Технология бурения снарядами со съемным керноприемником.

Для бурения геологоразведочных скважин применяются два варианта отечественных снарядов со съемными керноприемником – снаряды (комплекты) КССК – 76, первыми разработанные и внедренные в нашей стране СКБ «Геотехника» - Москва и снаряды ССК-59, ССК-46 и ССК-76, разработанные позднее в Ленинградском ВИТР´е. Из последних чаще применяются ССК-59. В последнее время у нас часто применяются снаряды ССК фирмы BOART LONGYEAR , аналогичные нашим ССК, (точнее наши аналогичны Лонгировским снарядам). Практически все снаряды ССК имеют одинаковое принципиальное устройство и отличаются только деталями исполнения отдельных узлов.

Снаряды КССК-76 предназначены для бурения в сложных геологических разрезах перемежающихся пород VI – XI категорий по буримости. Эти снаряды отличаются более прочными бурильными трубами с муфтово-замковыми соединениями, что позволяет бурить скважины в сложных геологических разрезах, повышенной глубины (до 2000 м для стальных труб и до 3000 м для легкосплавных бурильных труб) и при максимальных значениях осевой нагрузки на коронку. Наличие прорезей на замковых соединениях КССК позволяет использовать обычные средства механизации спускоподъемных операций – серийные полуавтоматические элеваторы и труборазворот РТ-1200М.

Снаряды ССК, используют гладкоствольную колонну бурильных труб, соединяемых труба в трубу, и имеющих минимальную толщину стенки в резьбовых соединениях. Такая колонна, с одной стороны имеет достоинство в том, что она, будучи гладкой и прямолинейной (трубы ССК прецизионные, повышенной точности и прямолинейности) позволяет вести бурение на повышенных частотах вращения, но с другой стороны слабые соединения не позволяют передавать большие осевые нагрузки и использовать снаряды для бурения глубоких скважин. В первом случае, при осевых нагрузках более 12 – 15 кН, наружная резьба одной трубы может надвигаться на внутреннюю резьбу другой трубы, во втором случае при глубине скважины более 1200 – 1500 метров под действием силы тяжести колонны в ее верхней части резьба может вырваться. Оба эти обстоятельства ограничивают условия использования снарядов ССК. В зарубежных снарядах ССК за счет более высокого качества труб эти недостатки менее значимы.

В настоящее время снаряды со съемным керноприемником оснащаются только коронками с алмазными резцами. В первые годы внедрения ССК применялись и твердосплавные коронки, но, учитывая, что эффективность применения ССК прямо зависит от проходки за рейс, в большинстве случаев равной ресурсу коронки, а проходка на алмазную коронку на порядок выше, чем на твердосплавную коронку твердосплавные коронки для ССК, несмотря на их меньшую стоимость, применять перестали. Следовательно, технология бурения снарядами ССК сводится, в основном, к технологии алмазного бурения, но с учетом особенностей, связанных с отличиями ССК от обычных снарядов:

Осевая нагрузка на коронку при бурении снарядами ССК отличается от осевой нагрузки на обычные алмазные коронки тем, что толщина торца и, следовательно, площадь торца алмазосодержащей матрицы коронки примерно в 1,5 раза больше, чем у коронки для простых снарядов. Для снарядов КССК осевая нагрузка составляет в зависимости от буримых пород до 20 кН и более. Для снарядов ССК максимальная осевая нагрузка до 15 кН.

Частота вращения, наоборот, при бурении снарядами ССК в благоприятных условиях (однородные монолитные породы) может достигать максимальных значений буровых станков, до 1500 об/мин и более. При бурении снарядами КССК, учитывая и сложные геологические условия, в которых они используются, и несовершенство бурильной колонны частота вращения ограничивается примерно 600 об/мин.

Промывка скважин при бурении снарядами со съемным керноприемником имеет ряд отличиев от промывки при бурении простыми снарядами, связанных с увеличенной площадью забоя с одной стороны, и с минимальными кольцевыми зазорами между стенками скважины и бурильными трубами, с другой стороны. С первым связано примерно в 1,5 раза большее количество шлама на единицу углубки, со вторым значительно большие гидравлические сопротивления в кольцевом зазоре и, соответственно возникновение ощутимого гидроподпора, снижающего действующую осевую нагрузку на коронку. Указанные обстоятельства вызывают противоречия при выборе расхода очистного агента. Для полного удаления шлама с забоя требуется повышенный расход очистного агента, а малые зазоры при больших расходах будут создавать большие сопротивления и понадобятся насосы с повышенным максимальным давлением. Компромиссом является применение жидкостей с минимальными гидросопротивлениями. К таким жидкостям относятся некоторые полимерные и эмульсионные жидкости. Для бурения снарядами КССК, у которых кольцевой зазор больше чем у ССК, и составляет (за счет разбурки стенок скважины в породах средней крепости на 2 – 10 мм) - 5 – 15мм, гидросопротивления не очень велики и можно принимать рациональный расход промывочной жидкости в среднем 30 – 40 л/мин, а при необходимости увеличивать до 70 – 80 л/мин. При бурении снарядами ССК-59 радиальный зазор составляет от 2 до 4 мм и гидросопротивления, имеющие квадратичную зависимость от расхода, составляют весьма значительную величину и, кроме того, вызывают весьма ощутимый гидроподпор. Значения величины гидроподпора в зависимости от расхода промывочной жидкости приведены на рис. 4

Рис. 46

Учитывая большие гидросопротивления и гидроподпор, расход промывочной жидкости для ССК-59 желательно минимальный, не более 15 – 30 л/мин.

Условия применения и особенности технологии бурения снарядами со съемным керноприемником.

Как уже указывалось, эффективность применения снарядов со съемным керноприемником зависит от соотношения выигрыша, который дает применение ССК, и дополнительных затрат, связанных с большей стоимостью комплектов ССК и усложнением технологии бурения этими снарядами.

Достоинства бурения снарядами ССК следующие:

1.Повышение производительности за счет снижения затрат времени на спускоподъемные операции. В этом аспекте рост производительности прямо связан с глубиной скважины, чем глубже скважина, тем больше выигрыш от применения ССК. И расчеты и производственный опыт показывают, что дополнительные затраты на ССК будут окупаться ростом производительности при глубине скважины не менее 300 – 500 метров в зависимости от условий бурения и дополнительных обстоятельств.

Бурение с подъемом керна без подъема бурильных труб. Рейс, продолжается до необходимости замены буровой коронки в результате ее износа. При бурении в породах средней крепости (VII – IX категорий) проходка на алмазную коронку ССК составляет 50 – 100 и более метров. В более твердых породах (IX – XI категорий) проходка на коронку может составлять 15 – 40 м, а в породах ХII категории проходка на коронку может не превышать 5 – 10 метров. Если учесть, что и при бурении простыми снарядами с хорошими алмазными коронками в породах ХI – XII категорий можно бурить рейсами длиной в 3 – 8 метров, то в этих условиях применение ССК будет явно невыгодным – та же углубка за рейс, но более дорогим снарядом. В более слабых породах бурение ССК будет оправдано при углубке за рейс не менее 30 – 50 метров.

Ограничение рациональной области применения ССК по минимальному значению углубки за рейс (30 – 50 м в средних породах и 15 – 30 м в породах Х – ХI категорий) может быть преодолено применением разработанных в недавнее время работоспособных съемных раздвижных (алмазных) коронок СРК или КРС конструкции Югова. Эти коронки, имеющие цанговое устройство, спускаются внутри бурильных труб вместе с керноприемником, автоматически раскрепляются на нижнем конце колонковой трубы, и после заполнения керноприемника керном поднимаются на поверхность вместе с керноприемником. После полного износа коронки она заменяется на новую на поверхности, и новая коронка спускается через бурильные трубы и продолжает бурение. Трубы при этом могут не подниматься на поверхность до конца бурения скважины. Скважина может быть пробурена за один рейс! (подъемы керноприемника с керном и раздвижной коронкой называются циклом и занимают в несколько раз меньше времени, чем подъем бурильной колонны).

К сожалению, рейс при бурении ССК может прерываться и до износа коронки из-за выпадения кусочков керна из керноприемной трубы и расклинивании его в колонковой трубе. Тогда съемный керноприемник не сможет зафиксироваться в колонковой трубе и приходится поднимать весь снаряд.

3. Достоинством применения снарядов ССК является и следствие уменьшения числа спускоподъемных операций. При каждом спуско-подъеме происходит заметное разрушение стенок скважины, особенно в неустойчивых и перемежающихся породах. Применение ССК уменьшает, таким образом, разрушение стенок скважины и позволяет упростить и, соответственно, удешевить конструкцию скважины.

4. Еще одно достоинство снарядов ССК это то, что сам съемный керноприемник устанавливается в колонковой трубе так, что он во время бурения не вращается и поток промывочной жидкости не попадает внутрь керноприемника, а движется по кольцевому зазору между колонковой трубой и керноприемником. Таким образом, керн в неустойчивых породах защищается от разрушения, и снаряд ССК обеспечивает получение кондиционного керна там, где для этого пришлось бы применять специальные средства для повышения выхода керна.

5. Расширение области применения снарядов ССК достигается возможностью включением в керноприемное устройство дополнительных устройств для решения конкретных задач повышения эффективности бурения.

В ССК могут быть включены такие механизмы как: гидроударник для борьбы с заполированием алмазов и с самозаклиниванием керна, специальные устройства для получения кондиционного керна в сложных геологических условиях («конус», эжекторное устройство) специальные приспособления для бурения горизонтальных и восстающих скважин и другие.