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 с использованием специальных технических средств изменить направление потока, то он из врага керна станет его помощником. 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. 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 (или не будет циркуляции – «безнасосное бурение»).

Варианты обратной циркуляции на забое скважины приведены на рис. 61:

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.

Принципы создания обратной циркуляции показаны на рис. 51.

А б в г д

Рис. 61

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 скважины. 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 герметизирующем устройстве и, главное, при движении 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. Этот метод из-за сложности и ненадежности применения не получил.

Обратная циркуляция жидкости на забое скважины может быть получена и очень простым старым способом. 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, - в песках и песчано-глинистых отложениях и им подобных. Суть этого метода заключается в том, что колонковый набор собирается со шламовой трубой, и в его переходнике устанавливается обратный шаровой клапан, а в 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 снаряда вверх клапан в переходнике закрывается и внутрь колонковой трубы засасывается жидкость из кольцевого пространства. При движении вниз столбик породы в низу колонковой трубы 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 снизу вверх в колонковой трубе и позволяющая сохранить его там, где при прямой промывке 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 на производственной практике студентов первого приема на специальность РТ в 1949 году (было фото в газете «Правда»!) . 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, но 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. 61.

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 ниже пакера 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 отверстия в переходнике 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 сильнотрещиноватых, 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.61 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 десятки раз уменьшается давление в сечении струи. Получается так, что давление жидкости в окружающем струю пространстве оказывается больше чем давление в струе, и жидкость из этого пространства прижимается 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 - 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. 62.

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 = Р3 – Р4. Величина ΔР зависит от геометрических параметров элементов струйного аппарата и от коэффициента эжекции – U. Коэффициент эжекции - отношение расхода эжектированного (подсосанного) потока к расходу рабочего потока U = . В зависимости от соотношения площадей 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 расходуется на разгон 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 поддержания обратной призабойной циркуляции, но находится на пределе возможностей. Достаточно немного вырасти сопротивлениям, например, из-за зашламования забоя при встрече мягкой прослойки и 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.

Рис. 62

Особенности применения эжекторных колонковых снарядов:

- эжекторные колонковые снаряды – ЭКС успешно! применяются для получения кондиционного керна в твердых и очень твердых (до IX –XI категорий), но разрушенных, раздробленных, сильнотрещиноватых 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 поток прямой циркуляции с расходом жидкости порядка 80 – 100 л/мин (на забое будет 40 – 50 л/мин);

- при бурении эжекторными снарядами обязательно надо поддерживать постоянную скорость углубки (управлять режимом по углубке за оборот –h_об.), 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 (крутящий момент).

- эжекторное устройство для создания обратной циркуляции в керноприемной трубе встраивается в некоторые снаряды ССК.

Эрлифтные снаряды -третий вариант технико-технологических средств для получения качественного керна.В этих снарядах имеет место дважды комбинированнаяциркуляция 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.

(См. рис. 61 д). 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. Обычно мощность многолетнемерзлых пород составляет 300 – 400 метров, а ниже идут талые породы и могут быть глубинные воды. 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 (чтобы заполнить освободившееся после подъема аэрированной жидкости место).

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 55 мм. Тогда минимальный диметр скважины будет не менее 76 мм:

Краткие выводы и рекомендации:

Таблица 25

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

12.5. Получение ориентированного керна – «Кернометрия».

Даже при 100% выходе полноценного керна геолог не получает всей полноты информации о пробуренных породах и, особенно, о полезном ископаемом. Кроме границ пластов и их мощности, получаемых по керну, большое значение имеет информация о характере и направленности так называемых «структурных элементов» массива пород – слоистости, рассланцованности, трещиноватости, кливажа. Эти структурные элементы имеют свое положение в пространстве по азимутальному и по зенитному направлениям. Поскольку знание направлений структурных элементов в ряде случаев является необходимым, то геолог может их получить либо по трем рядом пробуренным скважинам, что дорого и не всегда приемлемо, либо получением, ориентированного в пространстве керна.

Издавна геологи мечтали получать ориентированный керн и по нему точно знать положение и направление границ и падение пластов, слоистости и других особенностей залегания пластов пород. Технология получения ориентированного керна получила название «Кернометрия». Впервые кернометрию в разведочном бурении применили в 1887 году в Верхней Силезии. В нашей стране использование кернометрии началось в 1923 году, а серийные приборы «керноскопы» стали применяться с 1952 года в Зыряновской ГРП (Восточный Казахстан), где автор, будучи студентом МГРИ третьего курса принимал участие в первых испытаниях керноскопа. Далее продолжалось совершенствование и технических средств и методов отбора ориентированного керна.

Рис. 63. 1953 год, производственная практика автора, первый керноскоп

(фото автора).

Существует несколько типов керноскопов, отличающихся принципом действия.

Для получения ориентированного керна надо решить две задачи:

1. . Зафиксировать положение корпуса прибора относительно азимутального и зенитного направлений

2. Нанести в скважине на столбик еще не отделенного от забоя керна метку, положение которой строго привязано к корпусу прибора. Зная положение корпуса прибора относительно пространственных координат можно точно сориентировать и положение столбика керна в тех же координатах и, следовательно, точно определить азимутальный и зенитный углы структурных элементов пород.

В разных приборах эти задачи решаются по-разному, но с использованием одних и тех же физических принципов – азимут находится с помощью магнитной стрелки или гироскопа, зенитный угол и апсидальная плоскость с помощью силы тяжести (отвеса) или горизонтальной поверхности жидкости.

Рассмотрим, как решаются эти задачи.

При бурении вертикальной скважины керн нужно ориентировать только относительно азимутального направления, обычно относительно направления Север – Юг. В этом случае одновременно с нанесением метки на керн необходимо зафиксировать положение корпуса прибора относительно линии Север – Юг или аналогичной линии гироскопа и зная положение метки относительно корпуса определить азимутальное направление структурных элементов породы. Зенитный угол структурных элементов породы керна в вертикальных скважинах определяется простой геометрией.

Значительно чаще приходится иметь дело с наклонными скважинами, в том числе и с пространственно искривленными. В этом случае координаты заданной точки скважины определяются апсидальной плоскостью, т.е. вертикальной плоскостью, проведенной через касательную к оси скважины в данной точке. Измерительная часть керноскопа с помощью противовеса устанавливается и фиксируется в апсидальной плоскости, и после нанесятся метки на столбик керна,. Учитывая, что длина прибора мала по сравнению с интенсивностью искривления, можно считать, что ось прибора совпадает с осью скважины, зенитный угол между отвесом и осью прибора совпадает с зенитным углом скважины, плоскость прибора, проходящая через отвес и ось прибора, совпадает с апсидальной плоскостью скважины. Метки, наносимые на керн, четко ориентированы относительно корпуса прибора и, следовательно, керн ориентирован и относительно азимута, и по зенитному углу.

Рис. 64

I. Методы ориентации прибора в пространстве. (Рис. 65).

1. Использование компаса и отвеса, часто совмещенных. Компас закрепляется на подвижной опоре («плавающий») и с помощью отвеса занимает горизонтальное положение, а отвес вертикальное. Компас может применяться в немагнитном корпусе (алюминий, латунь) и в немагнитных породах. В магнитных (железистых) породах компас заменяется гироскопом.

2. В наклонных скважинах использование отвеса позволяет зафиксировать положе6ние прибора относительно апсидальной плоскости скважины. Отвес - груз на стержне, зажимаемый при фиксировании.

3. Другой более точный и надежный вид отвеса – шарик, свободно катающейся на кольцевой канавке в плоскости перпендикулярной к оси прибора. В момент измерения, (нанесения метки на керн) шарик займет нижнюю точку. Линия, соединяющая точку касания шарика и центр прибора, лежит в апсидальной плоскости. При нанесении метки на керн, положение шарика фиксируется зажимом.

4. Использование мениска (отпечатка) горизонтальной поверхности уровня жидкости дает апсидальную плоскость (по длинной оси эллипса отпечатка) и зенитный угол. Для получения четкого отпечатка ранее использовали плавиковую кислоту (НF), но, учитывая опасность ее применения, позднее стали применять раствор медного купороса и металлический никелированный или позолоченный стержень. Отпечаток получается при выдерживании в покое несколько десятков минут. Лучше и быстрее получается отпечаток, если использовать электролиз, - подключать к стержню и корпусу постоянный ток от встроенной электробатарейки.

А б в

Рис. 65

Положение апсидальной плоскости в пространстве для данной точки скважины, обычно известно из данных проведенной геофизиками инклинометрии, При отсутствии инклинометрии, для ориентации апсидальной плоскости (и керна) необходимо измерять азимут либо магнитной стрелкой, либо, в магнитных средах, гироскопом.

II. Методы нанесения метки на столбик керна.

Один из первых керноскопов - К-5 наносил метки на торцевую поверхность столбика керна сверлением двух меток – одна в центре и вторая смещенная. (Рис. 66 а). Линия, соединяющая метки сориентирована относительно корпуса прибора. Сверла получали вращение от пружинного двигателя, (завода пружин хватало на 60 оборотов, что достаточно для заметных меток). Измерительная часть прибора вместе со сверлами свободно закрепленная на вертикальной оси устанавливалась противовесом в апсидальной плоскости, и ее положение фиксировалось компасом-отвесом. После нанесения меток, прибор поднимался и обыкновенным снарядом отбуривался интервал примерно 20 см. Керн отрывался и поднимался на поверхность, где ориентировался по меткам, и определялись координаты структурных элементов.

Более надежно фиксировать положение керна отбуриванием в торце столбика керна пилот-скважины малого диаметра с одновременным фиксированием положения прибора и, следовательно, получение керна определенного в пространстве. (Рис. 66 б)

Третий вариант ориентирования керна – нанесение метки (риски, царапины) на боковой поверхности керна с использованием двойной колонковой трубы с невращающейся внутренней трубой. В этом варианте с внутренней трубой (невращающейся и с противовесом) соединено ориентирующее устройство. Внутри трубы кроме кернорвателя, помещается зуб-резец, который при углубке скважины наносит царапину на боковую поверхность столбика керна, практически на всю его длину (Рис. 66 в). После окончания бурения положение ориентатора внутренней трубы фиксируется, и снаряд с керном поднимается на поверхность.

А б в

Рис. 66

Рис. 67

Поскольку в настоящее время широко применяются снаряды CCK и ССК фирмы Longyear, для получения ориентирования керна используется фирменный керноскоп Ezy-Mark, работающий по тому же принципу, что и наш первый керноскоп с двумя сверлами. (Рис. 67).

.

12.6. Другие источники геологической информации при бурении на ТПИ.

Хотя керн является наиболее полным и наиболее достоверным источником геологической информации, кроме отбора керна часто применяются и другие пути получения геологической информации о буримых породах. Это делается по двум причинам: во- первых, получение кондиционного керна в сложных геологических условиях по полезному ископаемому требует и специального режима бурения со снижением производительности, и применения сложных специальных технических или техникотехнологических средств, что приводит к усложнению и удорожанию бурения; во-вторых, далеко не всегда удается получить абсолютно полнопредставительный керн, как по количеству, так и по представительности. Поэтому там, где не требуется особо точная геологическая информация можно вместо керна получать информацию более дешевым путем, например, собирая выносимый на поверхность шлам буримых пород, или с помощью механического или геофизического каротажа при более дешевом бескерновым бурении. Там, где требуется наиболее точная и достоверная информация - в зонах полезного ископаемого в сложных геологических условиях, кроме керна надо использовать все возможные дополнительные источники информации – и сбор шлама, и отбор боковых проб со стенок скважины, и каротаж.

Итак, кроме отбора керна, геологическую информацию о буримых породах и, особенно, о полезном ископаемом можно получать путем: сбора шлама буримых пород, отбора проб с боковых стенок скважины, механического каротажа, и комплекса геофизических исследований - каротажей. (Последние подробно изучаются в курсе ГИС- геофизические исследования скважин.)