Разрушение керна резцами коронки

Казалось бы, что резцы коронки, разрушающие породу по кольцевому забою, прямого касательства к образующемуся столбику керна отношения не имеют и разрушать его не должны. В большинстве случаев бурения так оно и есть. Однако, имеются обстоятельства, когда резцы могут либо содействовать разрушению керна, либо даже полностью разрушать его.

Первый случай, когда неправильно установлены резцы в коронке – рис. 55 д. Если резец плоской широкой стороной поставлен перпендикулярно к радиусу коронки, то его режущая кромка будет описывать окружность большего радиуса, чем радиус окружности, описываемой центральной частью резца. В результате резец будет с большим усилием нажимать своей боковой поверхностью на столбик керна (смотри рисунок), что будет, при наличии в столбике породы слоистости или микротрещин, приводить к раскалыванию столбика керна па отдельные куски и их последующее разрушение.

Второй случай – бурение в монолитных или трещиноватых сравнительно слабых породах типа мрамора и ему подобных коронками малых диаметров (59 – 46 мм.). В таких породах разрушение столбика керна будет происходить за счет касательных напряжений (смотри рис 55 г). Действительно под резцом, имеющим площадку притупления, под действием осевой нагрузки возникает зона сжатия. В сжатой зоне порода деформируется и сдвигается вниз, а порода, граничащая с сжатой, остается на месте. На границе зон возникают касательные напряжения, создающие в столбике породы трещины, тем большие, чем больше площадь притупления резцов и осевая нагрузка, При малых диаметрах керна трещины от противоположных резцов сходятся и керн раскалывается на кусочки.

В свое время на кафедре бурения на занятиях со студентами проделывался такой эксперимент. Выполнялось опытное бурение в блоке монолитного мрамора твердосплавной коронкой диаметром 46 мм. Сначала устанавливалась минимальная осевая нагрузка – получался целиковый столбик керна (рейс 30 см), затем нагрузку увеличивали вдвое – получалась горсть кусочков породы, в третьем рейсе нагрузку увеличивали еще – керна вообще не получали - керн разрушался полностью. Вывод – при бурении в слабых скальных породах разрушение керна пропорционально степени затупления резцов коронки и величине осевой нагрузки. Естественно, в более прочных породах такое явление может проявляться значительно слабее или не проявляться вообще (микротрещины, возникающие под резцами, будут на порядок меньше диаметра керна).

Третий случайсамый серьезный и самый важныйс точки зрения получения качественной геологической информации – ради чего бурится разведочная скважина!

К большому сожалению, в большом количестве месторождений ценные полезные ископаемые возникают и располагаются в зонах тектонических нарушений или в других геологических структурах со сложным строением, где породы (полезные ископаемые) находятся в разрушенном, раздробленном или сильнотрещиноватом состоянии, с включением перемежающихся твердых и слабых пород. В таких породах получение качественного керна становится очень сложной проблемой. Были проделаны эксперименты, когда при бурении в твердых, но раздробленных породах, внутри буровой коронки, чуть выше резцов устанавливали тонкую проволочку и бурили обычный рейс. Керна не получали совсем, а проволочка оказывалась целой! Значит, керн разрушался полностью, даже не попадая внутрь коронки, - полностью разрушался резцами!

В первом и втором случаях, приведенных раньше, керн только начинает разрушаться резцами (дальше разрушению керна будет содействовать вращение колонковой трубы).

В третьем случае главную роль в разрушении керна резцами будет играть прямой поток промывочной жидкости!

В дробленых, разрушенных породах резцы не только режут и скалывают слой породы, но дробят и раскалывают отбельные кусочки породы, попадающие под них. В результате на некоторых участках кольцевого забоя получаются пустые места вместо измельченных кусочков. И вот в эти пустые места потоком промывочной жидкости из центральной части забоя заталкиваются кусочки породы, которые должны были составить керн. Если порода в природном состоянии сильно разрушена, раздроблена, зернистая со слабой связкой или слабая и хрупкая, в таких породах керн может полностью разрушаться, несмотря на прочность и твердость составляющих его кусочков.

Хотя формально керн разрушают резцы, фактическим виновником разрушения керна является поток промывочной жидкости.

Итак, третий фактор разрушения керна – резцы - плюс прямой поток промывочной жидкости!

Подобные проблемы с получением качественного керна по полезному ископаемому встречаются, как при разведке рудных месторождений в твердых но дробленых породах до ХI категорий по буримости,– месторождения олова меди, полиметаллов и другие, так и при разведке угольных месторождений, представленных слабыми крошащимися углями II-III категорий по буримости.

Рис. 56 Как выглядит обычный керн.

Рис. 57 Монолитный керн чистого льда из ледяного купола на Земле Франца-Иосифа.