Технические средства для отбора керна
Устройства и способы для отрыва и удержания керна должны обеспечивать: беспрепятственное поступление керна в керноприемную трубу; свободный доступ промывочной жидкости к забою скважины, беспрепятственное формирование керна буровым инструментом; надежный срыв и удержание керна при подъеме инструмента.
Существуют следующие типы систем отрыва (отбора) и удержания керна:
1. Без кернорвательных устройств – при бурении в монолитных или слаботрещиноватых горных породах V–VII категорий по буримости. Заклинивание керна осуществляется твердыми частицами (фарфор, стекло), транспортируемыми с поверхности на забой промывочной жидкостью. Заклиночный материал разрешается применять при использовани одинарных колонковых труб;
2. С кернорвательным устройством открытого типа свободного действия – при бурении в трещиноватых горных породах V–ХII категорий по буримости. Применяются лепестковые кернорватели типа «паук», скобяные элементы заклинивания. При бурении в трещиноватых и слабых (сыпучих) горных породах для надежного удержания керна следует использовать рвательные элементы, выполненные в виде лепестков, рычажков, плашек. При разбуривании монолитных и слаботрещиноватых пород в качестве рвательных элементов применяются рвательные кольца различных конструкций;
3. С кернорвательным устройством открытого типа принудительного действия – при бурении в монолитных горных породах V–IХ категорий по буримости. Применяются кернорватели со срезаемыми и пружинными рвателями.
Одинарными колонковыми трубами рекомендуется отбирать керн в устойчивых твердых монолитных, слаботрещиноватых породах.
Размеры колонковых и обсадных труб ниппельного соединения унифицированы, что позволяет осуществлять их взаимозаменяемость. По сравнению с обсадными колонковые трубы изготовляют из более прочной стали; они более прямолинейны (отклонения от прямолинейности колонковых труб 0,5–0,7 мм/м, обсадных – 0,7–1,0 мм/м).
Увеличенная по сравнению с обсадными трубами прочность и большая прямолинейность колонковых труб позволяют создавать повышенные в 1,5–2 раза осевые нагрузки и обусловливают увеличение ресурса работы колонковых наборов.
Для работы с одинарными колонковыми трубами предназначены вспомогательный и аварийный инструменты (ключи, метчики, опоры для монтажа колонковых наборов), серийно выпускаемые промышленностью.
Двойные колонковые наборы. Многообразие геологических условий бурения не позволяет создать универсальные методы и технические средства для получения полноценного керна, поэтому в практике бурения скважин применяется много типов двойных колонковых наборов (труб). В соответствии с назначением и конструктивными особенностями двойные колонковые трубы можно разделить на следующие основные группы.
Для бурения по монолитным и слаботрещиноватым породам алмазными коронками при промывке скважины водой с целью увеличения скорости бурения, проходки за рейс и снижения расхода алмазов применяют двойные колонковые трубы ТДН-У, которые имеют меньшую ширину торца коронки, чем стандартной коронки. Это обеспечивает меньший объем разрушаемой породы на забое и в свою очередь определяет конструкцию набора (тонкостенные трубы, выход промывочной жидкости выше кернорвательного кольца, расположение рвательного кольца в коронке). Трубы могут применяться с вращающейся внутренней трубой (при бурении монолитных пород).
Применение ТДН-У вместо одинарных колонковых труб, даже при бурении монолитных пород (особенно высоких категорий по буримости), позволяет улучшить работу алмазной коронки (повысить ее ресурс), в частности, при бурении с высокой частотой вращения инструмента (более 1000 об/мин).
Для бурения по среднетрещиноватым породам при промывке скважин водой или безглинистыми растворами с целью увеличения скорости бурения, проходки за рейс и обеспечения выхода кондиционного керна применяются двойные колонковые трубы ТДН-УТ. Размеры трубы и других узлов соответствуют размерам стандартной алмазной коронки (применяемой для одинарных колонковых труб), что позволило создать конструкцию с выходом промывочной жидкости ниже кернорвательного устройства. Наборы изготовляются с невращающейся внутренней трубой; предусмотрена возможность обратной промывки внутри колонкового набора. Трубы такой конструкции (ТДН-УТ) можно использовать в довольно широком диапазоне геологических условий, причем в комбинации с одинарными колонковыми трубами, т. к. одинаковые размеры режущей части коронок не требуют дополнительной проработки призабойной части скважины.
Для бурения трещиноватых пород VI—XI категорий по буримости с промывкой скважин глинистым раствором с целью увеличения выхода керна следует применять двойные колонковые трубы, по конструкции практически аналогичные трубам ТДН-УТ (выход промывочной жидкости ниже кернорвательного устройства, прямая промывка внутри колонкового снаряда, удлиненная коронка с внутренней резьбой), но с увеличенными зазорами между трубами для обеспечения прохода глинистого раствора и, следовательно, с увеличенной толщиной матрицы коронки. Наиболее известны из наборов этого типа двойные колонковые трубы ТДН-2. Наборы этого типа целесообразно применять с высокочастотными гидроударниками.
Для отбора керна при бурении сильнотрещиноватых и раздробленных пород VI—X категорий по буримости при промывке скважины глинистыми растворами применяются конструкции колонковых наборов, общими характерными признаками которых являются большие зазоры внутри колонкового снаряда для прохода глинистого раствора (большая ширина режущей части породоразрушающего инструмента) и обратная промывка внутри колонкового снаряда.
Обратная промывка может создаваться двумя способами.
1. Конструкцией самого колонкового снаряда, в котором прямой поток жидкости из бурильной колонны направляется в межтрубное пространство колонкового набора и далее под торец коронки через специальные вертикальные отверстия в коронке или через боковые отверстия в корпусе коронки вблизи матрицы, а затем – внутрь керноприемной трубы. Направление потока можно регулировать увеличением сопротивления в затрубном пространстве путем применения специальных пакеров или коронок и расширителей с увеличенным диаметром корпуса.
2. Применением струйного насоса, встроенного в колонковый снаряд. Насос создает эжекцию и призабойную циркуляцию в направлении, противоположном прямому откачивает промывочную жидкость через керноприемную трубу, создавая потоку промывочной жидкости.
Эжекторные колонковые снаряды. Наиболее удачная (технологичная в изготовлении и надежная в эксплуатации) конструкция двойных колонковых эжекторных снарядов разработана ЦНИГРИ (колонковые наборы ДЭС-73/89). Применяются также двойные эжекторные колонковые наборы с дополнительными отверстиями для подачи промывочной жидкости непосредственно на забой с двумя алмазными коронками и регулировкой выпуска внутренней коронки. Эжекторные снаряды применяются не только в виде двойных колонковых наборов, но и с одинарной колонковой трубой.
Для отбора керна в сильнотрещиноватых и раздробленных породах можно также применять трубы ТДН-4 – двойные колонковые наборы с прямой промывкой внутри колонкового снаряда с выходом промывочной жидкости под торец коронки с практически полной изоляцией керна от потока промывочной жидкости.
Применение высокочастотных гидроударников с указанными выше двойными колонковыми трубами способствует увеличению проходки за рейс, механической скорости и выходу керна.
Отрыв и удержание керна при бурении с двойными колонковыми трубами осуществляется с помощью кернорвателей различной конструкции. Поэтому недопустимо отрывать снаряд от забоя в процессе бурения во избежание заклинивания керна в кернорвателе, перетирания его и прекращения дальнейшего углубления скважины. Особое внимание следует уделять подбору диаметра и жесткости кернорвателя с пружинным кернорвательным кольцом. Установлено, что наибольшее число самозаклиниваний керна в процессе рейса происходит в кернорвателе.
Режимные параметры бурения с двойными колонковыми трубами определяются конструктивными особенностями трубы, алмазного породоразрушающего инструмента, конкретных горно-геологических условий бурения. Кроме того, частота вращения определяется глубиной скважины и мощностью привода.