Колонковое бурение со съемными керноприёмниками

Одним из существенных путей повышения скоростей сооружения геологоразведочных скважин, главным образом из-за уменьшения количества спуско-подъемов бурового снаряда, является колонковое бурение снарядами со съемными керноприемниками (ССК), обеспечивающими возможность извлечения керна через колонну бурильных труб без её подъема на поверхность. Этот способ бурения был изобретён американской фирмой «Лонгир». В дальнейшем в СССР проводились научно-исследовательские и проектно-конструкторские работы по созданию аналогичного инструмента для бурения разведочных скважин малого диаметра с применением ССК. Комплексы ССК рекомендуются для бурения в породах VII-X категорий по буримости на глубину до 1000 м (ССК-46) и 1200 м (ССК-59 и ССК-76), комплекс КССК предназначен для бурения скважин в породах V-IX категорий по буримости при глубине до 2000 м.

Применение при колонковом бурении комплексов ССК и КССК позволяет увеличить производительность бурения в 1,5-2 раза и довести выход керна до 90-100%.

Бурильная колонна при работе комплексами ССК и КССК извлекается из скважины лишь для замены породоразрушающего инструмента. Кроме повышения производительности труда за счет сокращения затрат времени на выполнение спуско-подъёмных операций, применение этих комплексов позволяет повысить срок службы бурового оборудования и инструмента, облегчить труд рабочих, улучшить состояние стенок скважины (особенно при бурении трещиноватых и легкоразрушаемых пород), увеличить выход керна.

При работе снарядами со съёмными керноприемниками керн поднимают специальной керноприемной трубой через бурильные трубы. Колонковый набор при этом остается на забое для последующего рейса, который начнётся после спуска через колонну бурильных труб освобождённой на поверхности керноприемной трубы. Поднимают приёмную трубу ловителем на стальном тросике.

Бурильную колонну поднимают лебёдкой, причём колонну развинчивают на отдельные свечи, длина которых определяется высотой вышки. Чем глубже скважина, тем выше должна быть вышка и тем длиннее будет каждая свеча.

Поднятый колонковый набор с керном выносят из бурового здания на приемный мост и сразу же приступают к спуску второго, заранее подготовленного набора. Извлекают керн из поднятой колонковой трубы после спуска второго снаряда и начала дальнейшего углубления. С помощью монтажной опоры закрепляют колонковую трубу и отвинчивают коронку. Извлеченный керн укладывают в специальные ящики в той последовательности, в какой бурились пласты горных пород.

В процессе бурения скважины с применением съёмного керно-приёмника выполняется следующая последовательность операций:

• подготовка бурового снаряда к спуску;
• спуск бурового снаряда;
• спуск съёмного керноприёмника;
• наращивание;
• промывка скважины и дохождение до забоя;
• бурение;
• заклинивание керна;
• спуск ловителя;
• подъём керноприёмника;
• спуск второго подготовленного керноприёмника;
• извлечение керна.

При использовании двух керноприёмников операция извлечения керна из керноприёмника совмещается с операцией спуск керноприёмника и частично бурение.

Следует отметить, что затраты времени на спуск и подъём бурильной колонны при работе комплексом ССК несколько больше, чем со стандартными бурильными трубами и комплексами КССК, где применяются труборазвороты и полуавтоматические элеваторы. Поскольку керн поднимается в керноприёмниках на канате, необходимо обеспечить максимальную износостойкость алмазных коронок, чтобы как можно реже поднимать бурильную колонну для замены коронки.

При достижении керноприёмником рабочего положения следует провести приработку коронки, затем начинать бурение. Приработка осуществляется при небольшой частоте вращения (150-250 об/мин), с малой осевой нагрузкой (3-4 кН) и умеренным количеством промывочной жидкости (20-30 л/мин для диаметра 76 мм, 15-25 л/мин для диаметра 59 мм).

Характерной особенностью комплексов ССК является возможность бурения на высоких частотах вращения (до 1000 и 2000 об/мин в зависимости от типа комплекта), поэтому целесообразно бурить скважину с использованием максимальных или близких к максимальным частот вращения буровых станков. Применение более низких частот вращения предусматривается при:

• достижении затрат мощности на бурение номинального значения мощности электродвигателя;
• ненормальном техническом состоянии скважины — интенсивном искривлении, склонности к обрушению стенок;
• бурении по сильнотрещиноватым породам;
• выходе керна ниже предусматриваемого проектом;
• значительной вибрации бурильной колонны;
• значительном удельном износе инструмента.

Осевая нагрузка на породоразрушающий инструмент зависит от типа проходимых пород, состояния скважин и использования комплекса ССК той или иной конструкции и его диаметра.

Буровой снаряд КССК-76 предназначен для бурения в наиболее сложных условиях и позволяет доводить осевую нагрузку до 15 - 20 кН.

В случае использования комплексов ССК возможность варьирования осевой нагрузкой ограничена в связи с тонкостенностью бурильных труб и значительным ослаблением их в соединениях. Максимальная нагрузка на забой при бурении ССК-59 и ССК-76 не должна превышать 15кН, и лишь в случае крайней необходимости допускается кратковременная нагрузка до 20 кН.

При применении ССК-46 наиболее рациональны осевые нагрузки в пределах 7-10 кН.

Расход промывочной жидкости должен изменяться в зависимости от диаметра ССК. Для ССК-76 расход может варьировать в пределах 30-50 л/мин, для ССК-59 — 30-35 л/мин, для ССК-46 — 10-15 л/мин. Как правило, промывочной жидкостью при бурении ССК является техническая вода.

Глинистый раствор не рекомендуется применять из-за возможности образования глинистой корки на внутренних стенках бурильных труб, что будет препятствовать свободному прохождению в них съёмного керноприёмника.

В отдельных случаях, при использовании ССК-76 и КССК-76 допускается применение качественного малоглинистого раствора, приготовленного из бентонитового порошка (при содержании твёрдой фазы не более 4%). В глубоких скважинах (глубже 500-600 м) могут быть использованы водоэмульсионные растворы на базе эмульсола ЭН-4 (1-2%), а при бурении скважины в осложнённых условиях - безглинистые полимерные растворы на базе полиакриламида (ППА) или реагента К-4 ( ≈ 2%).

Накопленный опыт бурения скважин с применением ССК и КССК показал их высокую технико-экономическую эффективность, что позволило по сравнению с обычным алмазным бурением:

• повысить механическую скорость бурения за счёт перехода на более высокие частоты вращения в среднем в 1,5 раза в связи с тем, что сбалансированная и прямолинейная колонна комплекса менее подвержена возникновению вибрации и оказывает меньшее разрушительное воздействие на стенки скважин, поэтому кавернообразование и осыпи стенок отмечаются в меньшей степени, чем при работе обычных бурильных колонн;
• уменьшить затраты времени на вспомогательные операции в 2,0-2,5 раза в связи со значительным сокращением доли спуско-подъёмных операций в общем балансе времени сооружения скважины;
• в 1,2- раза повысить производительность труда;
• улучшить качество опробования, доведя выход керна до 90-100%;
• уменьшить удельный расход алмазов по сравнению с обычным алмазным бурением в 2-3 раза;
• уменьшить интенсивность искривления скважин.

Рекомендуемые режимы бурения комплексами ССК и КССК приведены в таблице 12.

Таблица 12. Режимы бурения комплексами ССК и КССК

Наименование параметров	Значения параметров и комплексов
	ССК-46	ССК-59	ССК-76	КССК-76
Максимальная высота вращения снаряда, об/мин	2000	1500	1000	1000
Предельная осевая нагрузка на коронку, Кн	12	16	18	20
Расход промывочной жидкости, л/мин	10-20	15-60	30-70	30-100