Кернометрия: технология ориентации керна в скважине

Получение ориентированного керна. При изучении керна горных пород геолог, как правило, не имеет возможности получить информацию о характере залегания пород, ориентировке многочисленных структурных элементов — кливажа, трещин, прожилок, контактов жильных образований и др. Отсутствие указанных сведений резко снижает достоверность полученных при бурении материалов_{ увеличивает вероятность ошибок, приводит к необходимости бурения дополнительных скважин, проходки горных выработок, т.е. ведет к увеличению объемов работ и затрат. Проблема получения ориентированного керна — одна из важнейших в колонковом бурении, особенно при разведке месторождений. Возможность получения надежно ориентированного керна появилась только в 50-х годах, когда были разработаны конструкции керноскопов и начал развиваться метод кернометрии.

Метод кернометрии включает следующие операции:
1) отбор ориентированного керна с помощью специальных устройств — керноскопов;
2) структурно-геологическую документацию керна;
3) ориентацию в пространстве с помощью приборов — кернометров выявленных структурных элементов и их измерение с последующей геологической интерпретацией полученных данных.

Керноскопы представляют собой измерительные угломерные приборы, опускаемые в скважину, автоматически высверливающие на забое две ориентирующие метки и одновременно фиксирующие положение их относительно апсидальной плоскости скважины (апсидальная плоскость скважины — ориентированная плоскость, проходящая через ось скважины и отвес). После нанесения меток на забой скважины обычным буровым снарядом отбуривается керн и извлекается из скважины. Замеры структурных элементов в ориентированном керне производятся при помощи кернометра. По данным инклинометрических замеров и в соответствии с ориентировкой меток керн устанавливается в керноскопе в таком положении, в котором он находился в скважине. Наличие трех независимых угломерных лимбов в кернометре позволяет ориентировать керн и произвести замеры всех структурных элементов.

Внедрение кернометрии как вспомогательного метода расшифровки структур позволяет уточнить условия залегания рудных тел, особенности их внутреннего строения и резко повысить эффективность разведочных работ. Частота отбора ориентированного керна в скважинах зависит от сложности геологического строения, структурных особенностей участка, характера горных пород, назначения буровых работ.

Способы повышения выхода керна. В процессе бурения нередко происходит интенсивное разрушение керна. Результатом этого является недостоверность и непредставительность получаемого кернового материала. Выход керна определяется отношением длины керна к длине пройденного скважиной интервала В_к = (l_k/l_n) • 100%. Особенно высокие требования к выходу керна предъявляются при разведочном бурении, поскольку от этого зависит качество опробования. В большинстве случаев минимальный выход керна по полезному ископаемому не может быть ниже 70-75%. На формирование керна и как следствие на его сохранность влияют следующие факторы.

Геологические: литолого-петрографический состав, структура, текстура, условия залегания пород, угол встречи, скважины с плоскостью напластования, трещиноватость, сланцеватость, наличие или отсутствие прожилков. Эти и другие особенности определяют физико-механические свойства пород и, следовательно, их сопротивляемость разрушению.

Технические: факторы, обусловленные конструктивными особенностями и условиями работы технических средств, используемых для получения керна.

Технологические: способ разрушения горных пород при бурении, продолжительность рейса и скорость бурения, определяющие время воздействия на керн разрушительных факторов, режим промывки (продувки), количество и качество очистного агента.

Организационные: работа контрольно-измерительных приборов, возможность использования рациональных средств отбора керна, полнота сведений о геологическом разрезе скважины, квалификация персонала.

Для обоснованного выбора тех или иных технических средств и технологии бурения, повышающих выход керна, С. А. Волковым разработана классификация пород и полезных ископаемых по трудности отбора керна.

В основу классификации положены два фактора:
1) механическое разрушение керна очистным агентом вибрирующим буровым снарядом;
2) растворимость породы (полезного ископаемого), в том числе оттаивание мерзлых пород.

В соответствии с этим все породы и полезные ископаемые по трудности отбора керна при колонковом бурении разделены на четыре группы: первая — породы и полезные ископаемые монолитные и слаботрещиноватые, практически неразрушаемые промывочной жидкостью и вибрациями снаряда; вторая — породы и полезные ископаемые легко растворимые (минеральные соли); третья — породы и полезные ископаемые, легко разрушающиеся под действием очистных агентов; четвертая — породы и полезные ископаемые, разрушающиеся очистным агентом и вибрациями бурового снаряда: а) сильно трещиноватые; б) перемежающиеся по твердости; в) сыпучие и плывучие.

Руководствуясь этой классификацией, следует иметь в виду, что в первую группу входят породы от III—IV до XII категорий по буримости, которые практически не разрушаются в процессе бурения. Например, глины плотные жирные, мел плотный III категории и совершенно не затронутые выветриванием монолитносливные: джеспилиты, кремень, яшмы, роговики XII категории. В обоих случаях выход керна составляет 100% и по мягким и по весьма твердым породам при применении обычных колонковых снарядов и рациональных технологических режимов бурения.

Следует особо обратить внимание на явление избирательного истирания керна. Суть его заключается в том, что при пересечении скважиной рудных тел, представленных прожилковыми рудами, керн в колонковой трубе раскалывается по рудным прожилкам и именно эти прожилки истираются, шлам выносится промывочными агентами. Остальная часть породы, вмещающей прожилки, остается ненарушенной. В результате даже при достаточно высоком выходе керна он оказывается обедненным рудными компонентами, и пробы такого керна дают заниженные результаты, что недопустимо. Поэтому все мероприятия, направленные на повышение выхода керна, должны предусматривать и предупреждать, в частности, возможность его избирательного истирания.

Для повышения выхода керна используются различные технические средства, технологические режимы бурения, организационные мероприятия в зависимости от конкретных условий.

В общем случае повышения выхода керна добиваются выполнением ряда мероприятий, способствующих устранению или снижению разрушающего воздействия промывки и вибрации:
1) использование исправного инструмента (в первую очередь коронок и колонковых труб);
2) соблюдение оптимального режима промывки при использовании наиболее подходящих очистных агентов;
3) бурение укороченными рейсами, что сокращает время воздействия на керн вибрации;
4) применение надежных средств заклинивания керна и удерживания его в колонковом снаряде при подъеме;
5) выбор коронок рациональной конструкции и соблюдение оптимальной осевой нагрузки, равно как и оптимальной скорости вращения снаряда.

Эти и другие мероприятия позволяют в ряде случаев обеспечить требуемое качество керна. Тем не менее иногда приходится использовать специальные технологические, приемы и технические средства. К ним относятся бурение с обратной циркуляцией промывочной жидкости, безнасосное бурение и использование двойных колонковых труб.

Бурение с обратной промывкой позволяет существенно уменьшить разрушающее влияние на керн сильного потока промывочной жидкости. Существует несколько схем обратной промывки. В одних случаях промывочная жидкость нагнетается насосом с поверхности в затрубное пространство и поднимается по колонне бурильных труб. В других случаях обратная промывка создается при откачивании или отсосе жидкости через колонну бурильных труб с помощью эрлифта, водоструйных или центробежных насосов. Наконец, используется комбинированная схема, когда прямой поток преобразуется в обратный в призабойной зоне.

При бурении скважин в мягких породах, при инженерно-геологических изысканиях и разведке некоторых видов полезных ископаемых (минеральных солей, вязких углей и др.) для получения качественного керна используют безнасосное бурение. Сущность его заключается в том, что в скважину опускается специальный колонковый снаряд, который в процессе его вращения периодически “расхаживают”, т.е. медленно поднимают над забоем и свободно сбрасывают. Непременным условием безнасосного бурения является наличие в скважине воды — грунтовой или специально залитой; уровень ее должен быть больше длины колонкового снаряда.

Колонковый снаряд безнасосного бурения состоит из буровой коронки, колонковой трубы, переходника, ниппеля и шарового клапана, выше которого в шламопроводящей трубе имеются отверстия для изливания жидкости в скважину. В процессе бурения снаряд приподнимается над забоем на некоторую высоту Н, шаровой клапан при этом закрывает отверстие ниппеля, и жидкость с забоя всасывается в колонковую трубу, увлекая частицы разбуренной породы. Во время обратного движения снаряда к забою клапан поднимается под давлением жидкости, которая перемещается вверх и изливается через отверстия. Часть ее возвращается в скважину через внутренний кольцевой зазор между керном и коронкой. Таким образом, при расхаживании создается периодическая внутренняя циркуляция жидкости внутри бурового снаряда и в скважине. При этом крупные и тяжелые частицы шлама оседают на керн, а мелкие и легкие возвращаются в скважину. При соблюдении оптимального режима бурения (частота расхаживания и высота подъема снаряда, зависящие от твердости и плотности пород) удается добиться 100%-го выхода керна в самых рыхлых и весьма неустойчивых породах (рис. 16).

Рис. 16. Схема, работы колонкового набора для безнасосного бурения

Колонковые наборы для безнасосного бурения различаются по устройству, наличию шламоулавливающих элементов, расположению клапана. По этим признакам выделяются три группы: 1) без шламовой трубы; 2) с открытой; 3) с закрытой шламовой трубой.

Сведения об авторах и источниках:

Автор: В. В. Авдонин, и др.

Источник: Технические средства и методика разведки месторождений полезных ископаемых.

Данные публикации будут полезны для студентов инженерно-геологической и геохимической специальностей.