Технология и особенности бурения комплектами с гидротранспортом керна
Первая главная особенность такого вида бурения заключается в том, что не происходит непосредственной промывки забоя, и разрушаемая порода механически за счет конструкции коронки сдвигается к центру забоя и заталкивается в центральный канал. Поток промывочной жидкости подхватывает кусочки керна и шлам внутри выше торца коронки и только с этого места транспортирует их по внутренней трубе на поверхность, не происходит ни промывки забоя, ни охлаждения торца коронки. Это условие однозначно ограничивает область применения данного метода по твердости буримых пород – бурение с КГК возможно только в мягких и самых слабых скальных породах I – IV и лишь с небольшими прослойками более твердых пород V – VI категорий.
Ограничения по твердости буримых пород создают условия для бурения скважины за один рейс, поскольку необходимость прекращения рейса и подъем снаряда связаны с износом буровой коронки, а в мягких породах коронки с мощным твердосплавным вооружением или с резцами из СТМ могут проходить более сотни метров до полного износа
Вторая особенность бурения с КГК – отсутствие циркуляции промывочной жидкости в затрубном пространстве. Поскольку бурение ведется в мягких, слабых, рыхлых, часто неустойчивых, размываемых и разбухающих породах, то при бурении простыми снарядами возникала бы необходимость принимать серьезные меры по закреплению стенок скважины, в том числе колоннами обсадных труб.
При бурении с КГК затрубное пространство заполняется вязкой промывочной жидкостью с повышенной тиксотропностью и при необходимости с повышенной плотностью. Полная циркуляция промывочной жидкости должна происходить только внутри двойной колонны труб. Чтобы поток жидкости не проникал в затрубное пространство и не размывал стенки скважины на наружной части нижнего конца колонковой (нижней) трубы делается пакерирующее устройство, обычно в виде наружной винтовой нарезки, которая в процессе бурения заполняется разрушенной породой, перекрывает кольцевой зазор, и не пропускает жидкость из межтрубного пространства в наружное кольцевое пространство скважины. По мере углубки скважины и при поглощении части жидкости из затрубного пространства, жидкость туда должна пополняться или самотеком из специального зумфа, соединенного с устьем скважины, или путем расхаживания снаряда, при котором жидкость из циркулирующего потока попадает в освобождаемую при подъеме снаряда часть ствола скважины и в затрубное пространство.
Необходимость периодического расхаживания снаряда третья особенность бурения снарядами КГК. Расхаживание – отрыв и приподнимание снаряда от забоя с сохранением вращения и циркуляции и опускание обратно на забой. Путем расхаживания снаряда решается ряд специфических задач бурения с КГК:
- пропуск части промывочной жидкости на забой скважины для дополнительного охлаждения резцов коронки и снижения трения.
- при движении снаряда вниз, жидкость из ствола скважины за счет поршневого эффекта помогает проталкивать породу в центральной части коронки и преодолевать возможные заклинки кусочков керна во внутренней трубе.
Отсутствие циркуляции жидкости на забое и в призабойной части затрубного пространства, вызывает, по мере углубки скважины, рост крутящего момента, В зависимости от плотности и вязкости пород значение Мкр. может составлять от 100 – 150 Нм в начале цикла до 800 – 1000 Нм в конце. Расхаживание снаряда становится необходимым для смачивания забоя и стенок скважины и тем самым снижения сопротивлений и крутящего момента.
Рекомендуемые параметры расхаживания – интервалы между подъемами снаряда и высота подъема приведены в табл. 23 .
Таблица 23
| Тип пород | Параметры расхаживания | |
| Интервал, м | Высота, м | |
| Вязкие глины, суглинки и сыпучие и пески | Расхаживание может не применяться | |
| Вязкие глины и суглинки | 1 – 1,5 | 1 – 1,5 |
| Сыпучие пески, супеси | 2 – 2,5 | 0,5 |
| Гравийно-галечные отложения | 0,3 – 1,0 | 0,2 – 0,5 |
| Плотные, устойчивые алевролиты, аргиллиты | 0,3 – 0,5 | 0,1 – 0,5 |
| Песчаники, известняки | 0,1 – 0,5 | 0,1 – 0,5 |
| Окремненные породы | 0,05 – 0,1 | 0,05 – 0,1 |
Принципы выбора и поддержания параметров режима бурения комплектами КГК также отличается от обычного колонкового бурения. Бурение снарядами с гидротранспортом керна осуществляется станками с подвижным вращателем, обычно с гидромотором, установленным непосредственно на вращателе, и с гидравлической системой подачи.
Управление подачей производится не по осевой нагрузке, а по задаваемой скорости углубки. Такая система приводит к тому, что активными параметрами управления процессом являются скорость углубки и крутящий момент, а осевая нагрузка и частота вращения становятся функциями от них. Как уже указывалось, по мере углубки без отрыва от забоя идет нарастание крутящего момента и снижение частоты вращения. По достижении критической величины Мкр. углубка заканчивается и начинается цикл расхаживания. ИзмененияМкр. и частоты вращения в пределах цикла приведены на рис.54
Рис. 54
Конкретно параметры режима бурения определяются в зависимости от свойств буримых пород и характеристики двигателя привода вращателя. Частота вращения для буровых установок, используемых для бурения комплектами КГК, находится в пределах от 140 до 325 об/мин. Большая частота вращения не может применяться, так как бурение практически ведется «в сухую» при больших крутящих моментах и при охлаждении коронки только самой породой.
Расход промывочной жидкости при бурении КГК должен обеспечивать полную и надежную транспортировку и кусочков керна, и всей разрушенной породы. Для этого скорость восходящего потока должна быть не менее 2 – 4 м/сек в зависимости от плотности и состава пород, а расход жидкости соответственно от 120 до 300 л/мин. Рекомендуемые параметры режима бурения с гидротранспортом керна различных пород приведены в табл. 24.
Таблица 24
| Тип пород | Параметры режима бурения | ||
| Частота вращения, об/мин | Осевая нагрузка, кН | Расход промывочной жидкости, л/мин | |
| Вязкие глины и суглинки | 5 – 9 | 200 – 320 | |
| Вязкие и сыпучие глины, суглинки, пески. | 5 – 7 | 220 – 260 | |
| Сыпучие пески, супеси | 4,5 – 9 | ||
| Гравийно-галечные отложения | 140 – 170 | 6 - 10 | 180 – 260 |
| Плотные, устойчивые алевролиты, аргелиты. | 7 – 12 | ||
| Песчаники, известняки. | 8 – 16 | ||
| Окремненные породы. | 15 - 18 |
Поскольку бурение КГК ведется в неустойчивых чреватых осложнениями породах, большое значение имеет выбор промывочной жидкости как для циркуляции внутри снаряда, так для заполнения затрубного пространства.
Жидкость, участвующая в обратной циркуляции, должна обладать хорошей выносной способностью, смазывающими свойствами и, желательно, способностью связывать песчаные и рыхлые породы. Наиболее подходящими для большинства случаев бурения КГК являются водно-полимерные жидкости – вода + 2 – 3% полимера К-9 или гипана. Для бурения в глинистых породах с содержанием щебня полускальных пород рекомендуется вязкий глинистый раствор, также с добавками полимера.
Для заполнения затрубного пространства нужна вязкая, тиксотропная жидкость, для чего рекомендуются вязкие глинистые растворы (вязкость более 30 сек.) С добавками полимера К-9 или гипана. При бурении в глинистых массивах в затрубное пространство может добавляться вода, которая, смешиваясь с разбуриваемой глиной, образует «естественный глинистый раствор».
Специфичным осложнением бурения с комплектами КГК является заклинивание кусочков керна в коронке или во внутренней трубе. Для преодоления подклинивания керна предусмотрена возможность изменения направления циркуляции с обратной на прямую («реверс потока»). В этом случае заклиненные кусочки керна выталкиваются из коронки или внутренней трубы мощным прямым потоком с полным давлением насоса (при обратной циркуляции при заклинивании жидкость может пойти в затрубное пространство). При заклинивании в коронке рыхлой породы, заклинка может быть продавлена повышением осевой нагрузки и расхаживанием снаряда.