Теория и практика ССК, КССК

Введение

В начале ХХI века способы механического разрушения горных пород по-прежнему обеспечивают основной объем буровых и горнопроходческих работ. Следует отметить, что резервы механических способов бурения в настоящее время далеко не исчерпаны. В связи с появлением новых сверхтвердых материалов, технологий их обработки, упрочнения металлов и сплавов, новых конструкций бурового инструмента, мощных и надежных забойных приводов, забойных машин ударного и ударно-вращательного действия, новых конструкций буровых станков непрерывно растет производительность бурения. В то же время получают развитие и новые перспективные способы бурения, основывающиеся на физико-химических воздействиях на горную породу, например, бурение плавлением пород и лазером.
Большинство способов бурения основано на механическом разделении некоторого объема породы (призабойного слоя) на частицы небольшого размера. Разделение объема породы происходит под воздействием поля механических напряжений, создаваемых в отдельных точках забоя, в которых напряжения достигают критических, с точки зрения прочности горных пород, значений.
При механическом разрушении напряжения в определенных зонах забоя превышают сопротивление внутренних связей в горной породе. Концентрированные напряжения возникают под воздействием внешних сил, появление которых связано с силовым воздействием со стороны буровых инструментов, оснащенных породоразрушающими элементами, твердость которых существенно выше твердости горных пород.
В результате взаимодействия породоразрушающего инструмента с забоем в горной породе под торцом инструмента формируется поле механических напряжений как результат объемно-геометрического суммирования напряжений от действия отдельных сил со стороны каждого породоразрушающего элемента.
Напряжения в горной породе могут возникать и без использования специальных породоразрушающих инструментов, вследствие напора струи жидкости, при действии взрывной волны или расширяющихся при взрыве газов, гидравлического удара. Разрушение может происходить в результате действия внутренних сил, возникающих под влиянием градиента температуры породы, задаваемого струей раскаленных газов, электрическим полем или электромагнитным излучением оптического диапазона малой частоты, вызванного лазером, а также различными техническими средствами.
Целью работы является рассмотрение комплекса средств и средств со съемными керноприемниками.
Задачи работы:
1. Изучить и систематизировать научно-методическую литературу по рассматриваемой теме.
2. Изучить технологию бурения снаряда со съемными керноприемниками.
3. Рассмотреть технические характеристики и состав комплексов ССК и КССК.


1. Технология бурения снарядами со съемными керноприемниками
Для бурения в геологических разрезах, представленных в основном твердыми породами VIII—XII категорий буримости и породами средней твердости VI—VII категорий с пропластками более твердых пород, разработаны специальные технические средства с использованием бурового станка 1, позволяющие извлекать керн из скважин без подъема бурового снаряда на поверхность (рис. 1).
По сравнению с технологией бурения с цикличным отбором керна этот метод и технические средства существенно повышают производительность труда и улучшают качество кернового материала. Повышение производительности бурения достигают главным образом за счет увеличения рейсовой углубки скважины без подъема бурильной колонны на поверхность при высокой средней механической скорости бурения. Качество кернового материала повышается за счет изоляции керна от разрушающего гидродинамического воздействия потока очистного агента, поступающего через вертлюг-сальник 2, и частичной защиты от разрушающего воздействия вращающейся наружной колонковой трубы 7 и вибраций бурового снаряда.
Этот метод способствует также повышению устойчивости стенок скважин и улучшает баланс рабочего времени в результате значительного сокращения числа спуско-подъемных операций.
Перед началом бурения съемный керноприемник 6, сбрасываемый на забой через колонну бурильных труб 3, фиксируют в колонковой трубе запорным механизмом. В процессе бурения приемная труба керноприемника не вращается. Керн заклинивают кернорвателем в момент отрыва бурового снаряда от забоя. Извлекают съемный керноприемник ловителем 5 на канате 4, который под действием собственного веса опускается внутри бурильных труб. Спускают и поднимают ловитель с керноприемником при помощи лебедки. После извлечения керна из съемного керноприемника цикл операций повторяется.

Рис. 1. Снаряд со съемным керноприемником
Алмазные коронки для бурения со съемным керноприемником имеют более широкий и сложный по форме ступенчатый торец, в большей степени, чем обычные коронки, насыщенный алмазами. В корпусе коронки размещается корпус кернорвательного кольца, поджимаемый сверху керноприемником, что обеспечивает отрыв керна практически у самого забоя скважины. Коронка и расширитель посредством резьбы соединяются с наружной колонковой трубой, в которой при бурении размещается съемный керноприемник.
Основными элементами съемного керноприемника являются: внутренняя керноприемная труба, запорное устройство и узел подвески, обеспечивающий неподвижность внутренней трубы в процессе бурения. Для сигнализации о возникновении самозаклинивания керна керноприемник снабжен специальным устройством, представляющим собой эластичную резиновую шайбу, расположенную над внутренней керноприемной трубой. При заполнении трубы керном или в случае заклинивания керна, шайба сдавливается керноприемной трубой и перекрывает зазор, по которому протекает промывочная жидкость. Это приводит к резкому повышению давления в напорной магистрали промывочного насоса и указывает на необходимость извлечения керноприемника из скважины.
К важнейшим элементам комплекса технических средств для бурения со съемными керноприемниками относят тонкостенную и гладкоствольную колонны бурильных труб, лебедку, имеющую высокую скорость навивки каната на барабан, и большую канатоемкость для спуска-подъема керноприемной трубы и ловителя.
Комплексы снарядов со съемными керноприемниками предназначены для бурения геологоразведочных скважин диаметром 46, 59 и 76 мм. Разрабатывается комплекс для бурения скважин диаметром 93 мм.
Комплексы ССК-46, ССК-59, ССК-76 рекомендуется использовать при бурении скважин глубиной до 1000—1200 м в горных породах VII—XI категорий по буримости. Комплекс КССК-76 (конструкции СКБ ВПО «Союзгеотехника») предназначен для бурения скважин глубиной до 2000 м диаметром 76 мм в горных породах VI—XI категорий по буримости. Технические характеристики комплексов снарядов со съемными керноприемниками приведены в табл. 1. Технические характеристики базовых колонковых наборов ССК - в табл. 2.
Колонковый набор состоит из съемного керноприемника, извлекаемого за канат через бурильные трубы после наполнения его керном, и наружного колонкового набора. В состав наружного колонкового набора входят алмазная коронка, расширитель, колонковая труба и два верхних переходника. Этот снаряд поднимается из скважины вместе с бурильными трубами при смене алмазной коронки. Съемный керноприемник состоит из кернорвателя, керноприемной трубы, подшипникового узла, сигнализатора самозаклинивания керна, запорного угла с головкой в виде грибка, за который извлекают керноприемник.
Таблица 1. Технические характеристики комплексов снарядов со съемными керноприемниками
Показатели ССК-46 ССК-59 ССК-76 КССК-76
Глубина скважины, м
1000 1200 1200 2000
Категория пород
по буримости
VI 1-Х VII-X VJI-X У-ІХ
Размеры алмазной коронки, мм:
диаметр наружный


46 59 76 76
внутренний 24 35,4 48 40
ширина торца 11 11,8 14 18
Матрицы


Наружный диаметр алмазного расширителя, м
46,4 59,4 76,4 76,6
Промывочная жидкость Вода,
эмульсионные
жидкости Вода, эмульсионные
жидкости, слабые глинистые
растворы Вода, глинистые
и эмульсионные
растворы


Режим бурения:


максимальная час
тота вращения,
об/мин 1500 1500 1000 1000
предельная осевая
нагрузка, кгс 1200 1600 1800 2600
расход промывочной
жидкости, л/мин 10-20 20-30 30-70 30-100


Таблица 2

. Технические характеристики наборов ССК
Показатели ССК-46 ССК-59 ССК-76 КССК-76
Наружная колонковая труба, мм:


наружный диаметр 44 56 73 73
толщина стенки 4,5 5,5 6,5 6,5
Керноприемная труба, мм:


наружный диаметр 30 42 56 48
толщина стенки 2,2 2,5 28 3,0
Зазоры, мм:


между керноприемной
и колонковой трубами 2,5 1,5 2,0 6,0
между керном и керноприемной
трубой 0,8 0,8 1,2 1,0
между колонковой трубой
и скважиной 1,2 1,7 1,7 1,7
Длина, мм
2350; 3850;
5760* 2450; 3950;
5450 2700; 4200 6845


Масса, кг
16; 25,5; 35 31; 41; 55 44; 66 104
Керноприемник вводят в открытую бурильную колонну, зажатую на устье трубодержателем. Он спускается в жидкости под действием силы тяжести. Для ускорения доставки керноприемника к забою практикуют досылку его напором промывочной жидкости. Скорость погружения керноприемника составляет 100 м за 2—3 мин в вертикальной скважине. Момент постановки керноприемника в рабочее положение на забое отмечается характерным звуком от удара об упорное кольцо и кратковременным ростом давления жидкости на манометре насоса. Если скважину бурят при поглощении промывочной жидкости, то керноприемник опускается на овершоте лебедкой Л-5. Отсоединение овершота на забое выполняется втулкой, которая фиксирует защелки в открытом положении.
Для извлечения керна нужно отвинтить корпус кернорвателя от керноприемной трубы. При смене кернорвательного кольца следует из корпуса предварительно извлечь упорное пружинное кольцо. Керноприемная труба в колонковом наборе подвешена на штоке подшипникового узла, благодаря чему она остается неподвижной при бурении. При срыве керна наружная колонковая труба перемещается вверх относительно керноприемной трубы и сжимает пружину штока. При этом торец корпуса кернорвателя упирается в коронку и основное усилие срыва керна воспринимается не тонкостенной керноприемной трубой, а наружным снарядом.
Для предотвращения истирания керна при его подклинивании в наборе предусмотрен сигнализатор, содержащий резиновые манжеты, которые, сжимаясь от осевого усилия при самозаклинивании, увеличиваются в размере и перекрывают кольцевой зазор, тем самым прекращая поступление промывочной жидкости к забою. Повышение давления отмечается манометром бурового насоса.
Фиксацию съемного керноприемника от перемещения вверх при бурении выполняет запорный узел, состоящий из двух стопоров, разжимаемых пружиной. При подъеме керноприемника овершотом на стопоры надвигается возвратная втулка, и они углубляются в корпус. В рабочем положении один из стопоров своей верхней боковой гранью упирается в выступ на торце переходника бурильных труб. За счет этого вращение бурового снаряда передается только верхней части подшипникового узла и исключается проворачивание керноприемника в опорном кольце, которое ограничивает своим верхним торцом ход керноприемника вниз и центрирует его в верхней части. В нижней части снаряда в корпусе расширителя установлен стабилизатор.
Схема прохождения промывочной жидкости через колонковые наборы ССК и КССК прямая, т. е. промывка из бурильных труб проходит к забою по зазору между наружной и керноприемной трубами, контактируя с керном только ниже кернорвателя. От забоя вся жидкость возвращается по затрубному зазору.
Использование съемных керноприемников позволяет увеличить производительность бурения в 1,5—2 раза по сравнению с традиционным алмазным бурением за счет сокращения времени спускоподъемных операций и возможности бурения на большую глубину при высокой частоте вращения бурильной колонны (более 1000 об/мин). При этом снижается расход алмазов и увеличивается выход керна (за счет хорошей центрации бурильной колонны в скважине и двойного колонкового набора с сигнализатором самозаклинивания керна).
Конструктивно бурильные трубы (табл. 3) выполнены с наружной и внутренней гладкоствольностью, которая необходима для свободного перемещения керноприемника внутри труб и для максимального приближения наружного диаметра труб к размеру скважины, что уменьшает их изгиб при передаче осевой нагрузки на забой. Трубы комплексов ССК изготовляются без высадок концов, имеют наружную и внутреннюю трапецеидальную резьбу с конусностью 1:32 и упорами по верхнему и нижнему торцам. Наличие двух упоров в соединении обеспечивает более равномерное распределение нагрузки по виткам резьбы и большую ее герметичность.
Бурильные трубы КССК-76 по сравнению с трубами ССК рассчитаны на работу при больших изгибающих нагрузках. Трубы соединяются в свечи муфтами, а свечи — муфтово-замковым соединением. Трубы имеют высадку с обоих концов, наружная поверхность муфт и замков упрочнена термообработкой ТВЧ. Кроме того, разработан и освоен комплекс КССК-76М с усовершенствованной конструкцией
Таблица 3. Технические характеристики бурильных труб ССК
Показатели ССК-46 ССК-59 ССК-76 КССК-76
Диаметры трубы, мм:


Наружный 43,0 55,0 70,0 70,0
Внутренний 33,4 454 60,4 61,0
по внутренней высаженной части — — — 53,0
Толщина стенки, мм
4,8 4,8 4,8 4,5
Длина, м
1,5; 3,0; 4,5 1,5; 3,0; 4,5 1,5; 3,0; 4,5 4,5
Масса 1 м, кг 4,5 6,0 7,7 8,3
Материал Сталь 38ХНМ Сталь 36Г2С

Тип соединения Труба в трубу Муфтово-замковое

Муфта трубная:


диаметр наружный, мм
— — — 73
диаметр внутренний, мм
— — — 53
Замок:


диаметр наружный, мм
— — — 73
диаметр внутренний, мм
— — — 53
масса, кг
— —
5,8
Зазор между бурильной колонной и скважиной, мм
1,7 2,2 3.2 3,2; 1,7 (по муфте)
Технологические особенности бурения снарядами со съемными керноприемниками обусловливаются конструктивными особенностями используемых технических средств.
Высокая герметичность резьбовых соединений бурильных труб позволяет обеспечивать нормальный процесс бурения при расходах промывочной жидкости в пределах 8 + 12 л/мин. При этом возникающие высокие значения гидродинамических сопротивлений при прокачивании промывочной жидкости снижаются за счет введения в состав полимерных добавок, которые действуют комплексно, снижая трение бурильной колонны о стенки скважины и стабилизируя глиносодержащие горные породы, предотвращая их обрушение.
Так, при бурении монолитных и слаботрещиноватых пород рекомендуется применять водные или малоглинистые (до 4 % глины) растворы на основе водомасляной эмульсии (смазывающей добавки) и стабилизирующим полимерным реагентом К-4 (до 2 % к объему раствора). При бурении в сложных горно-геологических условиях (трещиноватые горные породы, глиносодержащие породы, зоны тектонических нарушений с «глиной трения») необходимо использовать глинистые растворы, содержащие в своем составе до 4—6 % высококачественного бентонита и обработанные реагентом К-4 (до 2—2,5 %), пастой кожевенной эмульгирующей (до 1,5—2 %) и кальцинированной содой (до 0,5—0,7 %). В таких условиях целесообразно также использовать полимербентонитовые растворы с малым (до 2 %) содержанием твердой фазы (бентонита), при введении в состав раствора полимеров ряда полиакролонитрила (гипан 0,7; гипан 1,0; К-4, К-9, М-14) в количестве до 0,3— 1,0% или полиакриламида ПД-4, ПД-5 в количестве до 0,1—0,5% к объему промывочной жидкости.
Каждый рейс с новой алмазной коронкой необходимо начинать с ее приработки на следующем режиме:
частота вращения — до 300/мин;
осевая нагрузка — до 400 даН;
расход промывочной жидкости — до 20 л/мин.
В течение первых 10—15 см углубки ведется приработка алмазной коронки. Дальнейший процесс бурения осуществляют на режиме, обеспечивающем максимальную механическую скорость бурения и углубку за рейс при минимальном расходе алмазов. К концу рейса по мере притупления алмазов осевую нагрузку необходимо увеличивать, рекомендуемые пределы изменения которой в зависимости от типа алмазной коронки приведены в табл. 4. Частоту вращения бурильной колонны выбирают в зависимости от глубины скважины в соответствии с рекомендациями, приведенными в табл. 5. Для опробования угольных пластов разработаны специальные съемные керноприемники типа «Конус», снабженные штампом.
Таблица 4