что такое вынос керна
Инструменты для бурения с отбором керна
Керн и основные виды керноприемных устройств
Керном называется столбик горной породы,образующийся при буре-нии скважины кольцевым забоем. Керн извлекается на поверхность и слу-жит основным материалом для прямого изучения состава, строения и механических свойств горных пород разреза месторождения, а также для решения ряда задач при его разведке и разработке. Поэтому извлечение высококачественного и в достаточном количестве керна является одной из главных задач при бурении разведочных скважин.
Основным количественным показателем отбора керна принят вынос керна в %:
где Н к –длина керна; Н –длина интервала,пробуренного с отборомкерна.
Особенность бурения с отбором керна — подчинение всех технологических мероприятий максимальному выносу керна.
Колонковое долото (колонковый снаряд) состоит из бурильной головки, предназначенной для проходки скважины кольцевым забоем с образованием керна, и присоединенного к ней керноприемного устройства, предназначенного для размещения керна, его сохранения, отрыва от забоя после окончания выбуривания и транспортирования на поверхность. Схема образования керна и основные схемы колонковых долот приведены на рисунке 5.77.
Керноприемные устройства делятся на три группы:
1) бескорпусные простейшие;
2) корпусные со стационарной колонковой трубой;
3) корпусные со съемной колонковой трубой.
Основными характеристиками керна являются:
2) степень размыва и загрязненности буровым раствором;
3) целостность (неразрушенность).
Рис. 5.77. Принципиальное устройство колонковых долот. Стрелками показано движение промывочной жидкости
Коэффициент керноотбора K 1:
где D к – диаметр керна; D г – наружный диаметр бурильной головки.
Чем выше К 1, тем лучше колонковое долото удовлетворяет требова-нию отбора керна максимально возможного диаметра.
Коэффициент керноприема K 2:
где h к – расстояние от забоя до входа в керноприемное устройство.
Чем больше К 2, тем меньше керн подвергается прямому воздействию потока промывочной жидкости и вращающегося инструмента, тем меньше керн размывается и разрушается.
Простейшее керноприемное устройство (рис. 5.77а)устанавливается непосредственно над бурильной головкой (коронкой) 1 и состоит из ко-лонковой трубы 2, выполняющей одновременно функции корпуса, и пере-водника 3 для присоединения к бурильному инструменту. Такие устройст-ва широко применяют при бурении структурно-поисковых скважин малого диаметра от 36 до 151 мм. Коронка 1 предназначена для выбуривания кер-на. Вооружение ее может быть твердосплавным или алмазным. Выбурен-ный керн размещается в колонковой трубе. Промывочная жидкость при движении вниз проходит через зазор между керном и колонковой трубой, что является основным недостатком простейшего керноприемного устрой-ства. Керн отрывается от забоя и удерживается в колонковой трубе при подъеме инструмента внутренним конусом коронки. Это обеспечивается тем, что в мягких горных породах (глинах) проводится «затирка» керна, а в твердых – его «заклинка».
При «затирке» перед подъемом инструмента бурят без промывки до 1 м. Выбуриваемый при этом шлам набивается между керном и коронкой и при подъеме инструмента заклинивает керн в конусе коронки. В среднихи твердых горных породах бурить без промывки нельзя. В этом случае перед подъемом в бурильный инструмент засыпают «заклинку» (например, щебень, битое стекло) и продавливают ее промывочной жидкостью до коронки. Момент достижения «заклинкой» коронки отмечается по повыше-нию давления на насосе. В этот момент насос отключают и начинают подъем инструмента. При отборе керна в твердых горных породах также используются кольцевые кернорватели.
Достоинствами рассмотренного керноприемного устройства являются простота конструкции и максимальный коэффициент керноотбора (до 0,87).
Корпусные керноприемные устройства со стационарной колонковой трубой (рис. 5.77б)предназначены в основном для глубокого роторного бурения. Они включают корпус 2, который через переводник 3 соеди-няется с бурильным инструментом. В корпусе на подшипнике 4 подвешена колонковая труба 6, в верхней части которой установлен дренажный клапан 5 со сбрасываемым шаром. К нижней части колонковой трубы при-винчен корпус 7 кернорвателей 8, предназначенных для отрыва керна от забоя и удержания его в колонковой трубе во время подъема инструмента.
В скважину колонковое долото спускают без шара дренажного клапа-на. Перед началом бурения скважину промывают. При этом промывается и колонковая труба. Затем сбрасывают в бурильные трубы шар, который обеспечивает защиту керна от прямого воздействия промывочной жидко-сти и вытеснение ее из колонковой трубы по мере заполнения ее керном.
Размещение керна в колонковой трубе, защита его от размыва и при-менение кернорвателей позволили повысить вынос керна и его качество. Однако при этом уменьшился коэффициент керноотбора, который у этой группы устройств – не более 0,47.
В скважину турбодолото спускают без грунтоноски, которую сбрасывают в бурильные трубы после промывки перед началом бурения с отбором керна. После углубления скважины на длину внутренней полости грунтоноски последнюю извлекают из скважины с помощью шлипса, спускаемого на канате в бурильные трубы. Если бурильная головка не из-ношена, то в скважину сбрасывают другую грунтоноску, и бурение про-должают.
Основное преимущество турбодолот – высокая скорость проходки. К недостаткам относятся низкий коэффициент керноотбора, не превы-шающий 0,28, и высокая динамичность работы. Поэтому удовлетвори-тельный вынос керна турбодолота обеспечивают только в твердых моно-литных горных породах.
Рис. 5.78. Фрагмент керна, приготовленный для механических испытаний: 1 – керн; 2 – колонковая труба; 3 – эпоксидная смола
Бурильные головки
Шифр бурильных головок, предложенный ВНИИ БТ, начинается с буквы К (колонковая). Если в шифре содержится вторая буква С, напри-мер КС, то это головка для керноприемного устройства со съемной колон-ковой трубой (грунтоноской). После букв идут цифры дробью: числитель – диаметр бурильной головки, знаменатель – диаметр кернообразующего отверстия (в мм). Далее следуют тип и класс бурильной головки, как и у долот. В конце шифра могут стоять цифры и буквы, отражающие но-мер модификации. Примеры шифров: К212,7/100М, КС212,7/60ТКЗ и т.д. Разные изготовители обычно используют свои шифры, которые могут су-щественно отличаться от приведенных выше. Общими являются только обозначения диаметров бурголовки и керна.
Истирающе-режущие бурильные головки. Характерные конструкции таких бурильных головок приведены на рисунке 5.79. Они выполня-ются лопастными (рис. 5.79 а), и секторными (рис. 5.79 б, в), с разным вооружением (твердосплавным, алмазным и ИСМ).
Рис. 5.79. Бурильные головки с твердосплавным (а), алмазным (б) и ИСМ (в) вооружением:
1 – корпус; 2 – промывочное отверстие; 3 – элемент вооружения; 3′ – матрица
Шифр и область применения алмазных бурильных головок
Для групп горных пород
Наилучшие результаты с точки зрения качества керна дают алмазные бурильные головки и головки, оснащенные сверхтвердыми материалами. Это объясняется тем, что у таких инструментов практически не изменяют-ся диаметры головки и кернообразующего вооружения.
Шифры и назначение алмазных бурильных головок конструкции ВНИИ БТ приведены в таблице 5.21, из которой следует, что алмазные бурильные головки, как и алмазные долота, не предназначены для бурения высокоабразивных и очень твердых горных пород.
Бурильные головки ИСМ изготавливают типов С и Т для работы с керноприемными устройствами с несъемной колонковой трубой. Общий вид одной из конструкций приведен на рисунке 5.79 в. Шифры и назначе-ние бурильных головок ИСМ приведены в таблице 5.22.
Шифры и область применения бурильных головок ИСМ
* Модели, изготавливаемые на 2012 год
Из таблицы 5.21 видно, что бурильные головки ИСМ предназначены для отбора керна в горных породах, твердость которых не превышает шестой категории, но бурильными головками типа Т можно отбирать керн в высоко-абразивных горных породах. Общим недостатком истирающее-режущих бурильных головок является низкая скорость бурения.
Рис. 5.80. Бурголовки:
– оснащенная алмазными вставками TSP;
Режуще-скалывающие бурильные головки выполняются лопастными с алмазно-твердосплавным вооружением, как и долота PDC.
Завод ОАО «Волгабурмаш» изготавливает бурильные головки в шести-, восьми- и десятилопастном исполнении. Шифр бурголовок, как и долот, начинается с диаметра в мм, далее через косую черту – диаметр кернообразующего отверстия, затем латинские буквы СВ (первые буквы слов «core bit» – колонковое долото). Далее цифры и буквы – как для долот PDC. Примеры обозначений: 187,3/80 СВ 366SM-A35; 215,9/100 CB 388-SM; 212,7/100 CB 31010MH.
Из примеров шифра видно, что эти бурголовки предназначены для бурения в мягких с прослоями средней твердости (SM) горных породах и для бурения в породах средней твердости с прослоями твердых (MH).
Наиболее полный ряд бурголовок этой подгруппы изготавливается на заводе НПП «Буринтех». Шифр аналогичен шифру долот. Отличие – добавлен диаметр кернообразующего отверстия, например: БИТ 212,7/80 В 613 (рис. 5.81). Размер бурголовок – от 121/52 до 292,9/100 (295,3/100) мм. Исполнение бурголовок 4-, 6-, 9- и 12-лопастное (первая цифра после буквы В). В таблице 5.23 приведены шифры и назначение бурильных головок БИТ.
Шифр и область применения бурголовок БИТ
Из таблицы 5.22 видно, что в шифрах бурголовок БИТ нет характери-
стик твердости горной породы,
хотя они предназначены для бурения
в горных породах от 1-й до 7-й категорий, малой и средней абразивности. По мере увеличения твердости горной породы увеличивается количество лопастей. Этим достигается увеличение запаса вооружения на износ и компенсируется рост динамичности работы по мере увеличения твердо-сти горной породы.
Рис. 5.81. Шестилопастная бурголовка БИТ 212,7/80 В 613, оснащенная алмазно-твердосплавными резцами диаметром 13 мм:
1 – паз для прохода промывочной жидкости; 2 – промывочное отверстие
Шарошечные бурильные головки типов МСЗ,СЗ,СТ и ТКЗ изготавливаются для керноприемных устройств как с несъемными, так и со съемными колонковыми трубами. Они предназначены для отбора керна в тех условиях, где нельзя применить нешарошечные бурильные головки.
Бурильные головки типа МСЗ (рис. 5.82 а) имеют восемь шарошек, размещенных в корпусе на четырех горизонтальных осях. Четыре шарош-ки обрабатывают периферийную часть забоя, другие четыре – часть, прилегающую к керну. Вооружены шарошки твердосплавными клиновыми зубками. Диаметр кернообразующего отверстия 80 и 100 мм. Шифр, например, К212,7/80 МСЗ.
Бурильные головки типа СЗ (рис. 5.82 б) имеют три чечевицеобразные шарошки, вооруженные клиновыми твердосплавными зубками. Шифр, например, К 187,3/80 СЗ.
Рис. 5.82. Восьмишарошечная (а) и трехшарошечная (б) бурильные головки
Бурильные головки МСЗ и СЗ режуще-истирающего действия, хотя по конструкции шарошечные.
Бурильные головки типов СТ и ТКЗ дробящее-скалывающего дейст-вия выпускаются в шестишарошечном исполнении с кернообразующими отверстиями 80 мм и восьмишарошечном исполнении с кернообразующим отверстием 100 мм (К187,3/80 СТ; К212,7/80 СТ; К187,3/80 ТКЗ; К212,7/80 ТКЗ и К212,7/100 ТКЗ).
Шестишарошечные бурильные головки (рис. 5.83 а) имеют два вида шарошек: три шарошки для разрушения периферийной части забоя и три – для разрушения части забоя, прилегающей к керну. Внизу на схеме пока-зано относительное положение шарошек и промывочных отверстий, из которой видно, что струи жидкости направлены как на шарошки, так и между шарошек.
Восьмишарошечные головки имеют соответственно по четыре шарошки обоих видов. Эти бурильные головки дробяще-скалывающего действия и предназначены для работы с керноприемными устройствами с несъемной колонковой трубой. Специфичность конструкции этих головок обусловлена стремлением получить максимальные коэффициенты керноотбора и керноприема, а также обеспечить защиту керна от прямого воздействия струй промывочной жидкости.
Рис. 5.83. Шестишарошечная (а) и четырехшарошечная (б) бурильные головки
Бурильные головки типов СТ и ТКЗ (рис. 5.83 б) для керноприемных устройств со съемной колонковой трубой, например для турбодолот, изго-тавливаются четырехшарошечными и по конструкции во многом похожи на трехшарошечные долота. Принципиальное отличие имеет только сис-тема промывки: подача промывочной жидкости к забою осуществляется через отверстия или пазы вокруг центрирующей втулки. Бурильные голов-ки типа СТ имеют фрезерованное стальное вооружение, но кернообра-зующая часть шарошек оснащена твердосплавными клиновыми зубками. Бурильные головки ТКЗ оснащены только твердосплавными зубками. Примеры шифров бурильных головок: КС187,3/40 СТ; КС212,7/60 ТКЗ; КС215,9/60 ТКЗ.
Шарошечными бурильными головками нельзя прорабатывать скважину. Поэтому диаметр бурголовок может быть меньше, чем соответствующий диаметр шарошечных долот. Например, долоту диаметром 190,5 мм соответствует бурголовка диаметром 187,3 мм. Исключение составляют четырехшарошечные бурильные головки. Довольно часто бурение с отбором керна осуществляют бурильными головками уменьшенного диаметра. Например, скважину бурили долотом диаметром 215,9 мм. Затем интервал бурения с отбором керна прошли бурголовкой диаметром 212,7 мм. Дальнейшее углубление скважины предстоит вести снова долотом диаметром 215,9 мм. В этом случае предыдущий интервал, пройденный с отбором керна, необходимо проработать (расширить) долотом диаметром 215,9 мм.
Кернорватели
Кернорватели предназначены для отрыва керна от забоя скважины и удержания его в колонковой трубе при подъеме инструмента из скважи-ны. При отборе керна в породах средней твердости и выше применяют пружинные ( цанговые) кернорватели двух видов: лепестковые (рис. 5.84 а) и кольцевые (рис. 5.84 б). Принцип работы пружинного кернорвателя – заклинивание керна в конусной части корпуса кернорвателя (рис. 5.77 б, позиция 7). Во время бурения кернорватель плотно охватывает керн и за счет трения смещается в верхнее крайнее положение до упора в торец ко-лонковой трубы 6. После окончания бурения отключают промывку и мед-ленно отрывают долото от забоя. При этом керн и кернорватель движутся вниз относительно корпуса. Упругие элементы кернорвателя 8 сжимаются конусом корпуса 7 и заклинивают в нем керн. При дальнейшем движении долота вверх керн отрывается от забоя.
Рис. 5.86. Пружинные цанговые кернорватели:
а –лепестковый; б –кольцевой
Рычажковый кернорватель (рис. 5.85) состоит из корпуса 1, прикреп-ленных к корпусу заклепками 2 пружин 3 и закрепленных кольцом 4
с возможностью поворота рычажков 5 и 6. В процессе бурения керн про-ходит через кернорватель снизу вверх, отклоняя рычажки, и входит в ко-лонковую трубу. При подъеме инструмента рычажки подрезают керн и пе-рекрывают выход из колонковой трубы.
Рис. 5.85. Рычажковый кернорватель
Колонковое долото фирмы Security DBS снабжено кернорвателем,
включает бурильную головку 1, корпус керноприемного устройства 2 и колонковую трубу 3. Подшипниковый узел подвески колонковой трубы в корпусе не показан. На рисунке 5.86 а представлена схема долота во вре-мя его спуска в скважину.
Перед началом отбора керна колонковое долото промывают. При этом промывочная жидкость проходит внутри колонковой трубы и через окна 6 в кольцевой зазор между корпусом и колонковой трубой. Затем в трубы сбрасывается шар 7 дренажного клапана и производится бурение (рис. 5.86 б). При бурении промывочная жидкость к забою проходит только через кольцевой зазор между корпусом и колонковой трубой. Перед подъемом инструмента выключают промывку и в трубы сбрасывают второй шар 8, после чего снова включают промывку. Когда шар 8 достигнет колонковой трубы, он перекроет проход жидкости через окна 6.Давление в трубах резко возрастает и доводится до величины,доста-точной для срезания штифтов 6. Колонковая труба перемещается вниз, перекрывает кольцевой зазор и промывочные отверстия в бурильной го-ловке (рис. 5.86 в), открывает окна 9 и дает доступ высокому давлению жидкости через кольцевой зазор и отверстия 10 к обечайке 5. Обечайка
Рис. 5.86. Схемы состояния колонкового долота при спуске в скважину (а), при бурении с отбором керна (б) и при отрыве керна от забоя (в)
Дата добавления: 2019-02-22 ; просмотров: 3872 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Развитие техники и технологии отбора керна
The development of equipment and technology for core sampling
G. ISHBAEV,
A. LOZUKOV,
A. ZHADAN,
«BURINTEKH» LLC
В последние годы техника и технология отбора керна, как и другие направления нефтяной отрасли, развивается ударными темпами. Новейшие методы исследования керна поднимают требования к его качеству при отборе даже в самых сложных условиях. В то же время ужесточаются требования со стороны буровых компаний, для которых экономия времени при строительстве скважины является главной задачей. И конечно, линейный вынос керна – основной количественный показатель результата отбора керна. Еще 10 лет назад хорошим результатом было 50 – 80 % выноса, теперь же для заказчика результат ниже 95 – 100 % считается неприемлемым. Для того чтобы соответствовать всем современным требованиям, необходимо постоянное развитие и совершенствование. Анализируя результаты работы оборудования, компания ООО НПП «БУРИНТЕХ» разрабатывает и внедряет новые технологии, что позволяет находить решение любой проблемы.
In a recent years, the technique and technology of core selection, like other areas of the oil industry, is developing at a rapid pace. The newest methods of core research raise the requirements for its quality in selection, even in the most difficult conditions. At the same time, the requirements on the part of drilling companies are toughened, for which time savings in the construction of a well are the main task. And of course, linear core removal is the main quantitative indicator of the core selection result. Another 10 years ago, a good result was 50 – 80 % removal, but now for the customer the result is below 95 – 100 % is considered unacceptable. In order to meet all modern requirements, constant development and improvement is necessary. Analyzing the results of the operation of the equipment, «BURINTEKH» LLC develops and implements new technologies, which allows finding a solution to any problem.
ЗАКЛИНИВАНИЕ КЕРНА В ГРУНТОНОСКЕ
К заклиниванию керна приводят такие факторы как естественная трещиноватость, набухание и низкая прочность горных пород. В результате заклинки нагрузка, подаваемая на бурильную головку, передается на столбик керна. В мягких горных породах это приводит к полному его разрушению и бурению «сплошным забоем». В средних и твердых горных породах наблюдается снижение механической скорости проходки, но, как правило, проходит слишком много времени, прежде чем долбление будет прекращено, происходит дробление керна, вплоть до состояния щебня. В подавляющем большинстве случаев бурение с заклинкой керна вызывает значительное снижение качества или низкие выносы.
Для решения проблемы разрушения и бурения «сплошным забоем» нами разработан регистратор заклинки керна. Это устройство позволяет в режиме реального времени идентифицировать заклинку с помощью гидравлического канала связи (рис. 1). Внедрение регистратора заклинки керна позволило добиться впечатляющего результата. Значительно улучшилось качество, а средний процент выноса приблизился к 100 %.
На месторождениях Тульской и Саратовской областей, на глубинах 520 – 750 м (Живетский и Эйфельский ярусы), где разрез представляет собой чередование рыхлых песчаников, глин и алевритов, существенна проблема с возникновением заклинок керна из-за набухания глин и низкой прочности горной породы. До применения регистратора заклинки керна средний вынос на этих месторождениях составлял 75 – 80%. С внедрением регистратора было пробурено 7 скважин с суммарной проходкой 676,3 м и средним выносом 98,7 %.
ОТБОР КЕРНА В ТРЕЩИНОВАТЫХ 
ГОРНЫХ ПОРОДАХ 
Трещиноватость как физико-механическое свойство обусловлена неоднородностью состава и строения горных пород. Отбор керна в трещиноватых горных породах характеризуется его разрушением по направлению трещин, снижением процента выноса, а также небольшими рейсовыми проходками из-за частых заклинок. В особо сложных условиях проходка за рейс может составлять не более 1 – 2 м. Увеличение количества рейсов приводит к большим временным потерям на проведение спуско-подъемных операций.
Для решения этой проблемы нами разработана специальная система телескопических керноприемных труб. В данной системе в основной керноприемной трубе находятся один или два телескопических вкладыша. При возникновении заклинки вкладыш сдвигается и перемещается вместе с заклинившим керном (рис. 2), что позволяет продолжить отбор без проведения СПО.
Наиболее наглядный результат получен при работе на месторождениях Республики Коми и Ненецкого автономного округа. В табл. показано сравнение стеклопластиковых керноприемных труб и системы телескопических керноприемных труб при работе в интервале сильнотрещиноватых известняков с переслаиванием аргиллитов, на одной скважине.
ОТБОР КЕРНА В РЫХЛЫХ, СКЛОННЫХ К РАЗМЫВУ ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Работа в горных породах четвертой категории является наиболее сложной задачей. Разрезы представлены слабосцементированными, рыхлыми песчаниками, суглинками и др. Основным негативным фактором при работе в таких породах является буровой раствор. Воздействие потока бурового раствора может сопровождаться уменьшением диаметра керна из-за размыва, сильной его фильтрацией в керн, низким выносом.
Для повышения качества при работе в рыхлых и склонных к размыву горных породах была внедрена технология «CleanCore» (англ. – «чистый керн»). Это комплекс оборудования (рис. 3), состоящий из бурильной головки, комплекта кернорвателей специальной формы и комбинации пружинного кернорвателя с цанговым. За счет очень короткой кернообразующей части бурильной головки и комплекта кернорвателей со специальным щелевым уплотнением минимизируются время воздействия и объем бурового раствора на керн. Форма бурильной головки и насадки распределяют основной поток бурового раствора в сторону. А кернорватель пружинного типа обеспечивает надежную фиксацию керна при подъеме на поверхность.
ОСЛОЖНЕНИЯ ПРИ СПУСКЕ КОМПОНОВКИ ДЛЯ ОТБОРА КЕРНА 
Ввиду особенностей строения некоторых разрезов горных пород нередки случаи появления осложнений при проводке скважины, в виде осыпей и обвалов. Такие осложнения во время отбора керна приводят к скоплению шлама в призабойной зоне или на наклонно-направленных участках. В результате при спуске компоновки шлам попадает в керноприемную трубу, он препятствует свободному поступлению керна, что приводит к заклинкам, разрушению и низким выносам.
При использовании технологии со сбросовым шаром без изолирующей жидкости есть возможность произвести промывку керноприемной трубы до сброса шара. В случае применения технологии с изолирующей жидкостью произвести промывку керноприемной трубы невозможно. Так же попадание шлама при спуске означает преждевременный контакт изолирующей жидкости с буровым раствором и загрязнение им керна.
Для решения проблем зашламования керноприемной трубы нами разработана клапанная система для защиты керна от шлама и бурового раствора (далее пробка башмака). Это специальный пакер (рис. 4), который устанавливается в комплекте кернорвателей. Пробка башмака изолирует керноприемную трубу, защищает ее от попадания шлама, позволяя сохранить изолирующую жидкость в течение спуска компоновки.
На месторождениях Ханты-Мансийского автономного округа в районе города Нягань в интервалах ниже абалакской свиты возникают проблемы с зашламованием керноприемной трубы. После внедрения пробки башмака на этих месторождениях в 2017 г. было отобрано более 600 м керна со средним выносом 100 % и не зафиксировано ни одного долбления с попаданием шлама в керноприемную трубу. Удалось увеличить проходку до 36 м за рейс.
С 1999 г. компания ООО НПП «БУРИНТЕХ» работает над совершенствованием техники и технологии отбора керна. С уверенностью можно сказать, что сегодня мы не уступаем ведущим мировым сервисным компаниям и способны отобрать качественный керн в любой точке земного шара.