Глава 7. Условия кернообразования и удаление продуктов разрушения с забоя буримой скважины

7.1. Условия кернообразования при различных способах разрушения горных пород

При колонковом бурении процесс разрушения горных пород на забое непосредственно связан с кернообразованием.

Выяснением влияния различных условий бурения на выход керна занимались Б.И. Воздвиженский, С.С. Сулакшин, И.Б. Булнаев, Н.Т. Туякбаев, П.П. Пономарев и др. специалисты.

Данные о работоспособности алмазного инструмента показывают, что во всех горных породах с уменьшением выхода керна уменьшается и стойкость коронок, а расход алмазов увеличивается. Причины этого, прежде всего, связаны с разрушением трещиноватых, слоистых и перемежающихся по твердости горных пород. В то же время, очевидно, что основные потери керна происходят во время его обуривания коронкой, а снижение работоспособности коронок происходит за счет заклинивания и вторичного разбуривания попадающих в зазор между керном и матрицей, а также под торец коронки кусочков, отделившихся от керна.

Большое влияние на выход керна и его состояние оказывают применяемые режимы бурения. Например, увеличение осевых усилий при бурении, особенно трещиноватых, слоистых горных пород будет приводить к возрастанию напряжений в приповерхностной забойной зоне, и в том числе на поверхности керна (см. рис. 2.8).

Таким образом, если под торцом коронки действует напряжение сжатия, то в керне будет иметь место сдвиг. Напряжения сдвига, при значениях, превышающих предел прочности горной породы на скалывание, могут привести к возникновению трещин в керне и нарушению его целостности с последующим истиранием отделенных столбиков при колебаниях и вращении в колонковой трубе.

В озникающие в призабойной зоне напряжения зависят не только от осевого усилия, но и формы торца коронок. Например, по данным специалистов ВИТРа Пономарева П.П. и др., керн разрушается интенсивнее при бурении коронками с плоской и полузакругленной формой торца, в сравнении со ступенчатой формой. Снижение толщины матриц коронок, при одинаковой форме торца, способствует более высокому выходу керна. Приведенные факты показывают, что разрушение керна происходит вследствие влияния напряжений и деформаций в породе, возникающих при бурении под действием осевого усилия, но при этом важна не только величина действующих напряжений и деформаций, но и геометрия их распространения в породе.

Например, как следует из схем на рис. 2.8, а при плоском торце коронки линии деформации и напряжений в изотропной породе распространяются в виде симметричных близких к окружностям линий, которые смыкаются в точке на оси скважины. При купольной форме торца линии напряжений и деформации, повторяя профиль торца, вытянуты в осевом направлении и в меньшей степени взаимодействуют между собой, т.е. выбуренная в виде керна порода будет менее напряжена и нарушена. При значительном увеличении ширины матрицы (рис. 2.8, в) линии напряжений и деформации суммируясь, создают напряженное состояние породы и условия для интенсивного разрушения керна.

Ступенчатая, ориентированная наружу, форма торца коронки (рис. 7.1) в изотропных горных породах обеспечивает преимущественное распространение линий напряжений и деформаций в породе в направлении стенки скважины. В результате керн менее подвержен разрушению и лучше сохраняется. Условием еще более надежного сохранения керна будет исполнение нижнего пилотного кольца ступенчатой коронки в форме купола или полукруга, поскольку в этом случае линии напряжений будут вытянуты в осевом направлении.

Если ступенчатость коронки ориентирована вовнутрь, условия кернообразования будут соответственно хуже, поскольку линии напряжений и деформации будут концентрироваться в направлении керна.

При бурении коронками ССК с W – образным профилем (рис. 5.56, 5.57) условия образования керна будут достаточно благоприятными.

Это связано, во-первых, с тем, что, подобный профиль создает свободные поверхности разрушаемой породы, а это позволяет бурить достаточно производительно при умеренных осевых нагрузках.

В о-вторых, форма профиля способствует соосному со скважиной положению коронки на забое без значительных поперечных перемещений и ударных воздействий на керн.

И, наконец, W-профиль дос-таточно рационально «организует» напряжения под торцом, направляя их, прежде всего, навстречу под прямым углом в направлении от плоскостей торцевых граней, что предохраняет от излишних напряжений керн и стенки скважины (рис. 7.2).

Для скалывания керна имеет большое значение расстояние АВ (рис. 7.1), поскольку эта линия является кратчайшим расстоянием, определяющим прочность керна. При уменьшении этого расстояния при условии, что напряжения в породе будут иметь прежнюю величину, возрастает вероятность скалывания породы по линии АВ.

Скалывание породы керна становится возможным, если предел прочности породы на скалывание будет превышен действующим напряжением в точке С на оси керна (рис. 7.1).

В случае, если происходит бурение анизотропных, например, слоистых горных пород конфигурация линий напряжения и деформации в породе будет задаваться не только геометрией торца коронки, но и ориентировкой слоистости, а также показателем анизотропии горной породы по упругости и твердости [21].

К ак следует из ранее рассмотренной теории, слоистая горная порода более подвержена деформированию в направлении, перпендикулярном слоям и менее в направлении слоев (см. подраздел 2.7).

Н а рис. 7.3 приведены схемы, показывающие возможные варианты распространения линий деформации и напряжений в слоистой породе. Анализ показывает, что при наружной ступенчатости асимметрия поля деформаций выходит за пределы ствола, что указывает на преимущественное разрушение породы стенки ствола. При внутренней ступенчатости торца коронки поле деформации смещено в сторону керна, что указывает на вероятностное разрушение керна.

Для слоистых горных пород скалывание керна будет происходить по плоскостям менее прочных слоев. В работе [34] С.С. Сулакшиным приведены данные о влиянии угла встречи γ бурового инструмента со слоистостью горных пород на выход керна (рис.7.4). Из приведенных данных следует, что с увеличением угла встречи выход керна уменьшается, достигая минимума при угле встречи 90^º, но при этом увеличивается величина углубки за рейс.

П ри углах встречи оси скважины с плоскостями слоев, близких 90^º, увеличивается степень избирательного истирания более мягких слоев горных пород.

На рис. 7.5 приведены данные из работы [34], полученные по результатам бурения нескольких скважин и отражающие влияние угла встречи γ на избирательное истирание жильной рудной массы.

При бурении перемежающихся по твердости горных пород процесс кернообразования сопровождается искривлением керна в результате неравномерного разрушения горной породы как на забое, так и в стенке скважины [21]. В результате образующийся искривленный керн ломается вследствие невписываемости в колонковый набор.

В данном случае можно отметить общую закономерность, которая состоит в том, что при бурении анизотропных и перемежающихся по твердости горных пород наблюдается значительное влияние процесса разрушения пород на ряд показателей бурения. Это, прежде всего, механическая скорость бурения, проходка за рейс, искривление скважин и выход керна. Как следует из анализа этих процессов, все они имеют общую природу, основанную на механизме разрушения горных пород.

Отмеченная закономерность подтверждается данными П.В. Полежаева, которые представлены в работе [34]. Из этих следует, что с повышением механической скорости бурения выход керна увеличивается (рис.7.6). Следует отметить, что представленная на рис.7.6. зависимость не является бесспорной, т.к. при определенных условиях, например, чрезмерно повышенной осевой нагрузке, будет происходить не только рост механической скорости бурения, но и интенсивное разрушение керна.

Т аким образом, речь может идти об условиях, которые являются оптимальными, как с точки зрения механической скорости бурения, так и ресурса бурового инструмента и устойчивости буровой компоновки. В этом случае, очевидно, что повышение механической скорости бурения приводит к уменьшению интенсивности действия факторов, вызывающих разрушение керна. В то же время следует отметить, рост скорости бокового разрушения горных пород – скорости фрезерования, будет приводить к допол-нительному разрушению керна. Учитывая, что соотношение является показателем фрезе-рующей способности бурового инструмента, можно отметить, что выход керна будет обратно пропорционален коэффициенту фрезерующей способности бурового инструмента [см. формулу (4.16)].

Значительное влияние на формирование керна оказывает способ бурения.

При вращательном способе бурения существенным фактором, определяющим условия формирования керна, является режим вращения бурильной колонны, колонкового набора и буровой коронки.

Наиболее благоприятен для условий кернообразования режим равномерного вращения бурового инструмента , а наиболее неблагоприятным будет работа инструмента в режиме качения бурового инструмента (гипоциклического движения – см. табл.4.2), при котором возможно образование винтового керна (рис. 4.22). В работе [7] отмечено, что при режиме работе алмазной коронки, которая определена качением снаряда, в столбике керна интенсивно развиваются трещины и уменьшается диаметр керна, что приводит к заклиниванию и срыву керна.

Режим качения бурового инструмента возникает при значительном прогибе бурового набора и сопровождается повышенной вибрацией.

Для снижения прогиба и угла перекоса колонкового набора в скважине следует, прежде всего, обеспечить его центрирование использованием центраторов. В данном случае мера, принимаемая традиционно как средство снижения искривления скважины, приведет к сохранению керна от разрушения. Центрирование колонкового набора будет эффективно и для колонкового набора ССК, который является двойным, и содержит внутреннюю (установленную на подшипниках) керноприемную трубу. Керноприемная труба ССК при бурении не должна вращаться, что положительно влияет на сохранность керна. Однако вследствие прогиба колонкового набора керноприемная труба станет вращаться вместе с прогнувшейся наружной трубой, что резко снизит эффективность двойного колонкового набора по сохранению керна от разрушения.

Н а сохранность керна большое влияние оказывают колебания бурового инструмента и колонкового набора. При работе колонны генерируются продольные, поперечные и крутильные колебания (см. главу 4).

Исследования влияния продольных и поперечных колебаний бурового снаряда на сохранность керна, проведенные в Иркутском политехническом институте И.Б. Булнаевым, показали, что поперечные колебания снижают выход керна, а продольные, наоборот, повышают его (рис.7.8).

Данные закономерности объясняются тем, что поперечные колебания разрушают керн, и чем выше их интенсивность (амплитуда и частота), тем в большей мере разрушается керн.

Продольные колебания снижают возможность самозаклинивания керна в снаряде, понижая действие сил трения при прохождении керна в колонковую трубу.

Степень действия продольных и поперечных колебаний, как следует из графиков на рис.7.7, различна. С увеличением частоты поперечных колебаний потери керна увеличиваются, а при увеличении частоты продольных колебаний потери кернового материала снижаются.

Таким образом, с целью лучшего сохранения керна следует устранять действие, прежде всего, поперечных колебаний, что возможно за счет использования высокосбалансированных буровых снарядов, смазки бурового снаряда, добавок в буровые растворы, которые бы снижали трение между колонной и стенками скважины и рациональным подбором значений частоты вращения и осевой нагрузки.

Продольные колебания снаряда, как способствующие кернообразованию и сохранению керна, можно генерировать путем применения высокочастных гидроударников, которые способствуют снижению сил трения не только в колонковой трубе, но и между колонной и стенками скважины, приводя, таким образом, к понижению интенсивность поперечных колебаний снаряда.

При ударно-вращательном бурении, когда энергия ударных импульсов очень высока, в керне и стенках скважины развиваются поперечные трещины (см. главу 2, рис. 2.40), что приводит к разрушению керна, особенно, если бурится трещиноватая, слоистая или малопрочная горная порода. Поэтому режим ударно-вращательного бурения может использоваться для бурения с отбором керна только в ограниченных случаях, поскольку этот способ бурения не отвечает условиям, способствующим образованию керна [34].

При использовании шарошечных колонковых долот, работающих в режиме дробления – скалывания породы, динамические нагрузки могут быть очень существенны, особенно если возникают отскоки долота от забоя. В результате керн активно разрушается, и его выход может быть низким.

Наиболее благоприятные условия для формирования керна возникают при алмазном колонковом бурении. При этом играет определенную роль размер резцов. Наиболее благоприятны для образования керна импрегнированные коронки, оснащенные мелкими алмазными резцами. В этом случае, если исключена вибрация бурильной колонны и обеспечена устойчивость колонкового набора, условия формирования керна можно считать практически идеальными. При этом, учитывая возникающие в керне напряжения, более эффективными для формирования керна будут тонкоматричные коронки, поскольку увеличенный размер керна и более низкие осевые нагрузки обеспечивают меньшее напряженное состояние керна и его более значительную прочность.