книги / Решение геолого-технических задач при направленном бурении скважин

помощью керноскопа, подъем керноскопа на поверхность, спуск бурового снаряда, выбуривание керна с меткой и подъем его из скважины. Или другой вариант: выбуривание керна, подъем бурового снаряда (без керна), спуск керноскопа, нанесение ориентированной метки, срыв керна и извлечение его из скважины. Все операции можно выполнить и за один рейс: выбуривание керна, нанесение ориентиро­ ванной метки, срыв и подъем керна, или нанесение метки, выбуривание керна, срыв керна и подъем его на поверхность. При ориентировании керна на поверхности выполняется простейший цикл операций: выбуривание, срыв и подъем керна.

Подготовка забоя заключается в разрушении оставшихся в скважине кусочков керна от предыдущего рейса, выравнивании забоя и удалении шлама. Эти операции осуществляются либо с помощью обычных долот (шарошечных, твердосплавных или алмазных), либо с помощью специального породоразрушающего инструмента, которым снабжается керноскоп. В последнем случае метка наносится сразу же на очищенном забое. Метки могут быть глубокими, мелкими или поверхностными. Глубокие метки выбуривают в виде пилот-скважины специальными снарядами малого диаметра (15— 26 мм), неглубокие-— твердосплавными сверлами или выдалбливают сбрасыванием специ­ ального долота (штыря). Поверхностные метки вырезают (выцарапы­ вают) острым резцом на боковой поверхности керна или выфрезеровывают внутренней частью коронки при ее вращении без подачи. Такая метка имеет форму полукольца.

При нанесении неглубокой метки с целью её сохранения скважину углубляют в небольшом интервале. При глубокой метке величина углубки практически не ограничивается. Поверхностная метка обычно наносится после прекращения углубки.

С учетом рассмотренных признаков можно классифицировать вер известные методы, способы и технические средства получения ориенти­ рованного керна (табл. 22).

Способы и средства получения ориентированного керна с нанесением меток на его торце или ориентированной плите (шайбе)

К этой группе относится довольно много керноскопов (страто­ метров или приборов) й способ получения ориентированного керна, разработанный в ТЛИ. Принцип действия их сводится к ориентирова­ нию глубоких меток, получаемых на забое до выбуривания керна, относительно стран света (при наличии компаса) или апсидальной плоскости, пространственное положение которой должно быть из­ вестно.

К е р н о с к о п КО, разработанный в ПГО «Уралгеология» (рис. 73), представляет собой буровой снаряд с породоразрушающим инструмен­ том 1 для зачистки забоя, присоединенного к трубе 10 с переходником 13, и отбурочным снарядом 7 с коронкой 3 и шарнирным переход­ ником 8, присоединенным к ведущей трубе 14. Соосное положение переходника обеспечивается центратором 9. В плоскости работы

151

в

отбурочного снаряда расположен инклинометр, действующий на принципе горизонтальности уровня жидкости, который состоит из цилиндрического стержня 2, погружаемого в электролит (раствор медного купороса), и направляющего стержня 4, удерживаемого в заданном положении штифтом 5.

С целью герметизации внутренней полости инклинометра верхняя его часть закрывается резиновым колпачком 6. Перед спуском в скважину ведущую трубу 14 отбурочного снаряда соединяют с корпусом (трубой) керноскопа штифтом 12. В таком положении керноскоп устанавливают на забой. Вращение породоразрущающему инструменту 1 передается от ведущей трубы через зубчатую муфту 11. После зачистки забоя осевым усилием срезается штифт 12, внутренняя часть керноскопа с отбурочным снарядом 7 опускается, и при его вращении бурится пилот-скважина (рис. 73, б), играющая роль метки. После этого снаряд оставляют в покое на 20— 60 мин с целью образования осадка меди на цилиндрическом стержне инклинометра, по которому ориентируется впоследствии керн.

153

преждевременного срезания штифта 12, через который передается осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент 1). От шлама забой очищают промывкой с расходом жидкости 60 — 80 л/мин при

После бурения пилот-скважины и получения осадка меди на ориентирующем стержне инклинометра керноскоп извлекают и в скважину спускают обычный колонковый снаряд для выбуривания керна, имеющего метку в виде эксцентрично расположенного желоба. Этот процесс в интервале углубки 15— 20 см выполняется при пониженных параметрах режима бурения с целью сохранения метки и самого керна. В трещиноватых породах углубка ведется до 0,8 — 1 м. Затем керн заклинивается и поднимается на поверхность.

Керноскопы описанной конструкции были модернизированы и получили шифр КО-59М-1 и КО-76М-1. В связи с модернизацией увеличились глубина их применения до 1500 м, надежность работы на

ностью керноскопов рассмотренной конструкции. Получение неглубо­ кой метки в этом случае осуществляется с помощью штыря 2, спускаемого на тросике 4. В корпусе 5 (трубе) керноскопа с по­ родоразрушающим инструментом 1 встраивается перегородка 3 с эксцентрично размещенным отверстием в одной плоскости с эксцент­ ричным отверстием в породоразрушающем инструменте. После зачист­ ки забоя по бурильным трубам спускают штырь, который распола­ гается в корпусе керноскопа, занимающего наклонное положение, на лежачей стенке.

154

Вращая снаряд, устанавливают керноскоп в таком положении, при котором эксцентричные отверстия совпадают с апсидальной плос­ костью в стороне лежачей стенки скважины. В этом случае штырь 2 проходит через оба отверстия и соприкасается с забоем. Нанесением нескольких ударов получают углубление (лунку) в забое, после чего штырь и керноскоп поднимают на поверхность. Затем спускают колонковый снаряд и выбуривают керн с эксцентрично ориентирован­ ной меткой на торце относительно апсидальной плоскости.

Основной недостаток керноскопов рассмотренного типа— раздель­ ное выполнение операций, связанных с получением метки и выбурива­ нием керна, что приводит к большим затратам времени на выполнение работы.

С п ос об о т б о р а о р и е н т и р о в а н н о г о керна, р а з р а б о т а н ­ ный в ТПИ, осуществляется с помощью обычных средств, приме­ няемых при бурении многоствольных скважин: одношарнирного короткого снаряда для выполаживания и жесткого длинного снаряда для бурения прямолинейных скважин. При этом выполняются следую­ щие операции: резкое искривление ствола в небольшом интервале с помощью одношарнирного отклонителя, определение пространствен­ ного положения искривленного ствола, бурение основного ствола длинным жестким снарядом с отбором керна. На полученном при этом керне обычно сохраняется выклинивающийся ложок (метка), прост­ ранственное положение которого известно. По этому ложку керн

позволяет совместить все операции по отбору' ориентированного керна в одном рейсе при бурении наклонных скважин в породах V—XII категорий по буримости. Он состоит из обычного колонкового набора с коронкой и кернорвателем. К переходнику бурового снаряда присоединяется направляющая труба. Метка, по которой ориентирует­ ся керн, в этом случае наносится падающим штырем-отвесом на ориентированно закрепленную шайбу. Отвес освобождается с по­ мощью гидравлического устройства, состоящего из цангового держа­ теля и поршня с возвратной пружиной.

После выбуривания и захвата керна по колонне труб сбрасывают штырь, который задерживается в цанговом держателе, а затем сбрасывают клапан с удлинителем. При перекрытии проходного канала в поршне последний перемещается под давлением жидкости, сжимая пружину. Концы цангового держателя выходят из корпуса и раскрываются. Освободившийся штырь падает и делает метку— углубление в ориентированной шайбе в стороне лежачей стенки. После этого керн отрывается от забоя и керноскоп поднимается на поверхность.

Керноскоп КВ применяется в скважинах глубиной до 1200 м с

применение ограничивается состоянием пород. В трещиноватых поро­ дах получить ориентированный керн с его помощью практически невозможно.

155

К этой группе относятся средства, позволяющие получать ориенти­ рованную метку на боковой поверхности керна как в процессе его выбуривания, так и по окончании углубки за рейс. Этот способ позволяет получать ориентированные кусочки керна при бурении в трещиноватых малоустойчивых породах, когда не формируется моно­ литный (цельный) столбик керна достаточно большой длины. При этом метка в виде неглубокой риски или царапины наносится либо специальным резцом, расположенным на внутренней поверхности породоразрушающего инструмента или керноприемной трубы, либо подрезными резцами коронки при ее вращении (без перемещения вдоль оси скважины). В первом случае метка наносится после того, как керн выбурен, но не оторван от забоя при ориентированном спуске или подъеме бурового снаряда или с использованием забойного ориентатора, на что тратится много времени. Кроме того, таким способом можно отбирать ориентированный керн только в достаточно монолит­ ных, устойчивых породах.

Наиболее универсальные средства получения ориентированного керна— керноскопы, выполненные в виде ДКС с резцами внутри керноприемной трубы, нижний конец которой играет роль кернорвателя цангового типа («Казахстан-59», ДКС ПГО «Бурятгеология», КГДГ ПГО «Запукргеология» и др.). В процессе бурения в этом слу­ чае внутренняя труба с резцами-метчиками не вращается, а на бо­

ки керн захватывается кернорвателем цангового типа. Метка может ориентироваться с помощью эксцентричного груза— подвешенного магнита, свободно катающегося шарика или с помощью . уровня жидкости, т. е. с использованием гравитационного или магнитного поля Земли.

К е р н о о р и е н т а т о р « К а з а х с т а н - 5 9 » конструкции ПГО «Южказгеология» в качестве ориентирующего устройства имеет эксцентрич­ ный груз— магнит, плавающий в жидкости. В момент ориентации керна его положение фиксируется механическим способом. Существен­ ные недостатки этого керноориентатора заключаются в том, что ориентированным может быть только заклиненный кусочек керна, не оторванный от забоя до арретирования чувствительного элемента ориентирующего устройства, и ненадежность захвата керна в связи с отсутствием кернорвателя.

К е р н о с к о п К Г Д Г (гравитационный, дистанционно-гидравличес­ кого управления) конструкции ПГО «Запукргеология» относится по принципу действия к керноориентирующим снарядам с двойной колонковой трубой. Ориентирование керна с риской на боковой поверхности осуществляется шариком относительно апсидальной плос­ кости. Положение шарика фиксируется перед отрывом керна от забоя с помощью механического устройства, приводимого в действие давле­ нием промывочной жидкости при перекрытии циркуляционного канала

156

а—специальными резцами, / —коронка, 2—рез­ цы, 3 —керноприемная труба; 4 —подшипник, 5 — наружная колонковая труба; б —фрезерование мет­ ки коронкой, 1—коронка, 2—метка, 5—колонко­ вая труба

сбрасываемым по бурильным трубам шариком. Этот снаряд имеет те

более универсальный среди керноориентаторов подобного типа. Он представляет собой ДКС с невращающейся при бурении керноприем­ ной трубой, установленной на шарикоподшипниковых опорах. Преиму­ щество этого снаряда заключается в том, что внутренняя труба в процессе бурения постоянно сохраняет ориентированное положение относительно апсидальной плоскости за счет эксцентричного груза— дебаланса, с которым она жестко связана. Тем самым имеющиеся внутри керноприемной трубы три несимметрично расположенных резца-метчика (рис. 74, а) все время располагаются ориентированно относительно апсидальной плоскости наклонной скважины. Поэтому все кусочки керна с меткой, оторванные от забоя в процессе бурения скважины, оказываются ориентированными.

Для устранения возможного перекоса керноприемной трубы и улучшения условий ее вращения вместе с дебалансом в процессе ориентирования она устанавливается на двух подшипниковых опо­ рах— верхней и нижней. Недостаток такого керноскопа— невозмож­ ность отрыва керна при бурении в монолитных крепких породах в

наиболее простой способ ориентирования керна в наклонной скважине. В этом случае после окончания углубки на длину шпинделя перед перехватом рабочей штанги натягивают колонну и поднимают ее на 2—3 см над забоем. Не меняя режима работы насоса, вращают колонну в течение 5— 10 мин на 1-й или 2-й, скорости. За счет действия силы тяжести коронка своими внутренними подрезными резцами прижимается к висячей стенке керна и, фрезеруя ее, оставляет след в виде пояска или мелких упорядоченно расположенных царапин. Эта операция может повторяться неоднократно в течение всего рейса для того, чтобы точно и достоверно установить расположение, следа внутренних подрезных резцов на керне относительно апсцдальной плоскости скважины в призабойной зоне.

157

Средства ориентирования керна без нанесения метки

В этом случае керн ориентируется либо путем копирования поверхности торца не оторванного от забоя керна, либо с помощью ориентатора, положение чувствительного элемента которого фикси­ руется вместе с керном до его отрыва от забоя. При этом используются такие средства, как печать, механический копир типа автоматического ориентатора «Крелиус», керноскопы «Алатау-59», КМГ конструкции треста «Киевгеология», ориентирующая приставка к ССК или КССК и др.

О р и е н т и р о в а н и е керна с п о м о щ ь ю печат и выполняется в три этапа. С помощью обычного снаряда выбуривается керн нужной длины, и скважина тщательно очищается от шлама. Буровой снаряд извлекают на поверхность и спускают печать из мягкого пластичного материала, прижатием которой к торцу керна получают слепок его поверхности. Печать ориентируется либо при ее спуске, либо при подъеме. После извлечения печати на поверхность спускают буровой снаряд, керн отрывают от забоя и поднимают наверх. Совмещая торец керна со слепком на печати, ориентируют структурные элементы керна.

С помощью автоматического ориентатора «Крелиус» поверхность торца керна фиксируется четырьмя подвижными стержнями, упираю­ щимися в торец. Одновременно с этим положение стержней копира ориентируется относительно апсидальной плоскости с помощью шарика, занимающего низшую точку в апсидальной плоскости. Шарик прижимается к шайбе из мягкого металла (свинца) и оставляет след — вмятину. После этого копир под действием пружины переме­ щается в верхнюю часть колонковой трубы, керн выбуривается, подклинивается и извлекается на поверхность. Таким образом, все операции получения ориентированного керна выполняются в течение одного рейса, что является преимуществом рассмотренного способа.

К е р н о с к о п « А л а т а у - 5 9» конструкции ПГО «Южказгеология», позволяющий получить ориентированный керн по окончании углубки скважины за рейс, состоит из ориентирующего устройства с постоянно зафиксированным положением шарика под действием пружины и подвижного штока, при перемещении которого шарик освобождается только в процессе бурения. Шток заканчивается резьбовым соединением, посредством которого керноскоп присоеди­ няется к бурильным трубам.

Керноскоп, присоединяемый к колонковому снаряду и бурильным трубам, спускают в скважину. Керн выбуривается при обычном режиме. Усилием подвижного штока сжимается пружина арретирующего устройства, и освободившийся шарик располагается в апсидаль­ ной плоскости. При подъеме бурового снаряда без вращения поло-- жение шарика фиксируется с помощью пружины, а керн— с помощью кернорвателя. Если усилие достаточно, то керн отрывается от забоя и поднимается на поверхность. После разборки снаряда на керне до его извлечения делают риску, совпадающую с плоскостью, проходящей через ось керноскопа и центр зафиксированного шарика. Затем керн извлекают из колонковой трубы и исследуют. Керноскоп может быть

158

Рис. 75. Устройство для ориентирования керна при использовании ССК и КССК

использован как с одинарными, так и с двойными колонковыми снарядами, работающими с вращением внутренней керноприемной трубы, что расширяет область его применения. Существенное преи­ мущество такого керноориентирующего устройства — наличие надеж­ ного кернорвателя, позволяющего оторвать керн даже в очень крепких

встроенным в нее кернорвателем 1 и инклинометром— патроном 3 с цилиндрическим стержнем 4 и электролитом (раствором медного купороса). Патрон 3 с помощью стопорного винта 7 крепится в переходнике 8. После установки инклинометра с электролитом и спуска съемного керноприемника по бурильным трубам выбуривают керн заданной длины без отрыва от забоя, и систему оставляют в покое на 20—25 мин. За это время на цилиндрическом стержне катода образуется осадок меди, фиксирующий положение уровня жидкости относительно апсидальной плоскости (нулевой образующей 5, 6, 9). Затем керн отрывается при подъеме снаряда, и керноприемная труба извлекается на поверхность. По мениску на стержне и нулевой образующей ориентируются структурные элементы керна.

159

Для того чтобы осадок меди не образовывался раньше времени, медный купорос рекомендуется закладывать в запаянном целлофано­ вом мешочке с отверстиями небольшого размера. В течение определен­ ного времени в мешочек попадает жидкость и медный купорос растворяется, образуя электролит.

Ориентированный подъем керна осуществляется с использованием средств, применяемых при ориентированном спуске инклинометров или отклонителей, имеет ряд недостатков и не находит практического применения. Этот способ заключается в следующем. Перед подъемом бурового снаряда керн отрывают от забоя без вращения, только за счет осевого усилия. Поднимают керн с постоянным фиксированием пространственного положения его относительно ориентированного направления.

Ориентирование керна на поверхности после его извлечения из скважины

В основу ориентирования керна на поверхности земли положен палеомагнетизм горных пород. При разработке методики авторы исходили из того, что породы, слагающие земную кору, миллионы лет находившиеся в магнитном поле Земли, все время подвергались воздействию этого поля. Поэтому большинство пород, по их мнению, должны иметь хотя бы слабую магнитную полярность в направлении земного магнитного поля. Суть предложенных Г. Н. Строцким и Г. С. Морозовым методик заключается в следующем.

1.Образец породы подвешивается на тонкой вольфрамовой или шелковой нити в нормальном поле земного магнетизма. Под действием магнитных сил земного поля образец поворачивается и устанавливается полярной осью в направлении магнитного меридиана.

2.Образец подвешивается в искусственном, более сильном магнит­ ном поле, Создаваемом электромагнитом.

3.При вращении токопроводящей рамки в магнитном поле в ней индуцируется электродвижущая сила (э. д. с.), величина которой пропорциональна количеству магнитных силовых линий, пересекаемых рамкой в единицу времени. Источником магнитного поля является образец горной породы, помещенный внутри токопроводящей рамки, которая вращается относительно его продольной оси. Возникающая в

рамке э. д. с. выражается формулой

2

б=—Hindis cos а,

я

где Я — магнитное напряжение породы; т — число витков рамки; со— угловая скорость рамки; s — площадь поперечного сечения рамки; а — угол между осью поляризации и линией щеток токосъемника.

Поскольку Я, т, со и s постоянны, то, обозначив их произведение через к, имеем

е= к cosa.

Таким образом, результаты замеров выражаются косинусоидой, максимум и минимум которой будут северным и южным полюсами

160