Керноотборные инструменты

Введение

Методические указания предназначены для студентов специальности 130504 «Бурение нефтяных и газовых скважин» очной, заочной и заочно-сокращенной форм обучения и могут быть использованы при выполнении учебно-исследовательских работ студентами других специальностей.

Целью ознакомления студентами инструмента для отбора керна.

Методические указания будут полезны при изучении курсов по технологии бурения нефтяных и газовых скважин и заканчивания скважин.

Лабораторная работа № 1

Тема: Кернорватели.

Цель работы: Изучение инструмента для отбора керна.

Отбор образцов горных пород в виду столбика (колонки), называемом керном играет существенную роль на всех стадиях разведки и разработки нефтяных и газовых месторождений. Изучение геологического строения массива горных пород, подсчет запасов и составление проектов разработки залежей требует получения большого объема информации, который может быть также получен при помощи проведения географических методов исследований. Но в силу того, что керн является прямым источником информации о свойствах горных пород, его доля по данным работы [1], достигает 70-80 % от всего объема информации.

Отбор керна производится при помощи керноотборного инструмента с бурильной головкой, разрушающей породу по кольцу у стенки забоя с сохранением в центре скважины столбика керна.

Для этого необходимо выполнить следующие операции [2]:

· Разрушение породы по кольцу для образования столбика керна;

· Продвижение керна в керноприемную трубу для сохранения его во время рейса;

· Отделение столбика керна от забоя при необходимости подъема инструмента;

· Подъем керна на устье;

· Извлечение колонки керна из керноприёмной трубы наклоном её и лёгким постукиванием.

Керноотборные инструменты

В практике геологоразведочных работ керноотборное устройство носит немало различных названий. Это колонковый снаряд, двойной колонковый набор, колонковое турбодолото, шпиндель универсальный керноотборный и т.д.

Керноотборные инструменты совершенствовались вместе с совершенствованием бурового дела. В 19 веке при всеобщем распространении ударного способа бурения геологические службы довольствовались отбором разрушенной горной породы (шлама) из желонок, но при этом получение такой информации, как пористость, проницаемость, нефтенасыщенномть, содержание остаточной водонасыщенности в породах не представлялось возможным.

При переходе на вращательное бурение использовались примитивные инструменты для отбора образцов пород.

По данным Брентли Д. Е. [3], Копылова В. Е. [4] первые устройства были следующие:

1 Ложковый бур. Это стальной цилиндр с вертикальной прорезью и скошенным внизу режущим лезвием, которым и осуществляется разрушение мягких горных пород при углублении. Инструмент называют также «буровой ложкой». Следует отметить, что этот инструмент почти без изменений применяется до сих пор при бурении неглубоких инженерно-геологических скважин.

2 Трубный паук, изготовленный из бурильной трубы. На нижнем конце ее при помощи ножовки или ацетоновой резки вырезают зубья. При осевой нагрузке и вращении с малым расходом бурового раствора, или без него, конец трубы погружается в породу, зубья загибаются и захватывают керн.

3 Дробовый бур, представляющий собой одинарную колонковую трубу с дробовой коронкой. При вращении дробь разрушает по кольцу горную породу, образуя столбик керна, который заклинивается в коронке гвоздями, крупными частицами твердых горных пород единовременно добавляемых в буровой раствор.

В настоящее время в стране производятся только керноотборные устройства для бурения ротором или с подвеской его на вал гидравлического забойного двигателя:

· Серии «Недра» для отбора керна в породах I и II категории трудности, то есть в неосложненных условиях. Это устройство керноотборные роторные типов УКР-122/52, УКР-138/69, УКР-164/80, УКР-203/100. Первая цифра шифра УКР обозначает диаметр скважины, вторая – диаметр керна в мм.

· Серии «Кембрий» для отбора керна в рыхлых, слабо сцементированных, размываемых буровым раствором, III категории пород по трудности отбора керна. Это УКР-172/100, УКР-127/67, УКР-122/67.

· Серии «Силур» применяется в интервалах горных пород, осложненных прихватами бурильных колонн. Эта серия керноотборных устройств включает УКР-114/52, УКР-146/80.

· Серии «Тенгиз», предназначенных для отбора керна в условиях наличия нефтегазоводопроявлений и поглощений буровых растворов. Представлена одним типом устройства УКР-185/100.

Схематическое устройство приведенных керноотборных устройств показано на рисунке 1.

Конструкция регулировочной головки 1 существенно отличает комплекс описанных керноотборных устройств от известных ранее. Благодаря головке достигается регулирование зазора между башмаком кернорвателя и бурильной головкой без подъема керноприемной трубы 4. Узел шарикоподшипника 2 позволяет предотвращать вращение керноприемной трубы 4 с кернорвателем во вращающимся корпусе 3. Шаровой клапан 5 предотвращает размыв керна струей бурового раствора. Важным усовершенствованием устройства является применение съемного эжектора, монтируемого вместо шара 5, для создания в керноотборном устройстве обратной

Рисунок 1 - Схематическое устройство керноотборных устройств

промывки. Это конструктивное решение позволяет повысить вынос керна за счет предотвращения заклинки керна в верхней части керноприемника скопившимся буровым шламом.

Базовой моделью всех описанных устройств является двухсекционное устройство, но «Недра», «Силур» используются также в односекционной и трехсекционной сборках, длиной 8, 16, 24 м и больше.

Что касается степени совершенства керноотборных устройств серий «Недра» и «Кембрий», то коэффициент керноотбора К₀ соответственно равен: «Недра», «Силур» - К₀=0,37-0,38; «Кембрий» - К₀=0,47-0,49.

Заметим, что коэффициент керноотбора К₀ должен быть К₀>0,40, то есть в конструкции керноотборного устройства «Кембрий» это условие соблюдено.

Коэффициент керноприема К_п, характеризующий отношений диаметра керна к расстоянию от керноприема до забоя скважины, который должен быть К_п>0,7 у современных керноотборных устройств равен:

- керноотборные устройства «Недра», «Силур» К_п=0,5

- керноотборное устройство «Кембрий» К_п=7,0-10,0.

В печати опубликованы материалы о разработке новых керноотборных устройств из серии «Недра», например УКР-172/80-100 «Лайнер» с пластиковым вкладышем, УКР-195/120 «Риф» для отбора керна из рыхлых, сыпучих, сильно трещиноватых пород.

Для отбора керна из интервалов трещиноватых пород, склонных к самозаклинке в керноприемной трубе, в ВНИИБТ разработано керноотборное устройство магазинного типа серии МАГ, приведенное на рисунке 2.

Устройство может быть использовано с приводом от ротора или с подвеской на вал ГЗД. Устройство серии МАГ включает бурильную головку 1, разрушающую горную породу кольцевым забоем, керноприемную трубу 4 с кернорвателем и керноломом 2, переводник 3 для фиксации керноприемной трубы 4. Частицы керна, изломанные керноломом, по керноприемной трубе 4, по изогнутой керноприемной трубе 5 частью потока бурового раствора поднимаются в магазин в корпусе 6. Кроме того, цифрой 7 обозначена юбка для изменения направления обратного потока, специальный переводник для обратной промывки 8. Над переводником 8 размещается утяжеленная бурильная труба 9 с отверстиями. Далее труба с опорной плитой 10 и узел обратной промывки 11.

Рисунок 2 – Керноотборное устройство магазинного типа

серии МАГ

Важным этапом создания новой техники отбора керна повышенной информативности является разработка керноотборных устройств с изоляцией керна при бурении с раствором на водной основе. Разработанные в 80-90-х годах прошлого столетия в ЗапСибБурНИПИ под руководством Хайруллина Б. Ю. керноприемники изолирующие, маслонаполненные серии КИ, примененные на скважинах Уренгойского, Песцового, Берегового, Колик-Еганского и Ван-Еганского месторождений позволили получить увеличение выноса керна в рыхлых, слабоцементированных породах с 15-30 % до 82,5 %.

На рисунке 3 а приведено керноотборное устройство КИС.

Цифрой 1 обозначена пробка для изоляции внутренней полости керноприемника после его заполнения изолирующим агентом 3. Керноприемник 4 подвешен на шаровой опоре 2. В нижней части керноприемника размещены кернорватели рычажковый (6) и цанговый (7). Корпус 5 снабжен центраторами 10 для предотвращения его поперечных колебаний. Внизу корпуса размещена бурильная головка 8 и диафрагма 9 для изоляции внутренней полости керноприемника от бурового раствора. После подъема керноотборного стройства на устье керн извлекается из керноприемника и размещается в пластиковых пеналах и ящике для хранения и транспорта в лабораторию (рисунок 3 б).

Основные параметры КИС приведены в таблице 1.

Рисунок 3 а - Керноотборное устройство КИС

Рисунок 3 б – Пластиковые пеналы ящика

В работе [5] сообщается, что на основе КИС разработаны модификации керноотборного устройства с включением в устройство кольматирующего переводника. Новым устройствам присвоены шифры КИК 172/80 и КИК 195/100.

Устройство керноприемное «Структура»

УКС-178/60-80 разработано для отбора керна из донных отложений на морских акваториях. Предусмотрено два варианта отбора керна:

· с помощью динамического гидровдавливания в породу гидравлического поршневого породоотборника ГПП;

· роторным способом с керноприемником диаметром 80 мм.

Первый вариант отбора представлен на рисунке 4. Устройство состоит из бурильной головки 1 размером 219,7/80 мм, пробноотборной трубы 2 с пластиковым вкладышем для снижения сопротивления движению керна, корпуса 3, полированного штока 4, с соединенным с ним фиксатором 8, силового поршня 5, размещенного на верхней части пробоотборной трубы 7, фиксаторы 8, на котором подвешен весь механизм ГПП, и грибообразной головки 9 для последующего захвата шлипсом. ГПП в сборе сбрасывается в бурильную колонну, внизу которой уже размещен корпус устройства с бурильной головкой.

При подаче насосами воды давление перед силовым поршнем возрастает и штифты, крепящие поршень к штоку, срезаются и поршень с пробоотборной трубой передвигается вниз, внедряясь в породу. Рейс завершается спуском ловителя с захватом за грибообразную головку 9.

Таблица 1 - Основные параметры КИС

Характеристики	Обозначение снаряда
КИС – 114/67	КИС – 127/80	КИС – 172/100	КИС – 2 – 172/100	КИС – 195/100	КИС – 2 – 195/100	КИС – 168/100	КИС – 3 – 168/100
Диаметр скважины (бурголовки) минимальный, мм	120,0	139,7	187,3 212,7	187,3 212,7	212,7	212,7	212,7	212,7
Диаметр керна, мм
Диаметр корпуса, мм
Диаметр центраторов корпуса, мм	нет	138,1-0,4	185,7-0,5, 211,1-0,5	185,7-0,5, 211,1-0,5	211,1-0,5	211,1-0,5	211,1-0,5	211,1-0,5
Тип подвески	Маслонаполненная, герметичная, на подшипниках качения
Способ бурения	Роторный и турбинный
Масса, кг

Рисунок 4 – Устройство для отбора керна

Техническая характеристика УКС-178/60-80 приведены ниже:

· наружный диаметр корпуса, мм 178

· максимальный диаметр съемной грунтоноски, мм 99

· диаметр керна, мм 57,88

· длина керноприёмника, мм не мене 2000

· длина керноприемного устройства, мм не более 3800

· рабочее давление под поршнем, МПа 2,0-10,0

Кернорватели

Для отрыва керна от забоя и удержания его в несъемной трубе используются специальные устройства, называемые кернорвателями. Разработанные в ВНИИБТ [2, 6] кернорватели для керноотборных устройств Недра и Силур представлены на рисунке 5 а, б, в соответственно. На рисунке 5 а изображена компоновка кернорвателей КЦР-7, на рисунке 5 б КЦР-9 и на рисунке 5 в кернорватель рычажковый Р-26.

Компоновки КЦР-7 и КЦР-9 состоят обе из цангового и рычажкового кернорвателя, причем верхним устанавливается рычажковый.

Цанговый кернорватель предназначен для отбора керна в твердых, крепких и породах средней твердости. Конструктивно это пружинящее коническое кольцо, внутренние кромки (шлицы) которого наплавлены крупнозернистым твердым сплавом. Нижняя часть кольца снаружи выполнена в виде конуса.

Рисунок 5 – Кернорватели

При выбуривании керна последний, проходя через цангу, поднимает ее вверх, перемещая в наиболее полную по диаметру часть башмака (корпус кернорвателя). При этом керн беспрепятственно проходит в керноприемник. При подъеме керноотборного устройства столбик керна, оставаясь на какой-то момент неподвижным, обхватывается цангой из-за поднимающегося вверх совместно с устройством башмака.

Следует отметить, что внутренний диаметр цангового кернорвателя по выступающим кромкам, захватывающим керн, должен быть на 1-2 мм меньше предполагаемого диаметра керна.

Рычажковые кернорватели применяются при отборе керна в мягких и средней твердости породах. Они состоят из обоймы, рычажков (кулачков), пружин, откидывающих рычажки в горизонтальные положения. Рычажковый кернорватель скорее всего выполняет роль кернодержателя при подъеме керноотборного устройства к устью. Заметим, что в качестве кернодержателей иногда используются резиновые элементы.

Компановка КЦР-7 (рисунок 53 а) имеет эксцентричную обойму. Рычажки выполнены разной длины. Компоновка КЦР-9 (рисунок 53 б) снабжена кернорвателем Р-18П с тремя длинными и тремя короткими рычажками М – образной формы.

Кернорватель Р-26 (рисунок 5 в) применяется при отборе керна керноотборным устройством «Кембрий». В кернорвателе три длинных и три коротких рычажка с клиновидной по сечению формой почти полностью перекрывающие керноприемную полость – и сохраняющие керн, представленный трещиноватыми, рыхлыми, размытыми буровым раствором породами.

В кернорвателях рычажкового вида любых типов, во время поступления керна рычажки керном отклоняются в окна корпуса кернорвателя.

Кроме вышеописанных известны лепестковый и пружинный кернодержатели. За рубежом их выпускают фирмы ДБС, TSK и др. Лепестковый состоит из тонких пластинок-лепестков, собранных в виде купола, в который входит керн, раздвигая лопасти. Пружинный представлен утолщенными пластинами, собранными также в виде купола. Число пластинчатых пружин обычно 5-6. В нашей стране лепестковые кернодержатели выпускаются штучно в мастерских по заказам буровых мастеров. Отметим также то, что за рубежом выпускаются цанговые кернорватели, у которых цанга имеет не одну, а 10-12 сравнительно небольших по ширине прорезей. Ранее подобная цанга использовалась в двойном колонковом наборе «Уфимец».