Колонковое бурение

Разведка месторождений на твердые полезные ископаемые, выполнение гидрогеологических и инженерно-геологических исследований осуществляется методом колонкового бурения.

Колонковое бурение – вращательное бурение, при котором разрушение породы осуществляется не по всей площади забоя, а по кольцу с сохранением внутренней части породы в виде керна.

Этот способ ведется, как правило, кольцевой алмазной или твердосплавной коронкой. Метод позволяет через полость коронки извлечь керн – монолитный столбик породы, по составу которой определяется наличие тех или иных полезных ископаемых.

Удержание керна при подъеме может быть осуществлено затиркой всухую, заклинкой твердыми инородными частицами и механическими кернорвателями.

Способ затирки всухую в основном применяется в осадочных породах. Этот способ имеет ряд существенных недостатков: опасность прихвата колонкового снаряда на забое; отсутствие контроля надежности затирки керна в коронке; порча части керна вследствие его перегрева и смятия.

Способ заклинки керна инородными твердыми частицами широко применяется в практике геологоразведочного бурения. Недостатки: ненадежное удержание керна при подъеме разрушенных горных пород и сравнительно большие затраты времени при заклинке керна в глубоких скважинах.

Способ заклинки керна при помощи механических кернорвателей наиболее надежен. Механические кернорватели по конструктивным признакам и принципу действия разделяются на четыре группы.

Первая группа — кернорватели открытые свободного действия.

Вторая группа — кернорватели открытые принудительного действия.

Третья группа — кернорватели закрытые свободного действия.

Четвертая группа — кернорватели закрытые принудительного действия.

Кернорватели открытого типа в процессе бурения находятся в контакте с керном, а закрытого типа - изолированы от керна. Кернорватели принудительного действия заклинивают керн под воздействием внешних механических усилий, а кернорватели свободного действия — без воздействия внешних усилий.

К основным недостаткам кернорвателей первой группы относятся: препятствие вхождению керна в кернопрйемную трубу, в результате чего керн подклинивается и истирается, и ненадежность работы кернорвателей (часто ломаются).

Кернорватели второй группы предназначены для монолитных и разрушенных пород. Они обеспечивают надежный срыв керна с забоя и удержание его при подъеме. Заклинка керна при помощи кернорвателей этого типа осуществляется гидравлическим или механическим нажимом, при котором зубья кернорвателя входят в конусную часть коронки, сжимаются и прочно обжимают керн. Общим недостатком является ненадежная защита керна от воздействия потока промывочной жидкости.

Кернорватели третьей группы изготавливаются пружинные и секторные. Пружинные кернорватели предназначены для разрушенных пород, а секторные — для разрушенных и монолитных. Эти кернорватели применяются только с телескопическими двойными колонковыми снарядами, у которых керноприемная труба может перемещаться в осевом направлении свободно или задерживаться специальным замыкателем.

Кернорватели четвертой группыболее надежны в работе и универсальны по назначению. Кернорватель обеспечивает надежный срыв монолитного керна с забоя и удержание разрушенного керна при подъеме, а при бурении не препятствует вхождению керна в керноприемную трубу.

Колонковое бурение успешно применяется в однородных или трещиноватых породах в интервалах на больших глубинах. В устойчивых породах, промывка ствола ведется с применением воды. В неустойчивых грунтах используются глинистые растворы, которые призваны укреплять стенки ствола от осыпания и разрушений. Поскольку колонковое бурение скважины ведется на высоких оборотах, то во избежание интенсивного трения бурильных труб о стенки ствола, применяются специальные эмульсии. Обычно, эти поверхностно-активные включения (ПАВ) ориентированы на уменьшение вибрации бурильной колонны и их износа. В процессе работ, коронка, колонковая, переходник и набор нижних штанг должны строго соответствовать соосности. В интервалах высокой твердости пород между коронкой и трубой навинчивается твердосплавной расширитель. Это необходимо для калибрования ствола, с тем, чтобы увеличить работоспособность разрушающего инструмента. Помимо этого, перед спуском новой коронки, для разрушения остатков керна, дно скважины обрабатывается долотом. Подобная процедура предохраняет внутреннюю прослойку алмазов на коронке от разрушения керновым остатком. Раствор подается в колонну труб грязевым насосом.

Промывку можно заменить продувкой воздухом. Преимущество этого варианта в том, что отпадает необходимость в жидкости или растворе. Но метод применим в породах, в которых вода отсутствует.

Метод применим для пород от V категории и выше по шкале Протодьяконова, вертикальной и наклонной конструкции на глубину до 1000 п.м. Важным достоинством колонкового способа считается вынос на поверхность цельного кернового материала. По керну определяется картина геологического разреза для обоснования наличия месторождения полезных ископаемых. Объем бурения с использованием промывки технической водой или промывочной жидкостью составляет до 85%.

Колонковое бурение обладает и экономическими показателями. Сокращаются осевые нагрузки и, соответственно, энергетические затраты.

К недостаткам относится то, что в трещиноватых породах нередко происходит заклинивание керна, что приводит к дополнительному извлечению колонковой трубы и выбиванию керна. Быстрое притупление коронки, вследствие ее перегрева и прихватывания в твердых породах. При этом приходится уменьшать скорость подачи, осевую нагрузку и использовать охлаждающую жидкость.

ЛЕКЦИЯ 6