Юшков А. С.
Донецкийнациональный технический университет Источник: Совершенствование техники итехнологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые/Межвузовский научныйтематический сборник — Свердловск: Свердловский горный институт — 1989, с.51.
Впроцессе работ по отбору ориентированного керна было обнаружено, что вискривленных скважинах поверхность керна имеет неодинаковую шероховатость: содной стороны, она рельефная, в виде борозд, штрихов, с другой — гладкая, подшлифованная,причем степень подшлифовки увеличивается до зеркальной с ростом твердостипород.
Посколькуоказалось, что рельефная поверхность обращена к висячей стенке скважины, агладкая — к лежачей, стало возможным использовать это явление в целяхориентирования керна.
Значениеспособов, позволяющих получить ориентированный керн в любой момент послеокончания бурением интервала или всей скважины, трудно переоценить. Особеннобольшую ценность представляют способы, не требующие для своего осуществленияприменения достаточно дорогих, но мало надежных технических средствнепрерывного или периодического маркирования керна, или проведения работ, связанныхс длительным присутствием на объектах персонала специальной квалификации.
РаботникамиПРО «Севкавгеология» и Центральной опытно-методической партии кернометрии вначале семидесятых годов было просмотрено более 8 тыс. м керна, выполнено более1300 измерений с контрольным отбором образцов керноскопами КО и бесприборнымспособом [1]. Выявлено, что закономерность проявляется с искривлением не ниже 0,15° на 20… 25 м и отсутствует в прямолинейных наклонных и вертикальныхскважинах. Точность определения положения апсидальной плоскости по фактуреповерхности керна была признана не уступающей керноскопом КО-73. Последующееизучение данного вопроса показало, однако, что отклонение измеренного положенияапсидальной плоскости (по серединам дуг рельефной поверхности или подшлифовки)от полученного с помощью керноскопов может отличаться на 30...90 градусов иболее.
ВСвердловском горном институте Л. Г. Шолоховым, О. В. Ошкординым был выполнентеоретический анализ и проведены экспериментальные исследования возможностейоценки положения керна в пространстве по анализу фактуры его поверхности. Входе исследований установлено, что плоскостью, в которой расположены участкинаименьшей и наибольшей шероховатости, является не апсидальная плоскость, аплоскость искривления скважины. Это позволило теоретически определить величинуапсидального угла отклонения плоскости, т. е. дать метод снижения возможныхошибок, ограничив их естественным разбросом данных [2].
Входе экспериментов было подмечено, что участки керна с четкой резьбовиднойрельефностью наблюдаются чаще при твердосплавном бурении, четкая рельефностьповерхности при алмазном бурении отмечалась при более высокой интенсивностиискривления, чем при твердосплавном. Было также экспериментально показано, чтов ходе бурения искривленной скважины керн своей выпуклой стороной соприкасаетсяс поверхностью корпуса кернорвателя, в результате чего был сделан вывод о том, чтопричиной подшлифовки является трение об элементы колонкового набора. Даннаяработа явилась большим шагом вперед в направлении использования бесприборногоспособа ориентирования керна, но причина образования рельефной поверхностикерна не была вскрыта, так как нельзя считать убедительным и четким утверждение,что «обработка поверхности керна, обращенной в сторону смещения забоя, полностьюотсутствует из-за непрерывного движения рабочей кромки матрицы (резцовтвердосплавной коронки), в результате чего эти участки поверхности керна имеютрезьбообразную шероховатую фактуру» [2].
Посколькуот твердого знания причин явления зависят возможности усовершенствования егодля практического использования, необходимо выдвижение гипотез о причинахявления и их экспериментальная проверка. Ниже сделана попытка нового объясненияпричин образования рельефной поверхности керна.
Рядомисследований, выполненных в различных организациях (КазИМС, ВИТР, МГРИ)различными исследователями (Ф. А. Бобылев, И. Н. Страбыкин, В. Н. Алексеев, Г.А. Воробьев, А. С. Лебедев, Б. В. Новожилов и др.), установлено, что движениеизогнутой бурильной колонны в скважине носит сложный характер, включающийвращение вокруг себя оси и обращение по сложной траектории вокруг оси, находящейсяв пределах ствола скважины. Установлено, что изгиб бурового снарядараспространяется и на колонковый набор в случае его пониженной жесткости, ахарактер движения колонкового набора также связан с характером движениябурильной колонны.
РаботамиМГРИ по скоростной киносъемке движения колонкового снаряда подтверждена связьхарактера движения колонны труб и колонковой трубы [3]. В наклонной скважинеточка оси трубы в сечении ее на расстоянии 1, 5 м от забоя описывает в плоскости сечения эллипсовидную фигуру, короткая ось которой располагается вплоскости, близкой к апсидальной, или смещена относительно нее на некоторыйугол, зависящий от соотношения диаметров скважины и бурильной колонны.Установлено, что полный замкнутый цикл движения оси колонковой трубыотносительно некоторой фиксированной точки скважины происходит за время, превышающеевремя одного оборота снаряда.
/>
Рис.1Схема перемещения изогнутого бурового снаряда в искривленной скважине Рассмотримсхему на рис. 1. При обращении изогнутой бурильной колонны вокруг оси скважиныона стремится соприкасаться со стенками скважины в точках С и О. Характервоздействия на колонковый набор при этом различен. При соприкосновении колоннысо скважиной в точке С колонковая труба возникает боковая сила, действующая накоронку вниз со стороны висячей стенки скважины. Эта сила зависит от силыприжатия колонны к стенке скважины, и соотношения плеч СА и АЕ. Плечо АЕуменьшается с увеличением кривизны скважины. Так, при изменении интенсивностиискривления с 0, 01 до 0, 06 град/м для диаметра трубы 73 мм расстояние АЕ уменьшается с 4 до 1, 7 м.
Соответственнодолжна увеличиться и отклоняющая коронку сила. Учитывая, что величина силы, по-видимому,непостоянна, а ее возникновение приходится не на каждый оборот снаряда, накерне образуются более глубокие борозды в моменты, соответствующиевозникновению силы максимальной величины. Влияние сил, возникающих в плоскости,перпендикулярной апсидальной (бикасательная плоскость), в обе стороны примерноравнозначно. При прижатии колонны к стенке скважины в точке О, т. е. к вогнутойповерхности, условий для возникновения боковой силы, направленной вверх, несоздается, или такая сила возникает, но в связи с опорой колонкового набора вточке В на переходник. При этом расстояние от точки В до забоя больше плеча АЕ.
Сописанных позиций находит объяснение указанный выше факт, что четкаярельефность при алмазном бурении наблюдается при более высокой интенсивностиискривления, чем при твердосплавном бурении. Очевидно, что для более крепкихпород нужно большее усилие для создания существенной борозды на керне. Крометого, твердосплавное бурение обычно ведется большими диаметрами, чем алмазное,т. е. возможности для отклонения колонны труб от оси скважины больше. На рис. 1показана жесткая колонковая труба. Ситуация в принципе не изменится, еслирассматривать упруго прогнутую колонковую трубу. И в этом случае периодическибудет возникать боковая сила, прижимающая коронку к керну в моменты, когдасоприкасаются выпуклые поверхности скважины и колонковой трубы.
Такимобразом, причиной образования рельефной поверхности на верхней стороне кернаможет являться обращение бурового снаряда в искривленной скважине с частотой, меньшей,чем частота вращения снаряда. Направление обращения принципиального значения, по-видимому,не имеет. Образование подшлифованной поверхности по схеме на рис. 1 может бытьобъяснено следующим образом. При периодическом переходе колонкового набора изположения, показанного пунктиром, в положение, когда труба прижата к стенкескважины в точке А, плоскость торца коронки поворачивается относительно точки Е,отрываясь от забоя. Это может привести к дополнительному взаимодействиюподрезных резцов или алмазов с нижней поверхностью керна по сравнению с верхнейи дополнительной проработкой и срезанию имевшейся шероховатости.
Амплитудаколебания нижней части коронки составляет сотые доли миллиметра, но ее величинаимеет один порядок с углубкой скважины за оборот снаряда, т. е. с фактором, определяющимобразование шероховатости. В крепких породах величина углубки за оборот падает,в то время как амплитуда колебаний сохраняется, что может явиться объяснениембольшей степени сглаженности. Кроме того, поскольку с нижней стороны керна несоздается условий для нанесения борозд, гладкий характер этой части кернаможет являться следствием обычной обработки керна, наблюдаемой как особыйхарактер обработки лишь по контрасту с диаметрально противоположной сторонойкерна, имеющей микроуступы
/>
Рис.2.Схемы взаимного расположения керна и нижней части колонкового набора:
Кк— радиус оси керна; Rт —радиус искривленного колонкового набора; К —зонакасания керна и корпуса кернорвателя
Остаетсятруднообъяснимым факт трения керна о поверхность корпуса кернорвателя. По рис.2, а видно, что в идеальном положении, когда линия сечения торца коронкисовпадает с радиусом искривляющейся скважины, касания искривленного керна споверхностью корпуса кернорвателя в зоне К происходить не может. Прирассмотренной выше ситуации, когда колонковая труба прижата к выпуклой частиствола скважины, касание, как следует из схемы (рис. 2, б),
Посколькувопрос о возможностях достаточно эффективного применения бесприборного способа ориентированиякерна является весьма важным, нужна постановка масштабных экспериментальныхработ как в лабораторных, так и естественных условиях. При бурении блоковгорных пород можно изучить характер фактуры поверхности не только керна, но истенок скважины в призабойной зоне, влияние на образование рельефнойповерхности керна типа коронок по характеру внутренних резцов, категории породпо буримости, состава пород, их абразивных свойств, истираемости и другихфакторов. В естественных условиях важным является выявление влияния наобразование микроуступов эксцентриситета коронок, установки над коронкойрасширителя, корпуса кернорвателя, на колонковом наборе центраторов, а над нимбурильных труб специальных профилей, применения колонковых труб различной жесткости,эллипсных в сечении и с эксцентричной массой. Влияние может оказать и режимбурения, в частности осевая нагрузка, определяющая величину упругого изгибаколонковой трубы. Полезно более тщательное изучение самой шероховатостиповерхности путем точных измерений с использованием продольных разрезов керна.Должно быть оценено влияние угла наклона скважины и соотношения диаметровскважины и бурильных труб.
Детальноена научной основе исследование перечисленных и других вопросов может привести котысканию способа снижения возможных пределов ошибок до погрешностей приборныхспособов, выявлению условий, с помощью которых удастся искусственно расширитьобласть получения надежных для ориентации участков керна с характернойфактурой. Не исключено, что одновременно могут быть найдены и новые объясненияхарактеру и особенностям работы коронки на забое в анизотропных породах, приводящимк искривлению скважин, что очень важно для решения проблем направленногобурения.
Список литературы
1.Кичигин К. М. Ориентирование керна бесприборным способом//Тезисы докладов IVконференции по геологии и полезным ископаемым Северного Кавказа (19—23ноября).—Ессентуки, 1974.—С. 319—320.
2.Ошкордин О. В. Ориентация керна наклонно-искривленных скважин бесприборнымспособом // Техника и технология бурения разведочных скважин: Межвуз. науч.темат. сб. / СГИ.— Свердловск, 1984.— Вып. 7.— С. 96— 102. 3. Тунгусов А. А. Одвижении колонкового снаряда // Изв. вузов. Геология и разведка.— 1985.—№ 6.—11-16.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта masters.donntu.edu.ua