Отбор керна

Запроектированные параметры режима бурения геологоразведочных скважин должны обеспечивать не только высокие технические показатели работы породоразрушающего инструмента, но и высокий выход керна. Поэтому получение керна в достаточном количестве и хорошего качества - важная задача буровых работ.

Наиболее благоприятные условия для получения представительного керна обеспечиваются при колонковом бурении твердосплавными и алмазными коронками. При этом в устойчивых и крепких породах диаметр керна близок к внутреннему диаметру коронки. Диаметр керна значительно отличается от внутреннего диаметра коронки при бурении мягких, перемятых и раздробленных пород и полезных ископаемых (если не приняты соответствующие меры по сохранению керна).

При хорошей сохранности керна достаточно точные данные о проценте его выхода можно получить по формуле (линейный выход керна)

              (18.1)

где l_k - длина поднятого керна, м; l_и - длина пройденного интервала, м. При весовом способе выход керна определяется по формуле

                (18.2)

где m_к - фактическая масса поднятого керна; d_к - диаметр керна; h_р - проходка за рейс; ρ - плотность породы.

Наиболее достоверные результаты обеспечивает объемный способ определения выхода керна:

               (18.3)

где Q и q - объем соответственно мерного сосуда и доливаемой воды, дм3.

Минимально допустимый выход керна для конкретного месторождения можно вычислить по формуле

            (18.4)

где К_р - коэффициент равномерности оруденения (отношение среднего содержания компонента в руде к максимальному); И - степень избирательности истирания (доля перетертого керна, приходящая на рудный материал); m_{к доп} - допустимая техническая погрешность опробования, отн.ед.

Для большинства полезных ископаемых выход керна устанавливается не ниже 70-80%, а для ископаемых солей - 85%.

На качество и количество получаемого керна влияют многие геолого-технические факторы. Институтом ВИТР разработана и применяется эталонная схема классифицирования горных пород по трудности отбора керна.

Получить качественный керн при обычном колонковом бурении с промывкой в мягких и рыхлых породах очень трудно и требует ограничения длины рейса и применения промывки глинистого раствора.

Многообразие устройств для бурения с отбором керна требует внимательного отношения к их выбору, так как любое специальное устройство может выполнить свою роль только в тех условиях, для которых оно предназначено.

В монолитных и однородных по составу и твердости породах диаметр коронки следует выбирать минимальным, так как выход керна почти не зависит от принятого диаметра скважины, а производительность при этом резко возрастает. При бурении скважин коронками малых диаметров в разнородных по составу и твердости слоистых и хрупких породах необходимо применять двойные колонковые трубы и снаряды.

Для отбора керна в сильнотрещиноватых, перемежающихся породах в последнее время наиболее распространены эжекторные колонковые снаряды (ЭКС), при бурении с которыми создается местная обратная циркуляция очистного агента, что предотвращает самозаклинивание и истирание керна.

Наиболее достоверное опробование при бурении в породах II-IV категорий с пропластками пород V-VII категорий по буримости может обеспечить гидравлический транспорт керна через бурильные трубы с помощью метода бурения с двойной колонной бурильных труб, обеспечивающий непрерывную транспортировку керна на поверхность обратным поток промывочной жидкости. В последние годы широко применяется гидроударное бурение скважин с применением эжекторных снарядов (гидроударно-эжекторное бурение), обеспечивающее высокий процент выхода керна. Этот способ особенно эффективен в сочетании с использованием коронок, армированных твердыми сплавами и синтетическими алмазами, и высокооборотного гидроударно-алмазного бурения при пониженном расходе промывочной жидкости.

При колонковом бурении в случае отбора керна низкого качества (избирательного истирания его) в небольшом количестве (менее 60%) для получения достоверности отбираемых проб собирается шлам. Сбор его - единственное средство получения фактического материала при бескерновом бурении.

Глубина скважины z₁, с которой отобран шлам

               (18.5)

где z - глубина скважины в момент отбора шлама, м; v_м - средняя скорость бурения, м/ч; k_ш=0,80÷0,85 - опытный поправочный коэффициент к скорости подъема частиц шлама размером 0,4-0,5 мм при нормальном глинистом растворе; v_в - скорость восходящего потока промывочной жидкости, м/ч.

Количество шлама, образующегося при бескерновом бурении, в первом приближении можно определить по уравнению

               (18.6)

где q - скорость поступления шлама в промывочную жидкость, кг/ч; v_м - механическая скорость бурения, м/ч; D_c - диаметр скважины, см.

При бурении разведочных и эксплуатационных скважин на нефть и газ также приходится отбирать (периодически) образцы пород в виде кернов.

При разработке технологии бурения для обеспечения высокого и качественного выноса керна колонковыми турбодолотами рекомендуются следующие параметры циркулирующего потока жидкости и режима бурения:

ρ_б.р= 1200-1500 кг/м3; T₅₀₀=35-80c; В₃₀≤10 см3; П≤2%;
Р_д=140 кН; 0=22-28 л/с (КТД 4);
Р_д=180 кН; Q=35-40 л/с (КТД 3).

При роторном бурении с целью повышения выхода керна рекомендуется предусматривать:

• возможно низкую производительность буровых насосов в рыхлых породах:
• механическую подачу долота вместо ручной (особенно важна равномерная подача без рывков);
• минимальное количество отрывов долота от забоя, но гарантирующее от прихвата инструмента;
• осевую нагрузку Р_д=80-100кН; частоту вращения n=70 мин-1; подачу насоса Q=15-20 дм3/с (в рыхлых породах 10-15 дм3/с);
• применение бурильных головок с более высокими значениями коэффициентов керноприема и керноотбора.

Коэффициент керноприема определяется отношением диаметра керна (d_к) к расстоянию от забоя до груноноски (h_к):

             (18.7)

Коэффициент керноотбора, определяется отношением диаметра керна к диаметру бурильной головки (D_б.г)

                (18.8)