11.4. Технико-технологические мероприятия для получения кондиционного керна.

Как уже было показано при анализе факторов, вызывающих разрушение керна, в наиболее сложном для получения керна случае, когда бурение ведется в твердых, но разрушенных, раздробленных породах разрушение керна, иногда полное, происходит резцами коронки, но заталкивает кусочки породы под резцы прямой поток жидкости. Отсюда логично и очевидно, что если изменить направление потока, то он из врага керна станет его помошником. В этом случае поток жидкости будет из под резцов заталкивать кусочки породы в центральную часть коронки, удерживать столбик породы внутри колонковой трубы, разгружать его, не давая заклиниваться, и, вообще, всячески оберегать его. При таком технико-технологическом приеме иногда получается более 100% керна. Практика показывает, что при бурении в твердых разрушенных породах достаточно изменить направление потока промывочной жидкости на забое и задача получения полноценного керна решается полностью. Следовательно, задача сводится к обеспечению обратной циркуляции на забое скважины. Как можно решить эту задачу? Есть два пути создания обратной циркуляции на забое – первый, это обратная циркуляция по всему стволу скважины с герметизацией устья скважины. Второй путь - создание обратной циркуляции только в призабойной зоне, а в остальной части скважины остается прямая циркуляция.

Варианты обратной циркуляции на забое скважины приведены на рис. 50:

а. – обратная циркуляция по всему стволу с герметизацией устья скважины,

б. – безнасосное бурение с обратной пульсирующей призабойной циркуляцией,

в. – комбинированная циркуляция с использованием пакерного снаряда,

г - комбинированная циркуляция с применением эжекторного снаряда,

д. - комбинированная циркуляция с эрлифтным снарядом.

а б в г д

Рис. 50

Для создания обратной циркуляции но всему стволу скважины, на устье скважины устанавливается специальное герметизирующее устройство, через которое насос под давлением закачивает промывочную жидкость в кольцевое пространство. Жидкость по кольцевому пространству доходит до забоя, омывает его, проходит в колонковый набор и внутри бурильной колонны возвращается на поверхность, вынося шлам разрушенной породы. На забое обратный поток будет подталкивать кусочки раздробленной породы внутрь колонковой трубы, обеспечивая сохранность керна. Такой способ, при кажущейся простоте имеет два больших недостатка – потребность в весьма сложном и не всегда надежном герметическом устройстве и, главное, придвижении к забою по открытому стволу скважины в трещиноватых, разрушенных раздробленных породах (как раз там, где нужно получать керн), жидкость (под давлением!) может и будет поглощаться в стенки скважины и до забоя может вообще не доходить. И, хотя были публикации об успешном применении обратной циркуляции по всему стволу скважины для получения качественного керна, в дальнейшем этот метод из-за сложности и ненадежности применения не получил.

Обратная циркуляция жидкости на забое скважины может быть получена и очень простым путем. Такой простой способ получил название «безнасосное бурение». Он реализуется действительно без использования бурового насоса, но может применяться только при наличии в скважине столба воды не менее 7 – 10 метров и только в мягких рыхлых породах, т.е. в песках и песчано-глинистых отложениях и им подобных. Суть этого метода заключается в том, что колонковый набор собирается со шламовой трубой, в переходнике устанавливается обратный шаровой клапан, а бурильной трубе выше переходника делается боковое отверстие. При бурении производится расхаживание бурового снаряда (поднимается на 20 – 40 см. и опускается, бурит 5 – 10 см. и опять поднимается и.т. д.) При движении вверх клапан в переходнике закрывается и внутрь колонковой засасывается жидкость из кольцевого пространства – при движении вниз столбик породы в низу колонковой играет роль поршня, не пускает жидкость и она выталкивается через переходник (клапан открывается) и боковое отверстие в бурильной трубе. Шлам оседает в шламовой трубе, а на забое получается обратная пульсирующая промывка, омывающая керн внутрь колонковой трубы и позволяющая его сохранить там, где при прямой промывки он бы полностью размывался, даже при использовании ДТВ. Метод предложен преподавателем кафедры бурения МГРИ С.А.Волковым и успешно опробован при бурении на строительстве ГЭС со студентами первого приема на специальность РТ в 1949 году. Успешно применяться этот метод может только при бурении неглубоких скважин в рыхлых породах, что характерно для инженерно-геологических изысканий и нехарактерно для бурения геологоразведочных скважин на ТПИ.

Наиболее эффективными для получения кондиционного керна в самых сложных геологических условиях – бурение по очень твердым, по раздробленным, разрушенным породам (полезным ископаемым), является применение технологии и технических средств с комбинированной циркуляцией очистного агента – обратной циркуляцией в призабойной зоне и, соответственно, на забое, и с прямой циркуляцией в остальной части циркуляционной системы.

В пятидесятые годы в период интенсивного развития техники и технологии разведочного бурения в нашей стране было предложено около 20 схем комбинированной промывки с обратной циркуляцией на забое скважины. Наиболее практичными можно считать три схемы, приведенные на рис. 50.

Первая схема – пакерные снаряды, наиболее проста и понятна. Здесь с помощью специального переходника и резинового пакера поток жидкости из бурильной колонны направляется в затрубное пространство и, поскольку пакер перекрывает кольцевое сечение скважины и не пускает поток вверх, то весь поток жидкости направляется вниз к забою, омывает забой, проходит внутрь колонковой трубы и через переходник попадает в кольцевое пространство выше пакера, далее на поверхность. Такая схема была бы хороша, но у нее есть один, но очень существенный недостаток – при бурении в сильно трещиноватых, разрушенных породах (а это и есть полезные ископаемые, где необходим качественный керн!) стенки скважины неровные и пронизаны трещинами и пакер не может обеспечить надежную герметизацию в кольцевом пространстве. Частично или полностью жидкость может уходить через трещины и разломы в стенках скважины и не доходить до забоя. Получается такой же недостаток, как и при бурении с обратной циркуляцией по всему стволу скважины. Поэтому пакерные снаряды практически не получили применения.

Второй вариант – эжекторные снаряды (ЭКС), оказался наиболее удачным и получил самое широкое применение, фактически решив задачу получения кондиционного керна в самых сложных геологических условиях. Эжекторный снаряд включает в себя струйный аппарат – эжектор, который, используя зависимость между скоростью потока и его давлением, позволяет изменять направление потока ниже аппарата на обратное. Энергетическое уравнение гидравлики – уравнение Бернулли:

Показывает, что для непрерывного потока жидкости в сечении, где скорость больше давление будет соответственно меньше, причем в квадратичной пропорции, например, если мы увеличим скорость в 5 раз, давление уменьшится примерно в 25 раз. На рис.50 г показано, что рабочая струя потока промывочной жидкости проходит через коническую насадку с диаметром отверстия 6 – 8 мм. Скорость потока в этом сечении увеличивается по сравнению со скоростью в бурильных трубах в десятки раз и, соответственно, в несколько десятков раз уменьшается давление в сечении. Получается так, что давление жидкости в окружающем струю пространстве оказывается больше чем давление в струе, и жидкость из этого пространства приливает к струе, как бы прилипает к ней и вовлекается в движение вместе со струей. Пространство, где происходит подсасывание жидкости струей, называется зоной подсоса. Далее суммарный поток попадает в цилиндрическую камеру смешивания, где скорости рабочей струи и подсосанной жидкости выравниваются, а давление немного возрастает. Далее смешенный поток проходит в расширяющийся диффузор, где скорость значительно уменьшается, а давление соответственно возрастает, т.е. происходит восстановление давления. Восстановление давления необходимо, чтобы выходящий в кольцевое пространство смешенный поток имел достаточно энергии для дальнейшего преодоления сопротивлений на пути к забою, прохождении в промывочных каналах коронки и далее в колонковой трубе до зоны подсоса. График изменения давления в рабочем и смешанном потоках на пути движения жидкости в колонковом эжекторном снаряде приведен на рис. 51.

Из графика видно, что источником энергии, заставляющей двигаться жидкость от выхода в кольцевое пространство до забоя, далее омывать забой, защищая кусочки породы на забое от разрушения резцами и загоняя их в колонковую трубу, и далее по колонковой трубе до зоны всасывания является перепад давления ΔР = Р2 – Р1. Величина ΔР зависит от геометрических параметров элементов струйного аппарата и от коэффициента эжекции – U – отношение расхода рабочего потока к расходу эжектированного (подсосанного) потока U = . В зависимости от соотношения сечений насадки и камеры смешивания, величина коэффициента эжекции может быть от 0,4 до 10. Надо иметь в виду, что чем больше U, тем больше энергии передается дополнительной жидкости, вовлекаемой в движение, и тем меньше энергии останется на восстановление давления и на рабочий перепад давления ΔР, т.е. максимальный перепад давления достигается при минимальном коэффициенте эжекции. В хороших эжекторных снарядах ΔР достигает 0,3 – 0.5 МПа. при минимальном коэффициенте эжекции – U= 0,4 – 0,5. Такой перепад достаточен для преодоления гидросопротивлений и поддержания обратной призабойной циркуляции, но находится на пределе возможностей. Достаточно немного вырасти сопротивлениям, например, из-за зашламования забоя при встрече мягкой прослойки, т.е. точка А окажется на одном уровне или ниже точки Б, и обратная циркуляция прекратится. Это обстоятельство является главным недостатком эжекторных снарядов, который еще усугубляется отсутствием на поверхности прямой информации о наличии обратной циркуляции на забое. Практически судить о наличии циркуляции жидкости на забое можно только косвенно, например, по затратам мощности – если вовремя не среагировать на прекращение забойной циркуляции, произойдет авария – прижег алмазной коронки.

Особенности применения эжекторных колонковых снарядов:

- эжекторные колонковые снаряды – ЭКС успешно! применяются для получения кондиционного керна в твердых и очень твердых (IX –XI категорий), но разрушенных, раздробленных, сильно трещиноватых и перемежающихся толщах полезного ископаемого;

- ЭКС просты в изготовлении и не имеют подвижных деталей, что делает их доступными и надежными в механическом отношении (нечему ломаться и заклиниваться);

- для получения надежной призабойной циркуляции при коэффициенте эжекции примерно 0,5 желательно подавать с поверхности в поток прямой циркуляции расход жидкости порядка 80 – 100 л/мин.;

- при бурении эжекторными снарядами обязательно надо поддерживать постоянную скорость углубки (управлять режимом по углубке за оборот), чтобы исключить зашламование забоя при встрече мягких прослоек или включений:

- при бурении эжекторными снарядами необходимо тщательно и непрерывно следить за показаниями приборов, особенно измеряющими мощность

Третий вариант технико-технологических средств для получения качественного керна – эрлифтные снаряды. В этих снарядах имеет место дважды комбинированная циркуляция очистного агента – комбинированное направление циркуляции – прямая в верхней части скважины и обратная в призабойной зоне, и комбинированный вид очистного агента – в верхней части скважины – воздух, в призабойной части – вода. Эрлифтные снаряды применяются для получения кондиционного керна в тех случаях, когда бурение ведется с продувкой, что характерно в районах с многолетнемерзлыми породами и с суровым зимним климатом. Для обеспечения обратной призабойной циркуляции при работе эрлифтного снаряда необходимо чтобы в скважине был столб воды высотой не менее 50 – 70 метров Двигаться, циркулировать в обратном направлении воду заставляет поток воздуха, который проходит по колонне бурильных труб, далее по полимерной трубке длиной 50 -70 метров, устанавливаемой в нижней части бурильной колонны. На конце трубки имеется ряд отверстий и воздух, выходя из них, смешивается с водой и образует аэрированную жидкость с плотностью значительно меньше чем у воды. По закону о сообщающихся сосудах легкая аэрированная жидкость внутри нижней части бурильной колонны поднимается вверх и через боковое отверстие в бурильной трубе выходит в кольцевое пространство, где воздух отделяется и поднимается вверх, а вода движется вниз к забою, омывает забой, сохраняет керн и поднимается вверх по колонковой трубе к месту смешивания воды с воздухом.

Применение эрлифтных снарядов вдвойне эффектно, поскольку не только обеспечивает получение качественного керна в сложных геологических условиях, но и облегчает бурение с продувкой при водопроявлениях в призабойной части скважины. Недостаток применения эрлифтных снарядов заключается в том, что для размещения полимерной трубки необходимо использовать бурильные трубы большего, чем обычно, диаметра, например 63,5 мм вместо 50 или 54 мм. Тогда минимальный диметр скважины будет не менее 76 мм.

Краткие выводы и рекомендации:

Таблица №

Породы и полезные ископаемые	Мягкие, рыхлые, размываемые, растворимые, льдистые	Трещиноватые, рассланцованные, перемежающиеся.	Слабые скальные, слабые дробленые, твердые дробленые, разрушенные
Технологические мероприятия.	Выбор очистного агента: глинистые ингибированные, нейтральные к солям в солях, охлажденные незамерзающие жидкости, продувка (в мерзлоте)	Полировка и смазка внутри колонковой трубы, снижение частоты вращения, промывочная жидкость со смазывающими свойствами.	Выбор коронок с острыми резцами, снижение осевой нагрузки в слабых породах.
Технические средства	Двойные колонковые трубы с вращающейся внутренней трубой – ТДВ.	Двойные колонковые трубы с невращающейся внутренней трубой – ТДН.	Двойные колонковые трубы с невращающейся внутренней трубой типа «Штамп» (по углю и подобным).
Технико- технолгические мероприятия	«Безнасосное бурение»	Применение высокочастотных гидроударников.	Применение эжекторных снарядов при бурении с промывкой и эрлифтных снарядов при бурении с продувкой