7. Способы повышения выхода керна

Основная цель бурения геологоразведочных скважин - выявление месторо­ждений, условий залегания, размеров, качественных и количественных характе­ристик полезного ископаемого. Для этого отбирают керн из пород полезного ис-

В табл.23 приводится классификация горных пород по отбору керна (по ли­нейному выходу керна, выраженному в процентах) и рекомендации технических средств по обеспечению кондиционного керна в различных геологических усло­виях. Значения выхода керна даны при следующих условиях бурения:

• вращательный колонковый способ с применением коронок диаметром 59 мм;

• колонковый снаряд - одинарная колонковая труба (ТО);

-режим бурения: п = 700 - 1000 об/мин; Р^ = 7 +10 кН; Q = 30 -г 45 л/мин.

46

47

Таблица 23

Продолжение табл. 23

з

Катего­рия пород по буримо-сти

Рекомендуемые

технические

средства

Вибробурение; шне-ковое и безнасосное

Донбасс НИЛ-1(П)

ДТА-2; ГРЭС;

КГК-100,КССК

Донбасс НИЛ-1(П)

ДТА-2; ГРЭС;

КГК-100;КССК;

ССК

Донбасс НИЛ-1(П) КГК-100; КССК

ТДН-2; ТДН-4; ТДН-0, ГРЭС;КССК; ССК

ТДН-2; ТДН-4; ТДН-0; ГРЭС; ССК

Донбасс НИЛ-1(11); ТДН-2; КССК

ТДН-2; ГРЭС; КССК; ССК

ТДН-2; ГРЭС; ТДН-4; ТДН-0

ТДН-2; ГРЭС; ТДН-4; ТДН-0

Краткая

фактеристш

пород

Несвязные, рыхлые, размывае­мые

Связные и слабосвязные, одно­родные и неоднородные, силь­нотрещиноватые

Неоднородные, перемежаю­щиеся по твердости, и одно­родные слабосвязные, сильно­трещиноватые

Неоднородные, перемежаю­щиеся по твердости, слабосвяз­ные, среднетрещиноватые

Связные, однородные и неод­нородные по строению, силь-нотрещиноватые

Неоднородные, перемежаю­щиеся по твердости, слабосвяз ные, сильнотрещиноватые

Неоднородные, перемежаю­щиеся по твердости, слабосвяз ные, монолитные и слаботре­щиноватые

Неоднородные, перемежаю­щиеся по твердости и строе­нию, связные, среднетрещино­ватые

Однородные, слабосвязные, среднетрещиноватые

Однородные, связные, сильнотрещиноватые

Классификация горных пород по отбору керна

III-VI

Донбасс НИЛ-1(П);

КГК-100; ТО

ТДН - УТ; КССК; ССК; ТО

60-80

Однородные, связные, средне- трещиноватые

III-VIII

VII - XII

Однородные и неоднородные по строению, связные, моно-литные и слаботрещиноватые

ТДН - УТ; ТДН-2; ССК; ТО

Неоднородные и однородные по строению, связные, средне- трещиноватые

VII - XII

ТДН - УТ; ТДН-2; ССК; ТО

Неоднородные, перемежаю­щиеся по твердости и массив­ные, слабосвязные, монолитные и слаботрещиноватые

80-100

III - VIII

ТДН-УТ; ССК; КССК;ТО

Однородные, связные, моно-литные и слаботрещиноватые

IX - XII

ТДН - УТ; ССК; ТО

Неоднородные и однородные по строению, связные, моно-литные и слаботрещиноватые

Ниже рассмотрим ряд рекомендуемых технических средств и их технико-технологические особенности для повышения выхода керна в характерных геоло­гических условиях.

7.1. Безнасосное бурение

Безнасосное бурение применяется в самых " тяжелых " условиях, когда вы­ход керна практически равен 0.

Применяется в мягких породах, когда в результате расхаживания бурового снаряда создается призабойная обратная циркуляция жидкости, позволяющая до­биться 90 - 100 % выхода керна.

Безнасосное бурение применяется только при наличии в скважине столба жидкости, высотой несколько превышающей длину колонкового снаряда. Если в скважине нет грунтовых вод, то необходимо периодически подливать туда воду или глинистый раствор в зависимости от устойчивости пород в стенках скважины. На рис.14 показана схема работы снаряда при безнасосном бурении.

Режим бурения безнасосным способом.

Частота расхаживания снаряда (подъема - опускания над забоем) зависит от характера породы. Чем выше буримость породы, тем чаще нужно расхаживать снаряд. Рекомендуемое число двойных ходов снаряда в минуту (частота расхажи­вания) составляет от 10 * 15 в песчаниках до 40 -f 60 в песках.

Высота подъема снаряда над забоем не превышает 10 см.

Осевая нагрузка на коронку в мягких породах составляет 150 -=■ 250 дан и

48

49

200 -г 400 дан в породах типа известняков, песчаников.

Число оборотов бурового снаряда устанавливается из расчета средней ок­ружной скорости коронки 0,6 -г- 0,8 м/с.

Углубка за рейс в мягких породах 1 -е- 1,5 м, а при хорошем выходе керна -2,5 -гЗ м.

:L—*

З аклинивание керна производится: в мягких породах - затиркой всухую на10 + 20 см при прекращении расхаживания и повышенном давлении на забой, в твердых породах - шламом, скапливающимся над керном при остановке враще­ния и расхаживания снаряда.

7.2. Двойные колонковые трубы «Донбасс НИЛ»

Предназначены для бурения угольных месторождений в породах И - VI ка­тегорий по буримости. Данные трубы имеют на наружной колонковой трубе ко­ронку, а на внутренней керноприемной трубе штамп. При бурении по мягким уг­лям или слоям II - IV категории штамп за счет тарельчатых пружин опережает наружную коронку на 2 - 3 мм и" штампует" керн. При переходе в твердые угли или породы под действием реакции со стороны забоя тарельчатые пружины сжи­маются и керн обрабатывается коронкой.

Заклинка керна в трубах Донбасс НИЛ осуществляется за счет увеличения осевой нагрузки на невращающийся снаряд перед его подъемом. При этом керн в нижней части деформируется и расклинивается на выступе штампа (рис.15).

Трубы Донбасс НИЛ-1 применяются для бурения пластов простого строе­ния, сложенных углем любого петрографического состава.

, \

Трубы Донбасс НИЛ-И используются для бурения угольных пластов слож­ного строения при повышенном метаморфизме угля и вмещающих пород.

Рис. 14. Схема работы снаряда при безнасосном бурении: 1 - коронка; 2 - колонковая труба; 3 - переходник; 4 - ниппель; 5 - шаровой клапан; 6 - шламопроводящая трубка; 7 - отверстия; 8 - ограничительная шпилька; 9 - бурильная ти5а

Рис. 15. Двойные колонковые снаряды «Донбасс НИЛ»: а - «Донбасс НИЛ-I» б - «Донбасс НИЛ-П» в - «Донбасс НИЛ-Ш»". 1 - переходник; 2 колонковая труба; 3 - упорный подшипник; 4 - тарельча­тые пружины; 5 - клапан; 6 - керноприемная труба; 7 - штамп; 8 - наруж­ная коронка;9 -фрикцион; 10 - верхняя обойма вибратора; 11 - нижняя нев-ращающаяся обойма вибратора

50

5!

S 6

Трубы Донбасс НИЛ-Ш предназначены для бурения угольных пластов сложного строения при низкой степени метаморфизма.

Режимы бурения трубами «Донбасс НИЛ» диаметром 76 мм следующие Осевая нагрузка, в КН:

при бурении по углю 4ч-6-

при пересечении твердых пропластков 7-Но'.

Расход промывочной жидкости, м'/с (8,3 - 11 7)* 10⁴

Частота вращения, с"¹:

при работе с «Донбасс НИЛ-Ш» 1/7-2,5;

на вибрационном режиме до 4,5.

Длина керноприемной трубы, м 0,8-1,5.

7.3. Бурение с гидротранспортом керна

При бурении поисково-съемочных скважин глубиной до 100 м в породах II - IV категории буримости с проплатами пород VI - VII применяется комплекс технических средств КГК -100. На рис. 16 приведена схема комплекса

Комплекс обеспечивает непрерывную транспортировку керна на поверх­ность обратным потоком промывочной жидкости, которая закачивается к забою по межтрубному кольцевому сечению специальной двойной бурильной колонны и возвращается на поверхность по центральному каналу вместе с керном Выбу­ренная порода и керн улавливаются ложками керноприемного устройства смон­тированного над передвижной емкостью, которая позволяет создать замкнутую систему циркуляции промывочной жидкости. В качестве промывочной жидкости используется вода. Бурение скважины выполняется без обсадки так как стенки скважины не подвергаются эрозионному воздействию потока жидкости

В состав комплекса КГК-100(300) входит самоходная гидрофицированная установка УРБ-2А-2ГК с подвижным вращателем и насосом НБ4-320/63

Применение непрерывного транспортирования керна позволяет бурить скважину без извлечения из нее снаряда до полного износа коронок что сокра­щает время проведения спускоподъемных операций. В результате значительно повышается производительность по сравнению с другими способами бурения с отбором керна в подобных условиях. Выход керна составляет, как правило, 100%.

Применение комплекса КГК-100 предусмотрено с твердосплавными корон­ками диаметром 76; 84 и 93 мм.

Коронки диаметром 76 мм применяются для бурения однородных пород, диаметром 84 - вспучивающихся, неустойчивых пород, диаметром 93 мм - мощ­ных толщ сыпучих отложений и плывунов.

Рис. 16. Установка с КГК-100 для бурения с гидротранспортом керна: 1 - установка УРБ-2А2; 2 - труба бурильная двойная; 3 - шланг керноот-водной; 4 - керноприемник; 5 - стеллаж; 6 - прицеп-емкость

В табл.24 приведены рекомендуемые параметры режимов бурения в раз­личных горных породах.

Таблица 24

Породы	Катего­рия пород по буримо­сти	Осевая нагруз­ка, кН	Частота враще­ния снаряда, с'^1	Подача промы­вочной жидкости, КГ^3 м^3/с	Углубле­ние меж­ду расха-жива- НИмМИ* М	Высота подъема инструмента при ражажи-вании, м
Пески	II	4-6	ТГбП	2-3	0,1-0,5	0,3-1
Супеси, суг­линки и глины	II-IV	5-9	4-5	3,3-5,3	0,5-1,5	1-1,5
Гравийно-галечниковые отложения	VI	6-10	2-3	3-4,3	0,3 - 1	0,2 - 0,6
Алевролиты, аргиллиты	V - VIII	7-12	4-5	3	0,3-0,5	0,1-0,5
Песчаники, известняки	v-vni	8-16	4-5	3	0,1-0,5	0,1-0,5
Окремнелые породы	V - VIII	15-20	4-5	3	0,05 - ОД	0,05 - 0,1

53

7.4 Бурение снарядами со съемными керноприемниками

Способ бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками за­ключается в следующем. На специальных бурильных трубах в скважину опуска­ется колонковый набор со специальной алмазной коронкой. Затем внутрь буриль­ной колонны опускается керноприемная труба под действием собственного веса и давления промывочной жидкости, нагнетаемой насосом. После посадки керно-приемника в колонковую трубу получается двойная колонковая труба.

Углубка скважины ведется как при обычном алмазном бурении до заполне­ния керноприемника керном. После прекращения бурения внутрь колонны опус­кается на тонком стальном канате специальный ловитель (овершот) для подъема керноприемника. Весь буровой снаряд поднимается из скважины только для за­мены изношенной алмазной коронки.

Бурение снарядами ССК и КССК имеет следующие преимущества по срав­нению с обычным колонковым способом бурения с применением одинарной ко­лонковой трубы:

- выход керна повышается с 40 -f 60 % до 90 -^ 100 % благодаря примене­нию двойных колонковых труб" особой " специальной конструкции; производи­тельность бурения возрастает за счет высокой частоты вращения сбалансирован­ной колонны бурильных труб и снижения затрат времени на спуско-подъемные операции. ,

На рис.17 приведены колонковые снаряды со съемными керноприемниками для применения преимущественно в скальных породах от V до X категории бу-римости:

а - общий вид ССК конструкции ВИТР; б - ловитель керноприемника;

1 - релитовый переходник; 2 - головка подшипникового узла; 3 - возвратная втулка; 4 - пружина: 5 - стопоры; 6 - переходник наружной колонковой трубы; 7 -подшипниковый узел; 8 - опорное кольцо; 9 - вал; 10 - контргайка: 11 - резиновые манжеты; 12 - резиновое кольцо; 13 - направляющая втулка: 14 - опорный шари­коподшипник; 15 - пружина; 16 - наружная колонковая труба; 17 - керноприем-ник; 18 - стабилизатор; 19 - упорное кольцо; 20 - кернорвательное кольцо; 21 -корпус кернорвателя; 22 - алмазная коронка; 23 - захваты головки 2; 24 - патру­бок, бросаемый с поверхности по канату для освобождения ловителя; 25 - сталь­ной канат;

e-керноприемный снаряд конструкции СКБ НПО «Геотехника»: 1 - головка; 2 - гильза; 3 - штифт; 4 - центратор: 5 - пружина крученая; 6 - защелка; 7 - пере­ходник: 8 - корпус; 9 - опора; 10 - переходник; 11 - шпиндель; 12 - гайка регули­ровочная; 13 - манжета; 14 - шайба; 15 - подшипник упорный; 16 - кожух под­шипника; 17 - опора подвески; 18 - подшипник; 19 - пружина; 20 - шайба; 21 -подшипник; 22 - кольцо; 23 и 24 - гайки; 25 - масленка; 26 - переходник подвески: 27 - труба приемная; 28 - труба колонковая; 29 - центратор; 30 - расширитель; 31 -кольцо стопорное; 32 - кольцо рвательное; 33 - корпус кернорвателя; 34 - коронка

54

КССК

ОВЕРШОТ

Рис.17. Колонковый снаряд со съемной керноприемной трубой ССК

55

В табл.25 приводятся условия применения комплексов ССК и КССК раз­личных размеров, их параметры и режимы бурения.

				Таблица 25
Тип снаряда	КССК - 76	ССК - 76	ССК - 59	ССК - 46
Глубина бурения, м	1200,2000	1200	1200	1000
Категория по буримости	V- IX	VI - X VI - X		VI-X
Диаметр коронки, мм: наружный внутренний	76 40	76 46	59 35,4	46 24
Диаметр бурильных труб, мм наружный внутренний	70 61	70 60,4	55 45,4	43 33,4
Длина бурильной трубы, мм	4500	1500,3000, 4500	1500,3000, 4500	1500,3000, 4500
Тип соединения	Муфтово-замковое		Труба в трубу
Общая длина колон­кового набора, мм	6845	2700,4200	2450, 3950, 5456	2450, 3850, 5760
Диаметр наружной колонковой трубы, мм	73	73	56	44
Диаметр кернопри-емной трубы внут­ренний, мм	42	48,4	37	25,6
Полезная длина керноприемника, м	•6	1,7; 3,2	1,7; 3,2; 4,7	1,7; 3,2; 4,7
Угол наклона сква­жины, градус	90-75	90-75	90 - 75	90-80
Режимы бурения: максимальная часто­та вращения, об/мин максимальная осе­вая нагрузка, кН расход промывоч­ной жидкости, л/мин	1000	1000	1500	2000
	20	20	15	12
	35-80	35-100	15-60	10-30
Вид промывочной жидкости	Вода, эмульсионные и гли­нистые растворы		Вода и эмульсионные растворы

7.5. Двойные колонковые трубы ТДН-УТ

Предназначены для бурения в монолитных и слабо трещиноватых породах VII -XI категорий по буримости (см табл.23). Конструкция труб приведена на рис. 18.

Трубы ТДН-УТ имеют невращающуюся внутреннюю трубу. Промывка осуществляется сначала между внутренней и наружной трубой, а затем вода омы­вает керн на участке 30 * 50 мм от забоя и, обычно, далее уходит в зазор между колонковой трубой и стенками скважины. Если условия с точки зрения выхода керна хуже, то конструкция предусматривает обратный восходящий поток жидко­сти в керноприемной трубе за счет создания гидравлического сопротивления на переходнике 2.

Трубы снабжены однослойными коронками 18АЗ, КУТ и КУТВ и импрег-нированными коронками КУТИ, 19АЗГ. Коронки имеют удлиненный корпус с внутренней резьбой, однако матрица у них по толщине соответствует матрице се­рийных алмазных коронок для одинарных колонковых труб. Такая конструкция низа ТДН-УТ позволяет получать механические скорости не ниже, чем при буре­нии одинарными колонковыми трубами и одновременно получать выход керна в пределах 70+100 %.

Размеры труб ТДН-УТ и рекомендуемые режимы бурения приведены в табл.26.

Таблица 26

Показатели	ТДН-УТ
	~ 46	59	76
Размеры наружной трубы, мм: диаметр толщина стенки длина	44	57	73
	3,5	3,5	3,5
	4235	4215	4285
Размеры внутренней трубы, мм: диаметр толщина стенки	35	48	63
	1,2	2	1,5
Общая длина трубы, мм	4500	4500	4500
Длина керноприемной части, мм	4170	4160	4100
Зазор между трубами, мм	1	1	1,5
Масса трубы, кг	31,5	37,2	46
Размеры алмазной коронки, мм: наружный диаметр внутренний диаметр толщина матрицы	46	59	76
	31	42	58
	7,5	8,5	9

56

57

					Продолжение табл.26
Параметры режима бурения: осевая нагрузка, кН	4-4,5			6-6.5		9-10
	8-9			10-11		16-18
частота вращения, с"^1 (об/мин)	16,6-(1100-	23,3 1400)			16-20 (900 - 1200)
расход жидкости, л/мин	8-10	1		12-15		20-25

Рис. 18. Двойные колонковые трубы ТДН-УТ

Примечание. В числителе - осевая нагрузка для однослойных коронок, а в знаме­нателе - для импрегнироваюшх.

7.6, Двойные колонковые трубы ТДН-0 (ТДН-93-0, ТДН-76-0, ТДН-59-0, ТДН-46-0)

Они предназначены для бурения в сложных геологических условиях в силь­нотрещиноватых, раздробленных, брекчированных, перемежающихся по твердо­сти, хрупких, подверженных истиранию породах V - X категорий по буримости.

Трубы используются с коронками с увеличенной шириной торца типа КДТО с каналами в корпусе для прохода жидкости из межтрубного пространства на забой скважины (рис. 19). Большие зазоры между колонковыми трубами допускают применение глинистых растворов любой, в том числе повышенной вязкости. В комплект трубы входят кернователи двух типов: пружинный

. "П- ч 1---7

-при бурении в слаботрещиноватых породах и проволочный - при бурении всильно разрушенных породах.

Рис. 19. ТДН-0

59

Особенность труб данного типа -- обеспечение обратной циркуляции про­мывочной жидкости в призабойной зоне скважины. Верхний переходник 2, имеющий несколько увеличенный диаметр и вставки из твердого сплава, создает в скважине сопротивление потоку промывочной жидкости, поднимающемуся по затрубному пространству. В связи с этим до 40 % жидкости, выходящей из меж­трубного пространства и проходящей через каналы коронки 15 на забой, поступа­ет во внутреннюю трубу 10, поднимается по ней до верхнего переходника и через отводной канал изливается в скважину. При этом шлам и мелкие частицы керна осаждаются во внутренней шламовой трубе 7.

Более крупные обломки керна потоком промывочной жидкости удержива­ются во взвешенном состоянии в верхней части керноприемной трубы 10, что уменьшает самозаклинивание керна.

Если самозаклинивание произойдет, то срабатывает сигнализатор 3, пред­ставляющий собой два резиновых кольца, разделенных шайбой. Кстати, анало­гичные сигнализаторы самозаклинок стоят в колонковых наборах ССК и КССК (см. рис.17) (позиции 11 для ССК и позиции 13,14 для КССК). При самозаклини­вании керна внутренняя труба через керн воспринимает осевую нагрузку, направ­ленную вверх, и через подшипниковый узел передает его на резиновые кольца сигнализатора. Кольца сжимаются и перекрывают зазор для прохода промывоч­ной жидкости в межтрубное пространство, что фиксируется резким увеличением давления по манометру бурового насоса. Сигнализатор срабатывает при осевой нагрузке 10 -И 2 кН. Величина восходящего потока в трубах типа 0 превосходит величину восходящего потока других двойных колонковых труб.

Точность опробования при использовании труб ТДН-0 также более высокая, чем при применении других типов двойных колонковых труб.

В табл.27 приведены технические характеристики труб типа ТДН-0 и реко­мендуемые параметры режимов бурения.

Таблица 27

Показатели	ТДН-0-46	ТДН-0-59	ТДН-0-76	ТДН-0-93
1	2	3	4	5
Размеры наружной трубы, мм: диаметр толщина стенки длина	44	57	73	89
	3,75	3,75	3,75	4
	4162	4166	3040	4375
Размеры внутренней трубы, мм: диаметр толщина стенки	34	45	57	75
	2	3	3,75	3
Общая длина трубы, мм	4390	4479	3580	4657
Зазор между трубами, мм	1,5	2,25	4,25	3

Продолжение табл.27

1.	2	3. . :•	4 ■■'	5.
Масса трубы, кг	22,9	з зо ;	.61 г,'	77,3
Размеры алмазной ко­ронки, мм: наружный диаметр	46	59	76	93
внутренний диаметр	26	34,5	46	66
толщина матрицы	10	12,25	15.	13,5
Параметры режима
бурения:	5-6	8 9	14-16	15 17
осевая нагрузка, кН	6-11	12- 14	20-22	23 - 28
частота вращения,-с*' (об/мин)		5-10	l'300 - 600)
расход жидкости, л/мин	10-20	20 - 30	40 - 50	50-60 j i

Примечание. В числителе - осевая нагрузка для однослойных коронок, а в знаме­нателе - для импрегнированных.