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-76, ССК-59 и ССК-46 , разработанные позднее в Ленинградском ВИТР´е.

. В конце восьмидесятых годов в «СКБ Геотехника» были разработаны комплекты КССК-59 и КССК-95, но в связи с перестройкой, не были внедрены.

В последнее время у нас преимущественно 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. Максимальная глубина бурения снарядом КССК составила 3600 метров. 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.. 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 обычно ограничивается примерно 600 об/мин.

Промывка скважин при бурении снарядами со съемным керноприемником имеет ряд отличий 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 большие гидравлические сопротивления в затрубном кольцевом сечении и в колонковой трубе 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 – 50 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. 49.

Рис. 49

Учитывая большие гидросопротивления и гидроподпор, расход промывочной жидкости для ССК-59 желательно минимальный, не более 20 – 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 спуско-подъемные 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 200 – 300 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 – 60 м, а в породах ХII категории проходка на коронку может не превышать 5 – 15 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 работоспособных съемных раздвижных (алмазных) коронок СРК конструкции Югова (рис 50). 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 с керноприемником 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 керноприемным рейсом и занимают в несколько раз меньше времени, чем подъем бурильной колонны)

Рис. 50

3. Достоинством применения снарядов ССК является и следствие

уменьшения числа спуско-подъемных 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. Практически во всех конструкциях керноприемников имеется сигнализатор самозаклинивания керна.

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

К недостаткам использования снарядов ССК кроме более высокой, чем у простых снарядов, стоимости следует отнести то, что при бурении в трещиноватых и разрушенных породах, 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. Для борьбы с этим явлением предложено устройство, кроме стандартного кернорвателя, специального кернодержателя, закрывающего нижний конец керноприемной трубы при подъеме керноприемника. О таком устройстве было доложено на научной конференции в МГРИ-РГГРУ нашим студентом Егоровым . . (авторское свидетельство совместно с дедом, нашим выпускником д.т.н. Егоровым Н.Г.)

Поскольку в настоящее время в нашей стране наибольшее распространение получили снаряды со съемным керноприемником зарубежных фирм с преобладанием снарядов фирмы США «Boart Longyear» рассмотрим особенности этих снарядов подробнее.

Фирма Boart Longyear, основанная в США в 1890 году является признанным лидером в области техники и технологии алмазного бурения. С 1953 года она начала внедрение снарядов со съемными керноприемниками – «Wire Line» (у нас ССК) В нашей стране обоснование разработки снарядов со съемным керноприемником начали преподаватели кафедры разведочного бурения МГРИ еще в 1958 году. Затем конструированием отечественных снарядов КССК, приспособленных для бурения в сложных геологических условиях, и с максимальной механизацией (в отличие от снарядов Longyear) начали заниматься в «СКБ Геотехника». С 1969 года снаряды со съемным керноприемником для высокооборотного алмазного бурения в твердых породах начали разрабатывать в Ленинградском научно-исследовательском институте ВИТР. (В отличие от снарядов СКБ – КССК, снаряды ВИТРа называют – ССК).

Следует отметить, что наши снаряды, используя весь зарубежный опыт, в конструктивном отношении даже превосходили зарубежные аналоги, но, к сожалению, уступали им по качеству колонны бурильных труб и алмазных коронок.

Преимущества зарубежных снарядов, действительно связано в первую очередь связано с более высоким качеством бурильных труб особенно резьбовых соединений, отработанных за десятки лет.

Второе достоинство в применении технологии бурения последовательно двумя – тремя комплектами снарядов в соответствии с конструкцией скважины. Например начинается бурение комплектом НQ (96,1 мм), затем устанавливается колонна обсадных труб. Иногда вместо обсадных в скважину спускают бурильные трубы с тонкостенной коронкой, которые играют роль обсадных (но обязательно потом извлекаются и опять работают как бурильные на новой скважине). Затем бурение продолжается следующим комплектом NQ (75,7 мм), и далее если нужно, таким же образом переходят на комплект ВQ (59,9 мм).

Третье достоинство зарубежной технологии бурения снарядами ССК и беда нашей технологии, (почему за рубежом бурение снарядами ССК было преобладающим, а у нас только около 10%), заключается в том, что в зарубежных странах колонковое бурение геологоразведочных скважин осуществляется станками с подвижным вращателем, а у нас для этого применяли станки шпиндельного типа. Разница принципиальная! При бурении станками с подвижным вращателем наращивание колонны труб по мере углубки скважины производится без подъема снаряда от забоя трубами того же комплекта, При бурении станком шпиндельного типа в шпинделе находится ведущая труба отличная от бурильных труб комплекта. Следовательно, чтобы наростить очередную бурильную трубу ССК надо поднять весь снаряд на длину замера ведущей трубы, отвернуть ведущую трубу, отодвинуть станок , наростить бурильную трубу ССК, пододвинуть станок, присоединить ведущую трубу. Плохо не только потери времени, но очень плохо нарушать процесс бурения. Подъем и опускание снаряда может вызывать и дополнительный износ инструмента и способствовать различным осложнениям.

Очевидно, что в современной непростой геополитической ситуации, в порядке импортазамещения следует восстановить производство отечественных станков с подвижным вращателем (станки АВ-2, АВ-5, РБК-4) и добиваться повышения качества бурильных труб наших комплектов КССК и ССК.

Поскольку в нашем геологоразведочном бурении преобладает применение снарядов Boart Longyear, в пособии в приложении №1 приводится инструкция «по технологии бурения снарядами ССК BOART LONGYEAR c сохранением стиля первоисточника. В притложении №2 приведены формы торца и формы износа торца импрегнированных коронок фирмы Diamanic.