Инструмент для отбора керна

Лекция 8 Инструмент для отбора керна 1 Значение отбора керна в разведочном бурении скважин Отбор образцов горных пород в виду столбика (колонки), называемом керном играет существенную роль на всех стадиях разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. Изучение геологического строения массива горных пород, подсчет запасов и составление проектов разработки залежей требует получения большого объема информации, который может быть также получен при помощи проведения географических методов исследований. Но в силу того, что керн является прямым источником информации о свойствах горных пород, его доля по данным работы [22], достигает 70-80 % от всего объема информации. Отбор керна производится при помощи керноотборного инструмента с бурильной головкой, разрушающей породу по кольцу у стенки забоя с сохранением центре скважины столбика керна. Для этого необходимо выполнить следующие операции [23]:  Разрушение породы по кольцу для образования столбика керна;  Продвижение керна в керноприемную трубу для сохранения его во время рейса;  Отделение столбика керна от забоя при необходимости подъема инструмента;  Подъем керна на устье;  Извлечение колонки керна из керноприёмной трубы наклоном её и лёгким постукиванием. 3.7.2 Эффективность отбора керна Установлено, что эффективность отбора керна зависит от четырех групп факторов [24]:  Геологические;  Технические;  Технологические;  Организационные. Геологические (природные) факторы. При бурении опорных, поисковых скважин керн отбирается из глинистых, обломочных, карбонатных, а так же из кристаллических пород фундамента. При проходке разведочных скважин основной объем отбираемого керна производится из терригенных и карбонатных породколлекторов. На сохранность керна существенное влияние оказывают влияние такие физико-механические свойства отбираемых пород, как твердость, 160 прочность, пористость, трещиноватость, пластичность, упругость, которые в свою очередь зависят от структуры, текстуры, состава и структуры цемента, минерального и гранулометрического состава пород. Химический состав минералов и цемента должен быть нейтральным по отношению к буровому раствору. При отборе керна из разреза, сложенного многолетнемерзлыми породами необходимо принять меры для предупреждения растепления и саморазрушения пород. В этом случае охлажденные буровые растворы с низкой теплопроводностью, например, полимерглинистые или буровые агенты типа пен или газа. Известны случаи использования для отбора керна из многолетнемерзлых пород специальных установок с замораживанием керна. Во всех случаях керн необходимо помещать в специальных каналы, для сохранения его в условиях отрицательных температур. Все геологические факторы должны быть учтены классификацией пород по сложности отбора керна. Ныне известны классификации Алексеева Ю. Ф., Волкова С. А., Панова Б. Д. и Бакулина В. Г., Булнаева И. Б., Шрейнера Л. А. и Симонянца Л. Е. В практике разведочного бурения на нефть и газ пользуется признанием классификация, разработанная сотрудниками ВНИИБТ, которая приведена в таблице 3.4. Данная классификация помогает правильно выбрать вид керноотборного инструмента, бурильную головку, тип кернорвателя и в определенной степени определить режим бурения. В целом это будет способствовать эффективности работ по отбору керна. Следует отметить, что классификация, разработанная в начале 70-х годов прошлого столетия, имеет определенные неточности. Например, рекомендованные в ней для отбора керна в породах 4 категории керноотборное устройство «Плутон» так и не было создано. Очевидно, вместо него следует применять устройство с изолированным керном типа КИ, КИМ отечественного производства или керноотборное устройство с резиновым керноприемником фирмы Norton Christensen. Технические факторы Основной технической характеристикой отбора керна служит вынос керна Вк, то есть количественный показатель качества отбора (%) Bk  Hk 100 , Hp где Нк – длина отобранного керна; Нр – длина пройденного ствола скважины за рейс. 161 (3.2) Для обеспечения высокого выноса керна керноотборное устройство должно соответствовать следующим техническим требованиям [24]:  Обеспечение защиты керна от размыва струей бурового раствора во время бурения;  Сохранение керна в керноприемной трубе от воздействия её вращения;  Исключение всех видов колебаний корпуса инструмента и керноприемника;  Обеспечение надежности захвата керна по окончанию рейса. 162 Таблица 3.4 - Классификация горных пород по сложности отбора керна Катег ория пород I 177 II III IV Характеристика состояния горной породы Монолитные, слаботрещиноватые, не размываемые буровым раствором и не набухающие, не разрушаемые вибрациями керноотборного инструмента Трещиноватые перемежающиеся, слабо размываемые буровым раствором, мало разрушаемые вибрациями Весьма трещиноватые перемежающиеся, размываемые буровым раствором, разрушаемые вибрациями керноотборного инструмента Рыхлые, перемятые и плывучие, высокопористые, растворяющиеся в буровом растворе Условный диаметр керноприем ника Керноприемное устройство Бурильные головки Кернор ватель Турбодолота, со съемным керноприемником, для высокооборотного бурения Шарошечные, режущего действия, (ИСМ) алмазные Цангов ый и рычажк овый Средний С несъемным керноприемником для низкооборотного бурения «Недра», «Симур» Шарошечные, режущего действия (шарошечные, лопастные, ИСМ алмазные Цангов ый и рычажк овый Большой С несъемным керноприемнком, для низкооборотного бурения серии «Кембрий» Режущего действия (лопастные, шарошечные, алмазные, ИСМ) Рычажк овый Средний Специальное с эластичной керноприемной камерой для низкооборотного бурения типа «Плутон» Режущего действия (лопастные, алмазные, шарошечные, с операжающим керноприемом) Без кернор вателя Малый 163 Технический уровень керноотборного устройства определяется такими параметрами, как коэффициенты керноотбора и керноприема. Коэффициент керноотбора (кернообразования) К0 равен отношению диаметра выбуриваемого керна dk к диаметру скважины Dc K0  dk  0,40. Dc (3.3) Известно, что с увеличением диаметра керна – увеличивается его поперечное сечение, а следовательно и прочность. По данным Брентли Д. Е. [26] прочность керна из твердых пород пропорционально кубу его диаметра. Следует добавить, что K0 является главной технической характеристикой керноотборного устройства. Коэффициент керноприема kп характеризует соотношение диаметра керна dk и расстояние от керноприема до забоя скважины h. kn  dk  0,70. h (3.4) В керноотборных устройствах с использованием шарошечных бурильных головок Kn обычно равен 0,5-3,8. Технологические факторы Технология отбора керна включает планирование, контроль элементов технологии геологической службой, выполнение технологических параметров и соблюдение их выполнения буровой вахтой. К технологическим факторам следует отнести:  Режим бурения;  Качество подготовки забоя и ствола скважины;  Выбор компоновки низа бурильной колонны (КНБК). К фактору «режим бурения» отнесены не только параметры режима бурения, такие как осевая нагрузка, частота вращения, количество и качество промывочной жидкости, но и показатели бурения, включающие проходку за рейс и механическую скорость бурения. При изучении влияния осевой нагрузки на бурильную головку установлено, что оно имеет сложный характер, так как в каждом случае при определенном сочетании бурильной головки, режима бурения и разбуриваемой горной породы имеется определенная осевая нагрузка, при которой вынос керна максимален. 190 Почти аналогичный вывод следует из рассмотрения вопроса о влиянии частоты вращения бурильной головки на вынос керна. Общий вывод заключается в том, что при отборе керна всегда находится такое сочетание вышеупомянутых факторов, при котором находится частота вращения, при которой вынос керна наибольший. Панов Б. Д. и Бакулин В. Г. установили, что при прочих равных условиях решающее влияние на эффективность отбора керна влияет механическая прочность отбираемых пород [23, 24, 25]. Влияние количества промывочной жидкости на вынос керна во многом зависит от способа вращения керноотборного устройства. При роторном способе вращения, по мнению многих специалистов, вынос керна возрастает при увеличении расхода бурового раствора до определенного предела, после чего происходит снижение сохранности керна в керноприемнике. При применении подвески керноотборного устройства на вал турбобура или ВЗД, как это делается в подавляющем большинстве буровых организаций в Западной Сибири, влияние расхода бурового раствора носит сложный характер, так как на привод ГЗД расходуется существенное количество промывочной жидкости, влияющее на эффективность бурения с отбором керна. При планировании расхода бурового раствора во всех случаях должно быть выполнено условие достаточности промывки для хорошей очистки забоя от шлама. Анализ влияния качества бурового раствора на вынос керна показывает то, что такие показатели как водоотдача, вязкость, плотность, наличие смазочных добавок оказывают на керн прямое воздействие. Увеличение водоотдачи при увеличении фильтрации бурового раствора в поры керна существенно снижает его прочность и вынос. При повышении вязкости в первые моменты отбора керна его вынос увеличивается, но во второй части рейса при падении механической скорости и следовательно при увеличении времени воздействия бурового раствора на керн вынос его уменьшается. Увеличение плотности при отборе керна в глубоких скважинах приводит к снижению его выноса. Увеличение смазочных добавок положительно влияет на эффективность отбора. Величина проходки за рейс оказывает сложное влияние на вынос керна. При бурении в рыхлых, высокопористых, малоустойчивых породах уменьшение длины рейса может быть эффективным. При отборе керна в устойчивых породах с использованием современных керноотборных устройств, рекомендуется применять двух- и трехсекционные устройства, то есть длину рейса увеличивать [23, 24]. 191 Качество подготовки забоя скважины перед отбором керна в некоторых случаях оказывает существенное влияние на эффективность работ. Наличие на забое металла может привести к истиранию керна или заклинке его в керноприёмной трубе. Перед отбором керна необходимо включать в КНБК шламометаллоуловитель, а суженные участки ствола проработать. Организационные факторы Организация отбора керна является одним из главных факторов, обеспечивающих эффективность работ. При этом выполняются следующие мероприятия [24]:  Обучение членов буровых бригад совершенным методам отбора керна;  Обеспечение буровых бригад наиболее совершенным керноотборным инструментом;  Составление детально разработанного плана работ по отбору керна с указанием конкретных исполнителей по каждому этапу работ, срокам выполнения;  Организация контроля за выполнением плана и технологии отбора керна  Применение прогрессивной оплаты труда за высокие показатели работ при отборе керна. 2 Керноотборные инструменты В практике геологоразведочных работ керноотборное устройство носит немало различных названий. Это колонковый снаряд, двойной колонковый набор, колонковое турбодолото, шпиндель универсальный керноотборный и т.д. Керноотборные инструменты совершенствовались вместе с совершенствованием бурового дела. В 19 веке при всеобщем распространении ударного способа бурения геологические службы довольствовались отбором разрушенной горной породы (шлама) из желонок, но при этом получение такой информации, как пористость, проницаемость, нефтенасыщенномть, содержание остаточной водонасыщенности в породах не представлялось возможным. При переходе на вращательное бурение использовались примитивные инструменты для отбора образцов пород. По данным Брентли Д. Е. [26], Копылова В. Е. [6] первые устройства были следующие: 1 Ложковый бур. Это стальной цилиндр с вертикальной прорезью и скошенным внизу режущим лезвием, которым и осуществляется разрушение мягких горных пород при углублении. Инструмент называют 192 также «буровой ложкой». Следует отметить, что этот инструмент почти без изменений применяется до сих пор при бурении неглубоких инженерно-геологических скважин. 2 Трубный паук, изготовленный из бурильной трубы. На нижнем конце ее при помощи ножовки или ацетиленовой резки вырезают зубья. При осевой нагрузке и вращении с малым расходом бурового раствора, или без него, конец трубы погружается в породу, зубья загибаются и захватывают керн. 3 Дробовый бур, представляющий собой одинарную колонковую трубу с дробовой колонкой. При вращении дробь разрушает по кольцу горную породу, образуя столбик керна, который заклинивается в коронке гвоздями, крупными частицами твердых горных пород единовременно добавляемых в буровой раствор. Первым изобрел, изготовил и применил во Франции керноотборное устройство, наиболее близкое по конструкции к современному инструменту, инженер Г. Лешо в 1863 г. Несколько ранее он разработал вращательный способ бурения взрывных скважин в горнорудной промышленности. Впервые в составе керноотборного устройства была применена буровая коронка, оснащенная алмазными резцами. Только в начале 20-х годов прошлого столетия идеи Г. Лешо, усовершенствованные на предприятиях добычи рудных полезных ископаемых, привлекли внимание специалистов нефтяной промышленности. Началась новая эра модернизации керноотборных устройств ведущими нефтяными фирмами США. Россия не участвовала в этой работе вследствие разрухи народного хозяйства, вызванной первой мировой войной, а затем и гражданской войной. В 1963 г. в ВНИИБТ была создана лаборатория колонкового бурения и инструмента, ставшая центром для создания новых типов керноотборных инструментов. Были разработаны такие керноотборные устройства для роторного способа, как колонковые снаряды СК, КАЭ2, ДКИР, 1В-ДК, КДЗ. В УФНИИ был создан двойной колонковый набор «Уфимец» (ДКНУ). В 1972 г. на основе снарядов КДЗ и ДКНУ разработано унифицированное устройство серии «Недра», получившее широкое распространение в практике геологических работ. Параллельно в СССР развивался турбинный способ отбора керна. Созданные в пятидесятые годы прошлого века специальные турбобуры с полым валом, в котором размещался керноприемник, назвали колонковым долотом (КТД). КТД имело следующие преимущества:  Сравнительно высокая механическая скорость проходки. Например, этот показатель в Главтюменьгеологии при работе КТД-4С-172 193 достигал 1,9-2,5 м/ч против средней механической скорости с керноотборным устройством «Недра» кд11 164/80 1-1,4 м/ч [12];  Наличие съемной грунтовки, что существенно увеличивало рейсовую скорость бурения;  Возможность включения в компоновку бурильной колонны труб ЛБТ из алюминиевых сплавов, обычно используемых при турбинном бурении сплошным забоем. Благодаря таким факторам в Главтюменьгеологии в середине восьмидесятых годов из общего объема бурения с отбором керна 37 тысяч метров в год на турбинный способ приходилось 17 760 метров, то есть несколько менее половины всего объема. Колонковые турбодолота имели так же существенные недостатки [20]:  Низкий вынос керна. На некоторых разведочных площадях Тюменской области вынос керна при турбинном бурении составляет 25-40 % против 50-60 % при роторном приводе. Ранее мы отмечали, что главной характеристикой любого керноотборного устройства является коэффициент керноотбора (кернообразования) К0, который должен быть равным не менее 0,40 [27] Лучшее из колонковых турбодолот КТД4С-172 имеет К0=0,25, поэтому ясно было еще при проектировании, что это керноотборное устройство несовершенно.  Частый выход из строя КТД. Например, межремонтный период КТД4С-172 составляет 30 часов. В объединении «Мегионнефтегазгеология» в среднем расходовали 1,5 керноотборных устройства на одну скважину. Следует также отметить, что межремонтный период секционных турбобуров, используемых при сплошном бурении скважин, в 3-4 раза превосходит межремонтный период КТД, изготовленного на основе этого типа турбобуров. В конце восьмидесятых годов КТД оказались невостребованными производством, поэтому в настоящей работе не описываются. В настоящее время в стране производятся только керноотборные устройства для бурения ротором или с подвеской его на вал гидравлического забойного двигателя:  Серии «Недра» для отбора керна в породах I и II категории трудности, то есть в неосложненных условиях. Это устройство керноотборные роторные типов УКР-122/52, УКР-138/69, УКР-164/80, УКР-203/100. Первая цифра шифра УКР обозначает диаметр скважины, вторая – диаметр керна в мм.  Серии «Кембрий» для отбора керна в рыхлых, слабо сцементированных, размываемых буровым раствором, III категории пород по трудности отбора керна. Это УКР-172/100, УКР-127/67, УКР-122/67. 194  Серии «Силур» применяется в интервалах горных пород, осложненных прихватами бурильных колонн. Эта серия керноотборных устройств включает УКР-114/52, УКР-146/80.  Серии «Тенгиз», предназначенных для отбора керна в условиях наличия нефтегазоводопроявлений и поглощений буровых растворов. Представлена одним типом устройства УКР-185/100. Схематическое устройство приведенных керноотборных устройств показано на рисунке 3.90. Рисунок 3.90 - Схематическое устройство керноотборных устройств 195 Конструкция регулировочной головки 1 существенно отличает комплекс описанных керноотборных устройств от известных ранее. Благодаря головке достигается регулирование зазора между башмаком кернорвателя и бурильной головкой без подъема керноприемной трубы 4. Узел шарикоподшипника 2 позволяет предотвращать вращение керноприемной трубы 4 с кернорвателем во вращающимся корпусе 3. Шаровой клапан 5 предотвращает размыв керна струей бурового раствора. Важным усовершенствованием устройства является применение съемного эжектора, монтируемого вместо шара 5, для создания в керноотборном устройстве обратной промывки. Это конструктивное решение позволяет повысить вынос керна за счет предотвращения заклинки керна в верхней части керноприемника скопившимся буровым шламом. Базовой моделью всех описанных устройств является двухсекционное устройство, но «Недра», «Силур» используются также в односекционной и трехсекционной сборках, длиной 8, 16, 24 м и больше. Что касается степени совершенства керноотборных устройств серий «Недра» и «Кембрий», то коэффициент керноотбора К0 соответственно равен: «Недра», «Силур» - К0=0,37-0,38; «Кембрий» - К0=0,47-0,49. Заметим, что коэффициент керноотбора К0 должен быть К0>0,40, то есть в конструкции керноотборного устройства «Кембрий» это условие соблюдено. Коэффициент керноприемка Кп, характеризующий отношений диаметра керна к расстоянию от керноприема до забоя скважины, который должен быть Кп>0,7 у современных керноотборных устройств равен: - керноотборные устройства «Недра», «Силур» Кп=0,5 - керноотборное устройство «Кембрий» Кп=7,0-10,0. В печати опубликованы материалы о разработке новых керноотборных устройств из серии «Недра», например УКР-172/80-100 «Лайнер» с пластиковым вкладышем, УКР-195/120 «Риф» для отбора керна из рыхлых, сыпучих, сильно трещиноватых пород. Для отбора керна из интервалов трещиноватых пород, склонных к самозаклинке в керноприемной трубе, в ВНИИБТ разработано керноотборное устройство магазинного типа серии МАГ, приведенное на рисунке 3.91. Устройство может быть использовано с приводом от ротора или с подвеской на вал ГЗД. Устройство серии МАГ включает бурильную головку 1, разрушающую горную породу кольцевым забоем, керноприемную трубу 4 с кернорвателем и керноломом 2, переводник 3 для фиксации керноприемной трубы 4. Частицы керна, изломанные керноломом, по керноприемной трубе 4, по изогнутой керноприемной трубе 5 частью потока бурового раствора поднимаются в магазин в корпусе 6. Кроме того, цифрой 7 обозначена юбка для изменения направления обратного потока, специальный переводник для обратной 196 промывки 8. Над переводником 8 размещается утяжеленная бурильная труба 9 с отверстиями. Далее труба с опорной плитой 10 и узел обратной промывки 11. Рисунок 3.91 – Керноотборное устройство магазинного типа серии МАГ Важным этапом создания новой техники отбора керна повышенной информативности является разработка керноотборных устройств с изоляцией керна при бурении с раствором на водной основе. Разработанные в 80-90-х годах прошлого столетия в ЗапСибБурНИПИ под руководством Хайруллина Б. Ю. керноприемники изолирующие, маслонаполненные серии КИ, примененные на скважинах Уренгойского, Песцового, Берегового, Колик-Еганского и Ван-Еганского месторождений позволили получить увеличение выноса керна в рыхлых, слабоцементированных породах с 15-30 % до 82,5 %. На рисунке 3.92 приведено керноотборное устройство КИС. Цифрой 1 обозначена пробка для изоляции внутренней полости керноприемника после его заполнения изолирующим агентом 3. 197 Керноприемник 4 подвешен на шаровой опоре 2. В нижней части керноприемника размещены кернорватели рычажковый (6) и цанговый (7). Корпус 5 снабжен центраторами 10 для предотвращения его поперечных колебаний. Внизу корпуса размещена бурильная головка 8 и диафрагма 9 для изоляции внутренней полости керноприемника от бурового раствора. После подъема керноотборного стройства на устье керн извлекается из керноприемника и размещается в пластиковых пеналах и ящике для хранения и транспорта в лабораторию (рисунок 3.92б). Основные параметры КИС приведены в таблице 3.5. Рисунок 3.92а - Керноотборное устройство КИС 198 Рисунок 3.92б – Пластиковые пеналы Таблица 3.5 - Основные параметры КИС Обозначение снаряда Характ еристик и КИС – 114/ 67 КИС – 127/ 80 КИС – 172/100 КИС – 2 – 172/100 КИС – 195/100 КИС – 2 – 195/100 КИС – 168/100 КИС –3– 168/ 100 Диамет р скважи ны (бургол овки) минима льный, мм 120,0 139,7 187,3 212,7 187,3 212,7 212,7 212,7 212,7 212,7 Диамет р керна, мм 67 80 100 100 100 100 100 100 Диамет р корпус а, мм 114 127 172 172 195 195 168 168 199 Диамет р центрат оров корпус а, мм нет 138,10,4 185,70,5, 211,1-0,5 185,7-0,5, 211,1-0,5 211,1-0,5 211,1-0,5 211,1-0,5 Тип подвеск и Маслонаполненная, герметичная, на подшипниках качения Способ бурени я Роторный и турбинный Масса, кг 250 300 800 1500 1000 1800 1000 211,10,5 1800 В работе [27] сообщается, что на основе КИС разработаны модификации керноотборного устройства с включением в устройство кольматирующего переводника. Новым устройствам присвоены шифры КИК 172/80 и КИК 195/100. Устройство керноприемное «Структура» УКС-178/60-80 разработано для отбора керна из донных отложений на морских акваториях. Предусмотрено два варианта отбора керна:  с помощью динамического гидровдавливания в породу гидравлического поршневого породоотборника ГПП;  роторным способом с керноприемником диаметром 80 мм. Первый вариант отбора представлен на рисунке 3.93 устройство состоит из бурильной головки 1 размером 219,7/80 мм, пробноотборной трубы 2 с пластиковым вкладышем для снижения сопротивления движению керна, корпуса 3, полированного штока 4, с соединенным с ним фиксатором 8, силового поршня 5, размещенного на верхней части пробоотборной трубы 7, фиксаторы 8, на котором подвешен весь механизм ГПП, и грибообразной головки 9 для последующего захвата шлипсом. ГПП в сборе сбрасывается в бурильную колонну, внизу которой уже размещен корпус устройства с бурильной головкой. 200 Рисунок 3.93 – Первый вариант отбора При подаче насосами воды давление перед силовым поршнем возрастает и штифты, крепящие поршень к штоку, срезаются и поршень с пробоотборной трубой передвигается вниз, внедряясь в породу. Рейс завершается спуском ловителя с захватом за грибообразную головку 9. Техническая характеристика УКС-178/60-80 приведены ниже:  наружный диаметр корпуса, мм 178  максимальный диаметр съемной грунтоноски, мм 99  диаметр керна, мм 57,88  длина керноприёмника, мм не мене 2000  длина керноприемного устройства, мм не более 3800  рабочее давление под поршнем, МПа 2,0-10,0 Кернорватели Для отрыва керна от забоя и удержания его в несъемной трубе используются специальные устройства, называемые кернорвателями. Разработанные в ВНИИБТ [23, 24] кернорватели для керноотборных устройств Недра и Силур представлены на рисунке 3.94 а, б, в соответственно. На рисунке 3.94а изображена компоновка кернорвателей КЦР-7, на рисунке 3.94б КЦР-9 и на рисунке 3.94в кернорватель рычажковый Р-26. 201 Рисунок 3.94 – Кернорватели Компоновки КЦР-7 и КЦР-9 состоят обе из цангового и рычажкового кернорвателя, причем верхним устанавливается рычажковый. Цанговый кернорватель предназначен для отбора керна в твердых, крепких и породах средней твердости. Конструктивно это пружинящее коническое кольцо, внутренние кромки (шлицы) которого наплавлены крупнозернистым твердым сплавом. Нижняя часть кольца снаружи выполнена в виде конуса. При выбуривании керна последний, проходя через цангу, поднимает ее вверх, перемещая в наиболее полную по диаметру часть башмака (корпус кернорвателя). При этом керн беспрепятственно проходит в керноприемник. При подъеме керноотборного устройства столбик керна, оставаясь на какой-то момент неподвижным, обхватывается цангой из-за поднимающегося вверх совместно с устройством башмака. Следует отметить, что внутренний диаметр цангового кернорвателя по выступающим кромкам, захватывающим керн, должен быть на 1-2 мм меньше предполагаемого диаметра керна. Рычажковые кернорватели применяются при отборе керна в мягких и средней твердости породах. Они состоят из обоймы, рычажков (кулачков), пружин, откидывающих рычажки в горизонтальные положения. Рычажковый кернорватель скорее всего выполняет роль кернодержателя при подъеме керноотборного устройства к устью. 202 Заметим, что в качестве кернодержателей иногда используются резиновые элементы. Компановка КЦР-7 (рисунок 3.94а) имеет эксцентричную обойму. Рычажки выполнены разной длины. Компоновка КЦР-9 (рисунок 3.94б) снабжена кернорвателем Р-18П с тремя длинными и тремя короткими рычажками М – образной формы. Кернорватель Р-26 (рисунок 3.94в) применяется при отборе керна керноотборным устройством «Кембрий». В кернорвателе три длинных и три коротких рычажка с клиновидной по сечению формой почти полностью перекрывающие керноприемную полость – и сохраняющие керн, представленный трещиноватыми, рыхлыми, размытыми буровым раствором породами. В кернорвателях рычажкового вида любых типов, во время поступления керна рычажки керном отклоняются в окна корпуса кернорвателя. Кроме вышеописанных известны лепестковый и пружинный кернодержатели. За рубежом их выпускают фирмы ДБС, TSK и др. Лепестковый состоит из тонких пластинок-лепестков, собранных в виде купола, в который входит керн, раздвигая лопасти. Пружинный представлен утолщенными пластинами, собранными также в виде купола. Число пластинчатых пружин обычно 5-6. В нашей стране лепестковые кернодержатели выпускаются штучно в мастерских по заказам буровых мастеров. Отметим также то, что за рубежом выпускаются цанговые кернорватели, у которых цанга имеет не одну, а 10-12 сравнительно небольших по ширине прорезей. Ранее подобная цанга использовалась в двойном колонковом наборе «Уфимец». 3 Зарубежные керноотборные устройства За рубежом широко применяют эффективные устройства фирм «Нортон кристенсен», «ДБС», «Диама Борт». Например, в мировой практике широко известно керноотборное устройство с наемным керноприемником серии 250П (рисунок 3.95), с помощью которого успешно отбирали керн на ряде нефтяных месторождений в России. 203 Рисунок 3.95 – Керноотборное устройство с наемным керноприемником серии 250П Устройство состоит из предохранительного переводника 1 с крупной ленточной резьбой 2 для отсоединения в случае прихвата корпуса 6. Керноприемник 8, имеющий шариковый обратный клапан 5, подвешен на шаровой опоре 3. Корпус имеет два стабилизатора 4 и 7. Нижняя часть имеет кернорватель 9. Разрушение породы производится бурильной головкой 10. Как видно из рисунка керноотборное устройство 250П близко по конструкции к устройству серии «Недра». Сообщается, что после 204 некоторой модернизации с помощью 250П возможен отбор ориентированного керна. Фирма «Нортон Кристенсен» выпускает также керноотборное устройство серии 300 со съемным керноприемником (рисунок 3.96). Устройство включает грибообразную головку 1 для захвата и подъема керноприемника 5. Керноприемник подвешен в корпусе 4 на шаровой подвеске 2. Верхняя часть керноотборника снабжена дренажным шаровым клапаном 3. В устройстве имеется так же кернорватель 6 и бурильная головка 7. Рисунок 3.96 – Керноотборное устройство серии 300 со съемным керноприемником Фирмой ДБС, разработано керноотборное устройство для отбора керна из высокопористых нефтенасыщенных пород (рисунок 3.97). Специалисты фирмы считают, что без изоляции керна, при доступе к нему бурового раствора на водной основе, а также при извлечении керна из керноприемной трубы, в воздух испаряется до 50 % нефти, содержащийся в порах керна. А это приводит к тому, что в геологических материалах 205 появляется неверная нефтеносного пласта. информация о продуктивности изучаемого Рисунок 3.97 – Керноотборное устройство для отбора керна из высокопористых нефтенасыщенных пород Устройство включает бурильную головку 1, керноприемник 2, вспомогательный керноприемник 3, гнездо плунжера 4, колонковая труба 5, плунжер 6, стабилизатор 7, корпус 8, алюминиевая втулка 9, губчатый пористый материал 10, фиксаторы 11. Во время рейса с отбором керна происходит отток из керна нефти и воды в губчатый пористый материал 10, находящийся в алюминиевой втулке 9. При подъеме керноотборного устройства, с забоя до устья, происходит падение давления от пластового до атмосферного, при этом газ, находящийся в образце породы, увеличивается в объеме, стремясь вытолкнуть нефть и воду в губчатый материал. 206 Устройство помогает уловить ценные фазы насыщения нефти и воды, которые безвозвратно теряются при отборе керна обычными керноотборными устройствами. За рубежом разработан и широко применяется ряд таких керноотборных устройств, как:  Для отбора керна в рыхлых пористых перемятых породах устройство со складывающимся керноприемником в виде эластичного резинового рукава (фирма «Нортон Кристенсен»);  Устройство для отбора керна в морских скважинах, близкое по конструкции к описанному нами устройству 250П. Оно имеет керноприемник, изолированный от бурового раствора. Отличается от устройства 25П более высокой прочностью всех узлов (фирма «Нортон Кристенсен»);  Для отбора керна из сложнопостроенных залежей применяется устройство с ориентированным отбором керна (фирма ДБС). Следует отметить то, что отечественные системы для ориентированного отбора керна эффективно применяются при бурении колонковых скважин на рудных месторождениях. Накоплен большой опыт отработки этих систем, не востребованной нефтяной и газовой отраслями нашей страны. Кроме описанных нами устройств за рубежом широко применяются керноприемники из различных материалов, имеющих низкий коэффициент трения, что важно при продвижении керна в колонковой трубе. Прежде всего это керноприемники из стеклопластика, фибергласа, алюминия, специальных пластмасс. В некоторых случаях в стальном керноприемнике помещают вкладыш одного из вышеперечисленных материалов. 4 Бурильные головки В настоящее время в связи с отказом производственников от турбинных керноотборных устройств выпускаются только бурильные головки к устройствам без съемного керноприемника серии К. Из шарошечных находят применение бурголовки типа МСЗ, СЗ, СТиТКЗ, изготовленные ОАО «Уралбурмаш». Выпускаются в ограниченном масштабе бурголовки лопастные, алмазные, типа ИНМ (ИСМ). Широкое применения нашли алмазно-твердосплавные бурильные головки. Бурильные головки серии К типа М состоят из остова корпуса 2 с присоединительной резьбой 1. Последняя модификация (рисунок 3.98) бурголовки включает три ступенчатые лопасти с тангенциальным размещением относительно остова. Поверхности лопастей оснащены твердосплавными резцами ВК-3. Промывочные каналы (их девять в модификации на рисунке 3.98а) отведены от керноприемного отверстия. В модификации, представленной на рисунок 3.98 шесть промывочных отверстий, а лопасти размещены радиально относительно остова. 207 Бурильные головки типа М осуществляют режущее воздействие при разрушении мягких малоабразивных пород. Рисунок 3.98 – Бурильные головки типа М Бурильные головки серии К типа МСЗ (рисунок 3.99) относятся по способу разрушения к инструментам режущего действия. Они состоят из корпуса 1 с присоединительной резьбой. Бурильные головки МЗС диаметром 187,3м и больше имеют восемь шарошек, а диаметром 158,7/67 208 и менее – четыре. На рисунке изображена бурголовка К187,3/80 МЗС. Здесь каждая пара шарошек размещается на оси, закрепленная винтом 4. одна из шарошек является скважинообразующей – 3, вторая кернообразующей – 2. Четыре оси размещены в корпусе горизонтально по касательной относительно керноприемного отверстия в головке. Шарошки имеют твердосплавные клиновидной формы зубки 5, которыми разрушается горные породы по всей площади кольца. Шарошки имеют также вспомогательные зубки 6 для калибровки стенки скважины и керна. Оригинальность этой бурильной головки в том, что в процессе бурения шарошки вращаются и происходит непрерывный процесс смены зубков. Это достигается благодаря тому, что режущие кромки зубков расположены под углом 450 к образующей боковой поверхности шарошек, а направление зубков на скважинообразующих и кернообразующих шарошках противоположное. Рисунок 3.99 - Бурильные головки серии К типа МСЗ Бурильные головки типа МСЗ предназначены для отбора керна в мягких, с пропластками средней твердости малоабразивных пород. Промывка забоя производится через девять каналов, проходящих вблизи от керноприемного отверстия корпуса. Важным преимуществом бурильной головки является возможность просто и быстро заменить на буровой изношенные шарошки на новые. Бурильные головки серии К типа СЗ применяются для отбора керна в породах средней твердости мало- и среднеабразивных. В работе [23] её относят к инструментам режуще-дробящим с преобладанием резания. 209 Как видно, бурильная головка состоит из корпуса 1 и приваренного к нему ниппеля с присоединительной резьбой 6 на трех цапфах, направленных наружу, размещены полукруглые шарошки 2 с радиусом, равным половине диаметра бурголовки. Опора шарошки состоит из двух шарикоподшипников, в том числе один радиально упорный, и трех подшипников скольжения, два из которых радиальные и один упорный (рисунок 3.100). Для разрушения горных пород используются твердосплавные резцы клиновидной формы, причем режущая грань клина ориентирована по радиусу шарошек. На рисунке 3.101 показан общий вид двух модификаций бурильной головки типа СЗ. На рисунке 3.101а показана модификация, у которой периферийные венцы выполнены с фрезерованными крупными зубьями. Промывочная жидкость проходит к забою через каналы корпуса в промежутках между шарошками. На второй модификации промывочные каналы размещены над шарошками с направлением промывочной жидкости к забою по касательной к шарошкам. Последние имеют также пазы на поверхности шарошек, по которым промывка проходит к забою. а б Рисунок 3.101 - Общий вид двух модификаций бурильной головки типа СЗ Следует также отметить, что бурильные головки типа СЗ диаметром 212,7 мм и более имеют отрицательные смещения осей шарошек, что увеличивает скалывающий эффект в процессе разрушения горной породы при отборе керна. Бурильные головки типа СЗ широко применялись при отборе керна в разведочных скважинах «Главтюменьгеологии» и концерна «Тюменьгеология». Около 50 % из общего метража, пройденного с отбором керна, приходится на бурильные головки типа СЗ (ранее 6-8К.) 210 Бурильные головки серии К типа ТКЗ применяются при отборе керна в твердых с пропластками крепких абразивных пород. Устройство бурильной головки приведено на рис. 3.102 а и б. а б Рисунок 3.102 – Бурильные головки серии К типа ТКЗ Видно, что бурильная головка состоит из корпуса (наружняя секция 4 и внутренняя 2) и присоединительной муфты 5. Промывка забоя осуществляется буровым раствором, который проходит через отверстия 1 между шарошками. Разрушение забоя осуществляется слабоконическими шарошками с твердосплавным вооружением. Бурильные головки диаметром 187,3 и 212,7 выпускаются серийно в шестишарошечном исполнении. Бурильные головки меньших размеров выпускают опытными партиями с пятью шарошками. Внутренняя секция корпуса 2 имеет три цапфы и шарошки 3 выбуривающие керн, и три шарошки на цапфах наружной секции 4, разрушающие периферийную часть забоя. Опоры скважинообразующих шарошек имеют один радиальный и два осевых подшипника скольжения. Необходимо отметить, что поверхности цапф наплавлены твердым сплавом, что помогает, по мнению авторов разработки, самоустановке наружных шарошек по мере износа опор и сохраняет постоянным наружный диаметр бурильной головки. В лаборатории керноотборного инструмента и технических средств для бурения скважин ВНИИБТ предпринимались неоднократные усилия по модернизации бурильных головок типа ТКЗ. Например, на базе бурголовок с диаметром керна 100 мм разрабатывалась бурголовка с 211 комбинированным вооружением (вариант ТКЗ-5), разработка бурголовки ТКЗ с маслонаполненной герметизированной опорой, причем промысловые испытания новых устройств были успешными. Но в послеперестроечные годы работы не были продолжены. В геологоразведочных экспедициях Главтюменьгеологии накоплен значительный опыт бурения с отбором керна. Общий объем бурения до 37 тыс. метров в год. Расход бурильных головок более 3,5 тысяч. Основной объем бурения с отбором керна выполнен шарошечными бурголовками К189, 3/80 СЗ и к 212,7/80 СЗ. Менее 10 % метража с отбором керна пробурен бурголовками М, МСЗ, ТЗ, ТКЗ. Из алмазных наибольший объем пройден бурильными головками КСС 188,9/100 МС-1 с керноотборным устройством «Кембрий» СКУ-172/100. Испытания проводились в Правдинской, Красноленинской и Восточно-Мегионской НГРЭ на Тепловской, Мало-Балыкской, Крючковской, Пальяновской, Ем-Еговской, Ван-Еганской, Тагринской площадях. Основные результаты сравнительных испытаний приведены в таблице 3.6 [29]. Видно, что проходка на алмазную бурильную головку в 15 раз больше проходки на шарошечную головку. Механическая скорость бурения выше на 11 %, а вынос керна алмазными бурголовками на 14,6 % больше этого показателя, достигнутого с помощью шарошечных бурголовок типа СЗ. Алмазные бурильные головки выпускаются в нашей стране в ограниченном ассортименте. Это, прежде всего, КСС (рисунок 3.103а), предназначенная для разбуривания пород средней твердости с прослоями твердых средне абразивных пород. Устройство обычное: стальной корпус, твердосплавная матрица и алмазы, размещенные на шести секторах. Торцевая поверхность их оснащена поликристаллическими синтетическими термостойкими алмазами ПСТА в виде упавшей трехгранной призмы, а калибрующая поверхность - синтетическими алмазами СВС-П. На корпусе имеется шесть промывочных каналов. На рисунке 3.103б приведен рисунок трёх, сходных по внешнему виду, бурильных головок. Это бурильная головка типа КИ, что означает, что она предназначена для отбора керна (К – колонковая, И – импрегнированная). Три спаренных сектора ступенчатой формы вооружены природными алмазами, которые размещены с малой степенью упорядоченности в твердосплавном слое матрицы толщиной 6,5 мм. Внешняя бурильная головка КТСИ не отличается от КИ. Различия в том, что КТСИ армирована импрегнированными синтетическими, а не природными алмазами. 212 Таблица 3.6 - Основные результаты сравнительных испытаний Меха Коли Прохо ничес Проходка Бурильная Интервал, Проходка, честв дка на кая Вынос на б/г, головка м м о б/г, рейс, скоро керна, % шт. шт. м сть, м/ч КСС 188,9/100 МС-1 899-3350 549 157 5 К 187,3/80 СЗ 22033570 419 10,3 65 7 ,03 1 ,23 6 ,45 83, 2 1 ,06 67, 6 Рисунок 3.103 – Алмазные бурильные головки Бурильная головка типа КТ отличается от вышеописанных также вооружением. В этом случае ступенчатая поверхность торцевой поверхности вооружена природными алмазами, размещены однослойно. Бурильная головка типа КАП (рисунок 3.103в) является первой отечественной конструкцией бурильной головки, вооруженной алмазно- 201 твердосплавными пластинами (АТП) и алмазно-твердосплавными резцами (АТР). Бурильная головка типа КР (рисунок 3.102г) отличается радиальными способом размещения промывочных каналов. Предназначена для бурения с отбором керна в породах средней твердости и твердых малои среднеабразивных. Вооружение бурголовки однослойное с природными алмазами. Шесть спаренных секторов имеют ступенчатую (волнистую) поверхность с концентрическими выступами, на которых размещены алмазы. Выступы на соседних секторах смещены относительно друг друга для полного перекрытия забоя алмазами. В работе [23] отмечается, что твердосплавная матрица бурильной головки КР имеет высокую твердость и износостойкость, что позволяет ее применять в твердых среднеабразивных породах. Разновидность головки КРС в том, что она оснащена не природными, а синтетическими поликристаллическими алмазами. Испытания первой в истории нашей страны алмазно-твердосплавной бурильной головки КАП 214,3/80 МС, разработанной в лаборатории алмазного бурового инструмента ВНИИБТ, проводили в Правдинской НГРЭ производственно-геологического объединения «Хантымансийскнефтегазгеология». Бурильная головка состоит из стального корпуса с присоединительной резьбой, шести матричных секторов закругленной формы (рисунок 3.103в и рисунок 3.104). Алмазнотвердосплавные резцы диаметром 13,5 мм закреплены на рабочей поверхности пайкой. Калибрующие поверхности армированы синтетическими алмазами СВС-П и твердосплавными пластинами. Рисунок 3.104 - Бурильная головка из стального корпуса с 202 присоединительной резьбой Испытания проводились на Приобской площади на скважинах 271, 254, 400, 429 в интервале 2289,5-2745,1 м в породах готерив-баррема и валанжина, представленных переслаиванием плотных аргиллитов и песчаников с алевролитами. Породы относятся по твердости к средним с пропластками твердых [29]. Для отбора керна использовалось керноотборное устройство серии «Недра» КД11М190/80 в двухсекционном исполнении. Одновременно с испытанием бурголовки типа КАП проводился отбор керна с применением серийной алмазной бурголовки КТСИ 188,9/80 СЗ. Результаты сравнительных испытаний указаны в таблице 3.7, в которой приведены также средние показатели лучших из применяемых шарошечных бурголовок типа СЗ и ТКЗ. 203 Таблица 3.7 - Результаты сравнительных испытаний 203 Тип Интервал бурения, Число Проходк Механическая скорость, Вынос керна, бурильной м рейсов а, м м/ч % головки на рейс на б/г Серийные шарошечные бурголовки К 187,3/80 2000-2700 1 1 0,69 80,3 СЗ 0,4 0,4 К 187,3/80 2000-2700 0,91 76,2 ТКЗ 9 9 ,9 ,9 Серийная алмазная бурголовка КТСИ 2387-2470 6 5 3 0,45 75,8 188,9/80 ,8 5,0 СЗ Алмазно-твердосплавная бурголовка КАП 2289-2745 26 1 3 1,82 88,2 214,3/80 2,7 29,3 МС 201 Как видно из таблицы, показатели по алмазно-твердосплавной головке превышают показатели шарошечных и алмазных бурголовок:  По выносу керна на 7,9-12,4 %;  По механической скорости в 2 – 4 раза;  По проходке на бурголовку в 9-33 раза. Итоговые цифры испытаний убедительно свидетельствуют о большом преимуществе алмазно-твердосплавных бурголовок перед серийными алмазными и шарошечными. Широкое применение бурголовок с АТП позволяет на 10-15 % уменьшить время строительства разведочных скважин и существенно сократить эксплуатационные затраты на 1 метр бурения с отбором керна [29]. Настоящая революция в вопросе применения алмазнотвердосплавных бурильных головок произошла на границе 19-20 веков благодаря совместным усилиям специалистов ОАО «Сургутнефтегаз» и Научно-Производственного предприятия НПП «Буринтех» (г. Уфа). Разработанные в НПП алмазно-твердосплавные бурголовки типа БИТ стали почти единственным инструментом для бурения с отбором керна в разведочных и поисковых скважинах сургутян. Исключением из этого правила стало подсечение продуктивных пластов, сложенных твердыми с пропластками крепких абразивных пород. Например, в 2005 г. на одной из разведочных скважин на Рогожниковской площади при отборе керна в нефтенасыщенных вулканогенно-осадочных породах была вместо алмазно-твердосплавных применена шарошечная бурголовка типа ТКЗ и вынос керна уменьшился 85-95 % до 33 %. Это объясняется тем, что бурголовка ТКЗ имеет самый высокий коэффициент динамичности среди шарошечных бурголовок, а с алмазно-твердосплавными сравнения и не требуются. Для бурения с отбором керна в мягких с пропластками средней твердости породах применяются бурильные головки типа МС (рисунок 3.105). Увеличения выноса керна обеспечено плавным резанием породы алмазно-твердосплавными пластинами. Изображенная на рисунке бурголовка БИТ-140/67 МС имеет наружный диаметр 140 мм и диаметр керна 67 мм. 202 Рисунок 3.105 - Бурильные головки типа МС Вооружения бурголовки пятнадцать АТП диаметром 13,5 мм. Шесть промывочных каналов диаметром 12 мм отведены от керноприемного отверстия для предотвращения размыва керна. Рекомендуемый режим бурения:  Частота вращения – 60 – 120 об/мин;  Расход бурового раствора – 10 – 12 л/с;  Осевая нагрузка – 2 – 3 т. Широкое применение нашли для бурения отбором керна в малоабразивных породах средней твердости бурильные головки типа С. На рисунке 3.106 приведена бурильная головка БИТ – 212/80С с наружным диаметром 212 мм и диаметром отбираемого керна 80 мм. Вооружение головки 44 АТП диаметром 13,5 мм. Промывка осуществляется через 8 промывочных каналов диаметром 15 мм. Рисунок 3.106 - Бурильная головка БИТ – 212/80С Рекомендуемый режим бурения: - частота вращения – 60 – 120 об/мин; - расход бурового раствора – 18 – 25 л/с; - осевая нагрузка – 2-7 т. Из всех применяемых в Приобье бурильных головок лучшие результаты получены с помощью бурголовок типа С2 (рисунок 3.107). Они предназначены для отбора керна в породах средней твердости перемежающихся пропластками твердых пород. Из этой группы бурголовок чаще других применялась бурголовка БИТ-212/100 С2. Она имеет следующую характеристику: - Наружный диаметр – 212 мм; - Диаметр отбираемого керна – 100 мм; - Число резцов АТП – 38 шт; - Количество промывочных отверстий – 8; - Диаметр отверстий – 16 мм; 203 Рекомендуемый режим бурения: - Частота вращения – 60 – 120 об/мин; - Расход бурового раствора – 18 – 25 л/с; - Осевая нагрузка – 2 – 7 т. Рисунок 3.107 - Бурголовки типа С2 Главное конструкционное отличие: бурголовка типа С2 от С в том, что первая оснащена дополнительными вставками с импрегнированными алмазами (на рисунке показаны стрелками). Это позволяет увеличить стойкость инструмента. Проведенными промысловыми испытаниями 37 бурильных головок установлен:  Средняя проходка на бурголовку составляет 99,4 м, то есть почти в 10 раз больше, чем у шарошечных;  Стойкость бурголовок типа С2 в 5,4 раза превосходит стойкость головок ТКЗ;  Механическая скорость у С2 почти вдвое выше скорости ТКЗ;  Вынос керна вырос с 59 до 87,2 %. 5 Зарубежные бурильные головки За рубежом шарошечные бурильные головки к началу 21 века имеют ограниченное применение. Например, компания «Секьюрити» предлагает шестишарошечную бурголовку, внешне схожую с российской бурголовкой ТКЗ, фирма «Диама Боарт» бурильную головку, по внешнему виду напоминающую отечественную головку типа СТ. Японская фирма TSK выпускает лопастную типа М, а также шестишарошечные головки, подобные ТКЗ. Производством бурильных головок алмазного и алмазнотвердосплавного типов занимается сравнительно небольшое число компаний. Лидирующие позиции занимают ДБС (Корпорация «Бароид»), «Кристенсен» (компания «Бейкер Хьюз»), «Диама Борт», «Кристалл Профор», «Рид-Хейкалог», «Хьюз Кристенсен» (компания «Бейкер Хьюз»), Секьюрити (корпорация «Дрессер») – и другие. Любая из перечисленных компаний производит головки для любого типа пород по твердости и абразивности. Заметим, что в России все три 204 организации, выпускающие инструмент для отбора керна (это НПП «Буринтех» г. Уфа, ОАО «Волгабурмаш», г. Самара, СП «Удол», г. Саранск) производят алмазно-твердосплавные бурильные головки для бурения мягких, мягких с пропластками средних, средней твердости и средней с пропластками твердых малоабразивных пород. Исходя из этого в этом разделе выделим компании, выпускающие бурильные головки для отбора керна в твердых, крепких, очень крепких абразивных породах. Анализ конструкций бурголовок выше перечисленных зарубежных компаний позволил выделить их конструкционные особенности, позволяющие вести отработку керноотборного инструмента в абразивных породах. Заметим, что при отборе керна в абразивных породах Т, ТК, К и ОК расход энергии для разрушения пород существенно увеличивается и в той же степени увеличивается объем тепла, влияющего на стойкость резцов. Заметим, что для сохранения стойкости инструмента в условиях повышенных температур вооружение зарубежных бурильных головок выполняется в виде: - из мелких природных алмазов; - с применением импрегнированных природных алмазов; - из термостойких самозатачивающихся поликристаллических резцов типов Балласет и Трипакс; - с использование термостойких поликристаллических алмазных резцов мозаичного типа. Необходимо также отметить, что все такие бурголовки изготавливаются с твердосплавной противоэрозионный матрицей. Из бурильных головок, оснащенных алмазами, необходимо отметить головку С 23 серии С фирмы «Нортон Кристенсен» (рисунок 3.108). Она предназначена для отбора керна в твердых плотных породах средней абразивности. Рабочая поверхность выполнена тороидальной с выступами 1 V-образной формы. Радиально-продольные каналы 2 разделяют уступы друг от друга. Поверхность матрицы волнообразная (мелкоступенчатая). Калибрующая поверхность матрицы оснащена также природными алмазами. 205 Рисунок 3.108 – Бурильная головка С 23 серии С Из бурильных головок серии С необходимо также отметить головку типа С 201, применяемую для отбора керна в средней твердости и твердых, средней абразивности породах. Фирма «Нортон Кристенсен» выпускает также бурильные головки серии SC, изготовленные на основе термостойких самозатачивающихся режущих элементов Балласет и поликристаллических синтетических алмазов. На рисунке 3.109 изображена бурголовка SC 226, применяемая для бурения с отбором керна в средней твердости с пропластками твердых и твердых среднеабразивных породах. Отличается биконическим профилем и узкими V-образными выступами, на которых в один ряд размещены режущие элементы в виде лежащей трехгранной призмы. Выступы 1 разделены радиально-продольными каналами 2. калибрующие и кернообразующие поверхности армированные природными алмазами 3. Режущие элементы показаны цифрой 4. Для улучшения промывки на калибрующей поверхности сделаны три отвода 5. 206 Рисунок 3.109 – Бурголовка SC 226 Кроме того, в серии SC необходимо отметить бурголовку SC 279, предназначенную для отбора керна в твердых, очень твердых, крепких и очень в крепких весьма абразивных породах (рисунок 3.110). Конструкция головки существенно отличается от других бурголовок данной серии. Торовидный торец вооружен синтетическими резцами-сегментами 1, которые насыщены тонкозернистыми импрегнированными алмазами. Как и у бурильной головки SC 226 кернообразующая и калибрующая поверхности армированы природными алмазами. Буровой раствор осуществляет промывку по каналам 2. Рисунок 3.110 – Бурголовка SC 279 В серии ZC бурильных головок фирмы «Нортон Кристенсен» применен комбинированный способ вооружения резцами РДС и мозаичными резцами (рисунок 3.111). 207 Рисунок 3.111 - Резцы РДС и мозаичные Применяются бурголовки этой серии в мягких, средней твердости, твердых абразивных породах. На рисунке представлена бурильная головка ZC 476. как и бурильные головки серий С, SC эта бурголовка защищена в калибрующей и кернообразующей поверхностях природными алмазами. В широком диапазоне выпускают бурильные головки французская фирма «Кристалл Профор». В серии С производится бурголовка С 600 (рисунок 3.112), предназначенная для отбора керна в твердых и очень твердых весьма абразивных породах, в том числе известняках, кварцитах. Бурголовка с твердосплавной матрицей в рабочий слой которой импрегнированны природные и синтетические алмазы. В этой серии необходимо отметить бурголовки С 400, С 500, применяемые для бурения с отбором керна соответственно в средней твердости абразивных и твердых абразивных породах. Бурголовки армированы природными алмазами зернистостью 1/6-1/10 карат на камень. 208 Рисунок 3.112 – Бурголовка С 600 Среди широкого диапазона бурголовок фирмы ДБС выделяются головки серии СВ и СТ, например бурголовка СВ 601 imp (рисунок 3.113). она предназначена для использования в очень твердых и крепких сильноабразивных породах. Округлые выступы, разделенные широкими промывочными каналами, армированы импрегнированными природными тонкозернитыми алмазами зернистостью 250 шт/карат. Рисунок 3.113 – Бурголовка СВ 601 imp Бурголовка типа СВ 401 имеет на вооружении природные алмазы размером 9-15 шт/карат (рисунок 3.114). Как видно из рисунка, она обладает симметричным торовидным рабочим торцом. Калибрующая 209 поверхность вставками. укреплена природными алмазами и твердосплавными Рисунок 3 114 - Бурголовка типа СВ 401 Как отмечалось ранее, фирма ДБС выпускает также бурголовки серии СТ, в которых для разрушения пород используется термостойкие поликристаллические самозатачивающиеся резцы Трипакс. 6 Инструмент для отбора керна из стенок скважины Наиболее значительную геологическую информацию при бурении скважин приносит отбор керна, описанный нами ранее. Большую пользу приносит комплекс геофизических методов исследования скважин, позволяющий уточнить расчленение разреза, выделение коллекторов и оценки нефте- и газонасыщенности. Однако, некоторые факторы, включающие определение проницаемости, исследования структуры порового пространства методами ГИС не исследуются. Во многом эти задачи решаются при применении отбора керна со стенок необсаженных скважин при помощи сверлящих керноотборников и стреляющих грунтоносов, обслуживание которых также осуществляется геофизической службой. Сверлящие керноотборники впервые были предложены Кухаренко Н.К. и Тираспольским И.Г. в 1945 году. Первая модель типа СГ во многом схожа с современными конструкциями керноотборников по схеме и функциональному назначению узлов механизма. Первые промышленные образцы сверлящих керноотборников типа СКО-8-9 были изготовлены на Октябрьском заводе «Нефтеавтоматика» (Башкирия) в 1969 году. Последующие конструкции типа СКМ-8-9 оказались значительно эффективнее чем керноотборники СКО прежде всего тем, что значительно увеличилась многоотборность за один спуск прибора в скважину (с 3 до 10), существенно улучшилась гидрозащита электродвигателя, система промывки бура и т.д. 210 Современная конструкция сверлящего керноотборника термостойкого имеет следующие узлы [30]: - электродвигатель, служащий для прижатия прибора к стенке скважины и для вращения, подачи и промывки бура; - буровой узел, перемещающийся по направляющимся колонкам, с буровой твердосплавной или алмазной коронкой, с цанговым кернорвателем и промывочным насосом; - керноприемная кассета; - шламосборник. Кроме того, прибор укомплектован пультом управления и комплектом буровых алмазных и твердосплавных коронок. Устройство сверлящего керноотборника серии СКТ [30] приведено на рисунок 3.115. От кабельной головки идет герметичный вход в свечной мост 1, соединенный с компенсатором 2 для выравнивания давления жидкости в приборе и скважине, и электродвигатель 3, который через блок приводов 4 выполняет свои функции по вращению и перемещению нужных узлов устройства. Через карданный вал 6 вращение передается буровому узлу 15, который может перемещаться по направляющим колонкам 14. Полость бура вмещает кернорватель. Бур 15 снабжен буровой коронкой. Корпус бура имеет пальцы 16, которые входят в пазы копирных линеек 12, соединенных с промывочным поршнем 21. Копирные линейки имеют связь гайкой 7 и ходовым финтов 13 блока приводов 4. В нижней части устройство имеет шламосборник, соединенный с буром обводным каналом 20. Для сбора кернов имеется керноприемная кассета 25, смонтированная на съемной крышке 24. Важное значение для функционирования устройства имеет система прижимных рычагов 23, которая включается в действие через водило 11, аварийный штифт 10 с кулачками гайки 9, которая размещается на винте 8 блока привода. Узел бура включается также механизмом отрыва керна, состоящим из деталей 17, 18,19. Имеется также тормозная система 5. 211 Рисунок 3.115 - Устройство сверлящего керноотборника серии СКТ В таблице 3.8 приведена техническая характеристика новых сверлящих керноотборников, разработанных ВНИИГИС в содружестве с НПП «Азимут» [27]. 212 Таблица 3.8 - Техническая характеристика новых сверлящих керноотборников Технические характеристики Диаметр исследуемых скважин, мм Максимальное число образцов отбираемое за спуск, шт Размер образцов, длина мм, диаметр мм Максимальная температура среды, ºС Максимальное давление в скважине, МПа Диаметр керноотборников, мм Длина керноотборников, мм Скат СКТ-3М КС-140-130 190-240 190-240 190-240 12 12 10 До 50 22 До 180 До 50 22-24 До 150 До 120 16-22 -//- До 100 До 100 -//- 145 145 140 2200 2200 2600 Кроме сверлящих керноотборников геофизической службой применяются боковые стреляющие грунтоносы типа ГБСН-125 (рисунок 3.116). Он состоит из корпуса 7 со ствольными каналами, бойков 8 с пороховыми зарядами кожухом 3 со скважинным переключателем ИСП 4, кабельным наконечником 1. К корпусу присоединен центратор 10, предназначенный для обеспечения равноудаленности бойков 8 от стенки скважины. Каждый боек соединен с корпусом канатом 9 длиной 700 мм и диаметром 3,5 мм. Кроме того, на рисунке изображены электроввод пружинный 2, разъем штемпельный 5, уплотнительные кольца 6 и 20, стержень резиновый 11, стопор 12, заряд пороховой 13, уплотнительная коробка, контакт 15, диск контактный 6, изоляционная прокладка, уплотнительная манжета 18 и защитная планка 19. После спуска грунтоноса в скважину его приподнимают и устанавливают на нужной глубине первый снизу боек. При нажатии клавиши «Огонь» на панели управления подается ток к скважинному переключателю и электровоспламенителю порохового заряда. Образующийся при сгорании пороха газ выталкивает боек, направляемый со скоростью 150-200 м/с на стенку скважины. При входе в породу через боковые отверстия бойка вытесняется буровой раствор, а боек с породой извлекают из стенки с помощью каната натяжением кабеля. 213 Рисунок 3.116 - Боковые стреляющие грунтоносы типа ГБСН-125 В таблице 3.9 приведена техническая характеристика ГБСН-125 [31]. Таблица 3.9 – Техническая характеристика ГБСН-125 Показатели Максимальный диаметр грунтоноса, мм Допустимое гидростатическое давление, МПа Допустимая температура, ºС Минимальный диаметр скважины, мм Число стволов в грунтоносе Диаметр керноприемной полости в бойке для отбора пород Длина грунтоноса, мм Масса грунтоноса, кг ГБСН-125180/100 125 100 180 161 30 22 2700 87 Необходимо отметить, что вместе с грунтоносом в скважину в сборке спускают зонд для записи диаграммы ПС (кривую потенциалов самопроизвольной поляризации), что улучшает точность привязки отбираемых образцов к геологическому разрезу и сокращает время на 214 СПО. Сборка включает следующие узлы (рисунок 3.117): грунтонос ГБСН125-1 наконечник кабельный-2, электрод Пс-3, кабель трехжильный-4 и полумуфта-5. Рисунок 3.117 – Сборка зонда для записи диаграммы ПС с грунтоносом 215