающего инструмента на 4— 8 мм, что является нормой для твердосплавного бурения.

Исследования И. Е. Шевченко [74] и Т. П. Бронниковой, Ю. С. Костина [14], которые проанализировали кавернограммы скважин (около 20 тыс. м) на месторождениях Донбасса и За­ байкалья, также показали наличие зон устойчивости в приза­ бойной части скважины.

Заметное разрушение стенок и увеличение диаметра сква­ жины наблюдается на некотором (10— 30 м) удалении от за­ боя, и чем дальше исследуемый участок, тем сильнее и нерав­ номернее разрабатывается ствол скважины. Это связано в пер­ вую очередь с ударным воздействием бурильных труб, которые при определенных условиях могут вызвать значительное раз­ рушение пород и руд, располагаемых вокруг ствола скважины.

увеличении числа оборотов нарушается устойчивое равновесие, исчезают волны, и стержень до следующей критической ско­ рости делает хаотические движения, н в нем образуются бегу­ чие волны. В общей сумме устойчивые формы равновесия по­ лучаются на небольших интервалах увеличения числа оборотов. Больше всего получаются хаотические движения».

Таким образом, при хаотическом движении бурильная ко­ лонна наносит удары по стенкам скважины.

Наблюдения за моделью бурового снаряда показывают, чтовершина изогнутой полуволны вращается в основном вокруг оси скважины, и движется она по стенкам скважины не плавно, а скачкообразно, перескакивая с одной точки на другую через определенные интервалы. Это вызвано, во-первых, колебанием изогнутой колонны труб, в результате чего изменяется сила прижатия полуволны к стенкам скважины, во-вторых неправиль­ ной формой сечения ствола скважины. Исследования Е. Праж­ ского. А. А. Зверюги, В. Е. Копылова и других показали, что ствол скважины в сечении имеет часто не цилиндрическую, а многоугольную форму. В результате при вращении изогнутой колонны вокруг оси скважины гребень полуволны отрывается от стенки в точке А (рис. 18), так как ствол на данном участке разработан несколько больше среднего диаметра, и ударяется в точке В.

Максимальная сила удара полуволны о стенку скважины бу­ дет наблюдаться при эллипсовидной форме сечения ствола. В данном случае путь, проходимый полуволной между ударами от Л до В (рис. 18), будет равняться половине окружности. Указанная форма характерна для скважин, буримых в породах с хорошо выраженными анизотропными свойствами.

Определим силу удара гребня полуволны при встрече со стенками скважины в точке В, если колонна вращается вокруг оси скважины с угловой скоростью оз. Для этого рассмотрим по-

54

луволну (рис. 19) длиной I м. При ее вращении вокруг оси скважины скорости элементарных участков будут изменяться от 0 (в точке пересечения оси полуволны с осью скважины) до максимальной величины (UA= UB = Umax в средине полуволны). Приведем массу полуволны, соблюдая условие сохранения ко-

ричное поперечное сечение.

лпчества движения, в точку соприкосновения труб со стенками скважины. При этом среднее количество движения полуволны определится по формуле

Следует отметить, что полуволна от точки А до В движется равноускоренно с изменением скорости от нуля в точке А до максимального значения в точке В.

55

При этом средняя скорость движения полуволны в проме­

Если принять, что скорость движения вершины полуволны сразу же после удара о стенки скважины равна нулю, то уско­ рение в промежутках между ударами

правив ось т по линии действия силы реакции, с некоторыми допущениями уравнение (44) можно переписать

56

Так как в нашем случае мгновенной силой является сила реакции N, то

Подставив значения т и цтах из уравнения (48), можно опреде­ лить величину ударного импульса N:

число оборотов снаряда; t\— время передачи удара.

где f — стрела прогиба бурильных труб; D — диаметр скважины; d — диаметр бурильных труб,

пли

Из формулы (50) видно, что величина ударной нагрузки N изменяется в зависимости от длины полуволны, стрелы прогиба

к нейтральной точке (точке перехода напряжения сжатия к рас­ тяжению) ;

2 ) увеличивается стрела прогиба f, так как возрастает сте­ пень разработки ствола скважины.

В табл. 16 приведены величины прижимающих сил R и удар­

57

чительно возрастает.

Таким образом, в процессе бурения ствол скважины разра­ батывается в основном под действием ударных нагрузок, пе­ редаваемых на ее стенки изогнутыми бурильными трубами. Если при этом учесть, что сопротивляемость пород разрушению при динамических нагрузках снижается в 8— 10 раз по сравне­ нию со статическими, то легко объяснить сильную разработку ствола скважин иногда в крепких, но хрупких и трещиноватых породах.

На основании изложенного можно отметить.

1. В призабойной части скважины (на участке работы ко­ лонкового снаряда) независимо от механических свойртв бури­ мых пород или полезных ископаемых имеется зона «устойчи­ вости», характеризующаяся минимальной и равномерной раз­ работкой ствола.

2.Значительная разработка ствола скважины происходит на некотором удалении от забоя (в 10 — 20 м) и в основном под действием ударных нагрузок, передаваемых изогнутой колон­ ной бурильных труб.

3.Для получения неразубоженного материала из легкоразрушаемых при бурении полезных ископаемых необходимо отбор проб со стенок скважин производить сразу же после их вскры­ тия.

58

р а з р а б о т к а

ЭФФЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ СО СТЕНОК СКВАЖИН

Краткий анализ технических средств, применяемых для отбора проб

со стенок скважин

Пробоотборники как средства для получения образцов по­ род или руд из скважин начали применяться в буровом деле сравнительно недавно. В настоящее время они используются е основном для получения материала со стенок скважин с целью уточнения геологического разреза при недостаточном выходе керна или бескерновом способе бурения.

По способу отбора проб со стенок скважин все существующие типы пробоотборников можно подразделить на семь групп

(табл. 17).

В первую группу входят механизмы, с помощью которых можно отобрать образцы пород или руд путем вдавливания за­ остренных стаканов в стенки скважины. Количество точечных образцов, отбираемых за один спуск, изменяется от 1 до 16 [9].

Пробоотборники данной группы применяются в мягких (I—V категорий) породах или полезных ископаемых. Вес одного образца не превышает 25— 30 г.

Материал, полученный пробоотборниками данной группы, ис­ пользуется, в основном, для контроля данных геофизических ме­ тодов исследования и уточнения геологических разрезов. Для опробования полезных ископаемых они используются редко по следующим причинам: 1 ) очень малый вес получаемых проб; 2 ) пробы отбираются в отдельных точках, а не по всей мощности рудного тела.

Из пробоотборников данной группы наиболее широкое при­ менение находят боковые стреляющие грунтоносы, которые основаны на принципе внедрения полого стакана в стенки сква­ жины под давлением пороховых газов. Они могут быть одно-, двух- и многокамерными и спускаются в скважину на кабеле или штангах.

Стреляющие грунтоносы применяются в основном для конт­ роля данных геофизических методов исследования в скважине. Но они могут иногда использоваться для опробования полезных ископаемых путем отбора точечных проб со стенок скважин.

Так, например, исследование угольных пластов с помощью стреляющих грунтоносов, проведенное на ряде месторождений Печорского бассейна [65], показало, что «...при качественно про­ веденном грунтоносном опробовании и правильном составле­ нии сборных проб имеется возможность заменить керновое оп­ робование на грунтоносное».

59