Автобиография

Научный руководитель: профессор кафедры ТТГР Юшков Александр Сергеевич

Библиотека

Ссылки

Отчет о поиске

Индивидуальный раздел

Автореферат

С возникновением геологоразведочного бурения появилась потребность в получении ориентированных образцов горных пород из скважин для определения элементов залегания пород. Это обусловлено тем, что в отличие от исследования горных пород в обнажениях и выработках образцы из одиночных скважин не позволяли получить информацию об элементах залегания пород. Для получения достоверных данных необходимо пробурить хотя бы три разведочные скважины. С возникновением метода кернометрии появилась возможность изучать геологическое строение разреза по образцам поднятого из одной скважины ориентированного керна.

Несмотря на долгий путь, который прошла кернометрия в  своем развитии, она до сих пор не стала неотъемлемым элементом геологических исследований. Причины этого - недостаточное совершенство технических средств получения ориентированного керна, большие затраты времени на их применение, снижающие производительность бурения скважин, отсутствие квалифицированных специалистов в данной области и т.д.

Особенно актуальной задачей является повышение эффективности управления технологией применения и совершенствование механизмов для получения ориентированных образцов керна в картировочном бурении при геолого-структурной съемке и составлении геологических карт. Также при бурении вертикальных скважин применение кернометрии возникают трудности следующего характера: прямое ориентирование может производиться только с помощью магнитных или гироскопических систем.

Кернометрия включает две технологические операции: отбор ориентированного керна и определение элементов залегания (угла падения и азимута) слоев, прожилков, трещин и других видимых на керне или в ориентированных шлифах элементов горной породы. Ориентированным называется керн с нанесенной на его поверхности меткой, положение которой зафиксировано относительно оси скважины и известного направления до отрыва керна от забоя.

В вертикальных скважинах и скважинах с зенитным углами до 50 используют прямое ориентирование. В этом случае известным направлением, относительно которого фиксируется положение метки, считается направление на магнитный или географический полюс.

В наклонных скважинах применяют косвенный способ ориентирования, когда положение метки фиксируют относительно апсидальной (вертикальной) плоскости, проходящей через касательную к оси керна в точке отбора образца.

Рассмотрим классификацию способов и технических средств нанесения на керн ориентированных меток[1].

Устройства для ориентирования керна называют керноскопами или керноориентаторами. Все чаще термин «керноскоп» относят к устройствам, которые непосредственно наносят ориентированную метку на керн. Термин «керноориентатор» больше подходит для устройств, предназначенных для ориентированного отрыва керна от забоя без нанесения метки непосредственно в скважине.

Для анализа технических средств и способов кернометрии были предприняты множество попыток разработать классификации. Наиболее известна классификация М. И. Казанцева. В этой классификации в качестве основного признака принят способ нанесения меток, отмечены способы спуска прибора, ориентирования меток, а также фиксация положения ориентирующих элементов. Данная классификация составлялась еще в 1970 г. на основе известных к тому времени 35 устройств и способов. Ее недостатками можно считать ошибочное определение основного признака, которым фактически является не способ нанесения меток, а место их нанесения. Способы нанесения меток в классификации не приводятся вообще. Классификация является не общей для всех приборов, а носит частный характер, так как выделенные группы устройств по применяемому ориентатору относятся к конкретному устройству. Многие появившиеся в более позднее время устройства нельзя вписать в данную классификацию, хотя учтенные в классификации признаки используют.

Известны также частные классификации, которые рассматривают один какой-либо признак. Так, при проведении исследований, выполнявшихся на кафедре техники разведки СГИ, все способы разделялись на четыре группы по технологии ориентирования:

1) нанесение ориентированной метки на забой скважины;

2) ориентированный отрыв керна;

3) ориентация керна непосредственно в процессе бурения;

4) бесприборные способы ориентации керна.

Лаборатория кернометрии КазНИИМС классифицирует все устройства для получения ориентированного керна по количеству ориентированных отметок в течение рейса (однократная или многократная ориентация) и по совмещению операций бурения и ориентирования. Классификация привязана к конкретным конструкциям керноориентаторов.

Данные классификации вполне приемлемы, но не дают необходимых дробных делений разновидностей устройств. Методы фиксации положения ориентирующих элементов и способы ориентирования меток не зависят от способа нанесения меток. В большинстве случаев любое устройство для нанесения ориентирующих меток на керн может оснащаться ориентатором, использующим химический, механический или другой метод фиксации. Также в зависимости от того, применяется устройство в вертикальных или наклонных скважинах, оно может оснащаться ориентатором для прямого ориентирования относительно стран света или для косвенного — относительно апсидальной плоскости. В следствие этого можно использовать две отдельные классификации: одну — для способов и устройств получения ориентирующих меток или базы для ориентации, другую - для ориентаторов и способов собственно ориентирования. Такой подход не исключает наличие связей между маркирующими узлами и ориентаторами, которые необходимы для функционирования конкретных керноскопов или систем, включающих керноориентатор и колонковый набор.

Рассмотрим кратко средства кернометрии.

Изначально создавались средства нанесения меток на боковую поверхпость керна специальным рейсом после его выбуривания. Однако они были несовершенны, и в 50-х годах с внедрением керноскопов К-5 приоритет получили средства нанесения меток на очищенный от шлама и остатков керна забой скважины. Основное преимущество применения технических средств этого вида заключаются в том, что при нанесении метки на боковую поверхность предварительно выбуренного керна всегда существует вероятность ошибки вследствие возможности нанесения метки на керн, уже отделенный от массива.

Создана и применяется большая группа разнообразных устройств, наносящих на поверхность забоя неглубокие ориентированные метки сверлением, царапанием, ударом или серией ударов, задавливанием, а также направленным действием струи жидкости или взрыва кумулятивного заряда. Сюда же относятся устройства для получения отпечатка поверхности забоя. Многие из разработанных устройств достаточно просты и надежны, но, как показала практика, область их рационального применения ограничивается монолитными и слаботрещиноватыми породами, у которых верхняя часть керна с ориентирующей меткой не разрушается в процессе выбуривания керна.

Более совершенна группа технических средств, которые образуют на забое не мелкую лунку, а глубокое отверстие. В этом случае метка сохраняется, даже если верхняя часть ее вместе с торцом керна будет разрушена. Относящийся к данной группе керноскоп типа КО — самое распространенное устройство до настоящего времени.

Тенденции развития техники кернометрии в последние годы свидетельствуют об интересе к виду устройств и способов, которые позволяют получать ориентированный керн нанесением метки на боковую поверхность керна в процессе бурения без специальных рейсов и спуско-подъемных операций и в основном без дополнительных затрат в балансе рабочего времени буровой бригады. Среди способов и технических средств этого вида выделена группа средств, наносящих продольные и поперечные отметки, а также группа средств ориентированного отрыва керна, при использовании которых метка наносится на боковую или нижнюю торцевую поверхность керна после подъема колонковего набора на поверхность[2].

Группа средств, наносящих продольные царапины на керн, относится к наиболее перспективным из тех устройств, которые наносят метку непрерывно или периодически. Это позволяет применять кернометрию в трещиноватых породах, получая не один, а множество ориентированных образцов в керне за один рейс бурения, что обеспечивает их ориентированную увязку. Здесь возможны два варианта конструкций. В первом метки на керн наносятся в течение рейса непрерывно боковыми резцами, расположенными в корпусе коронки под кернорвателем, а положение ориентирующей линии фиксируется периодически на фотопленку или другой носитель информации. Такие устройства в течение многих лет применяются в зарубежной практике кернометрии при бурении как геологоразведочных, так и нефтяных скважин. Во втором варианте метки на керн наносятся периодически одновременно с фиксацией их положения ориентатором путем перемещения вну¬тренней трубы с резцом или с использованием других индикаторов. В первом варианте при относительно простом узле нанесения метки применяют достаточно сложные и дорогостоящие ориентаторы; во втором — ориентаторы могут иметь более простую конструкцию, но усложняется узел нанесения метки вследствие необходимости его периодического использования.

Способом, позволяющим практически полностью устранить дополнительные затраты времени на ориентирование керна, является его ориентированный отрыв. Однако область применения группы устройств, основанных на этом способе ограничивается монолитными и слаботрещиноватыми породами. Применение стандартных кернорвателей не обеспечивает высокую надежность отрыва керна. Кернорвательные кольца проскальзывают по керну на значительную длину, которая должна быть представлена целым куском керна. Чувствительные элементы ориентаторов фиксируются обычно в момент отрыва керна, сопровождаемый возникновением инерционных сил. Ориентаторы должны иметь подвижные соединения, системы блокировки чувствительного элемента и разгрузки колонны труб от крутящего момента. получают только 50% надежно ориентированных образцов.

Близка к устройствам для ориентированного отрыва керна группа средств для нанесения продольной метки, у которых в конце рейса керн заклинивается перемещением внутренней керноприемной трубы, оснащенной резцом, с одновременной фиксацией его положения, и лишь затем производится отрыв керна. Недостаток таких устройств — необходимость применения двойной колонковой трубы, а преимущество — более надежное заклинивание керна в слаботрещиноватых породах и менее жесткие условия работы ориентатора.

Часто необходимость ориентирования керна возникает уже после того, как скважина пробурена, в процессе увязки результатов ее бурения с данными по другим скважинам или вследствие возникновения новых гипотез о строении месторождения. Если скважины ликвидированы, то единственными способами, позволяющими В определенных условиях оценить ориентировку структурных элементов горных пород, являются способ магнитной ориентации, способ изучения фактуры (шероховатости) поверхности керна, а также способ ориентации керна по базовому структурному элементу с устойчивым залеганием.

Завершая краткий обзор способов и средств кернометрии с учетом предложенной классификации, необходимо отметить следующее:

- в настоящее время отсутствуют универсальные средства, которые могли бы использоваться для получения ориентированных кернов в широком диапазоне геолого-технических условий;

- создание универсальных средств вряд ли целесообразно, так как это неизбежно приведет к удорожанию работ в целом;

- перспективно создание надежных устройств, обеспечивающих ориентированный отбор керна с неоднократной фиксацией его положения в течение рейса; в то же время если длина рейса соизмерима с длиной интервала, на котором для конкретных условий обеспечивается ориентированная увязка керна по изломам и другим признакам, то вполне приемлемо применение простых средств однократной фиксации положения керна;

- в условиях устойчивого залегания пород на значительных интервалах возможно использование средств разового отбора ориентированного керна;

- большинство известных технических средств обеспечивают надежное получение ориентированного керна только в монолитных и слаботрещиноватых породах при высоком выходе керна, поэтому наряду с разработкой специальных средств для трещиноватых пород следует решать вопросы применения для кернометрии традиционных и новых методов повышения выхода керна;

- по-видимому, наиболее эффективно будет сочетание использования различных способов ориентирования керна в зависимости от конкретных горно-геологических условий, причем целесообразно расширить область применения в кернометрии методов, позволяющих исследовать уже выбуренный керн или пробуренные скважины.

Далее рассмотрим существующую классификацию ориентаторов и способов ориентирования в кернометрии.

Устройства и способы ориентирования, применяемые в кернометрии, можно разделить на предназначенные для прямого, косвенного и комбинированного ориентирования. Первые служат для определения пространственного положения нанесенной на керн метки относительно направления на магнитный или географический полюс, а также любого направления, положение которого по отношению к направлению на полюс известно. Вторая группа устройств служит для определения углового положения метки относительно апсидальной плоскости в наклонных скважинах. Для определения положения метки и структурных элементов в пространстве дополнительно нужны данные инклинометрии.

Третья группа включает устройства, которые имеют датчики апсидальной плоскости, азимута и угла наклона скважины.

Многообразие способов отбора ориентированного керна объективно обусловлено разнообразием горно-технических условий бурения, сложностью строения и разнообразием типов месторождений, многообразием задач и требований методики разведки недр, а также технико-экономическими условиями ведения работ.

Рассмотрим устройство для отбора ориентированных образцов керна из вертикальных и близких к вертикали скважин конструкции СГИ, которое является аналогом усовершенствованного керноориентатора.

Рисунок 1 - Керноориентатор конструкции СГИ

Данное устройство содержит обычный по конструкции нижней части буровой снаряд, в верхней части которого установлено седло 4 под посадочный элемент в виде шара 2. Вокруг седла располагается лимб 6. Линия лимба 0-1800 совпадает с осями двух винтов 5, по головкам которых на наружной поверхности колонковой трубы проведены продольные линии 1 до буровой коронки, причем на линии, соответствующей нулю, есть отличительная метка. Шкала лимба разбита против часовой стрелки аналогично шкале горного компаса, что упрощает отсчет магнитного азимута. По периферии отверстия седла размещены пружинящие лепестки 3. Посадочный элемент выполнен из материала с плотностью менее 1 г/см3 в форме шара, диаметр которого меньше диаметра соединений бурильных труб. Через центр шара просверлено цилиндрическое отверстие, в которое вставлен стержневой постоянный магнит 7, выполняющий роль магнитной стрелки. Перпендикулярно к магниту по оси симметрии посадочного элемента расположено отверстие с резьбой, в которое ввинчивается свинцовый груз 8. Масса грузика должна обеспечивать погружение шара в буровой раствор. Такие устройства позволяют отбирать образцы ориентированного керна без выполнения специальных спуско-подъемных операций, что сокращает затраты времени. Ориентация керна совмещена с обычным рейсом бурения, ориентатор включают, как правило, в состав обычных колонковых наборов над колонковой трубой. Достоинством этого устройства является простота его конструкции. К недостаткам можно отнести следующее: - узел фиксации установлен в переходнике, поэтому при заполнении колонковой трубы керном возможно истирание этого узла; - в седле для фиксации шара использованы металлические лепестки.

ОПИСАНИЕ РАЗРАБОТАННОГО УСТРОЙСТВА

Устройство для получения ориентированного керна включается в колонну бурильных труб в виде муфты для соединения труб в свечу[3]. В нижней части содержится обычный по своему составу буровой снаряд. Также перед колонковым снарядом включают одну или две немагнитные бурильные трубы.

Рисунок 2 - Разработанное устройство

В нижней части муфты 2 установлено седло 4 под посадочный элемент в виде шара 3. Вокруг седла располагается лимб . Шкала лимба разбита против часовой стрелки аналогично шкале горного компаса, что упрощает отсчет магнитного азимута. Внутри отверстия седла расположен резиновый элемент 5 для фиксации шарика. Посадочный элемент выполнен из материала с плотностью менее 1 г/см3 в форме шара, диаметр которого составляет 16 мм, что меньше диаметра соединений бурильных труб. Через центр шара просверлено цилиндрическое отверстие, в которое вставлен стержневой постоянный магнит 6, выполняющий роль магнитной стрелки[5]. Перпендикулярно к магниту по оси симметрии посадочного элемента расположено отверстие с резьбой, в которое ввинчивается свинцовый грузик 7. Масса грузика обеспечивает погружение шара в буровой раствор. На поверхности шара нанесены отличающиеся друг от друга полуокружности, соответствующие северному и южному полюсам магнита. Образующаяся меридиональная окружность представляет собой след пересечения плоскости, проходящей через оси магнита и грузика, с поверхностью шара. Нанесена также окружность, проходящая через ось магнита, перпендикулярная к первой и являющаяся экватором.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ УСТРОЙСТВА

Для получения ориентированного керна бурильную колонну с устройством без посадочного элемента опускают на забой и бурят скважину обычным способом. Перед отрывом керна колонну натягивают и через бурильные трубы сбрасывают посадочный элемент. При падении шар устанавливается грузиком вниз и ось магнита занимает горизонтальное положение[5]. Достигнув нижних немагнитных бурильных труб, посадочный элемент поворачивается под действием магнитного поля Земли до совмещения оси магнита с линией магнитного меридиана. Далее, посадочный элемент достигает седла и фиксируется в нем резиновым элементом. Керн отрывают от забоя и после подъема на поверхность на него переносят направление 0-1800 с керноориентатора. Отвинтив верхнюю часть муфты, против линии северной полуокружности прочитывают магнитный азимут линии, нанесенной на керн[6].

Рисунок 3 - Принцип действия устройства

(анимация состоит из 6-ти кадров с задержкой 0,35 мс между кадрами; 

задержка до повторного воспроизведения составляет 0,40 мс;

количество циклов повтора: 10)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РАБОТЫ

В работе предусмотрены два вида экспериментов:

1) для определения времени проворота шара;

2) для определения количества немагнитных труб над устройством.

Для определения времени проворота шара было проведено 50 опытов и выведено среднее значение, которое составляет 12 секунд.

Для проведения второй части экспериментальных работ сделан стенд. На основе опытных данных рассчитана длина немагнитных труб, которые необходимо включить в бурильную колонну выше керноориентатора, чтобы на посадочный элемент в виде шара действовало только магнитное поле Земли[7].

ВЫВОД

В результате выполнения магистерской работы разработан керноориентатор, позволяющий получать ориентированный керн в вертикальных скважинах. Проведены дополнительные экспериментальные работы по определению времени проворота шара. В зависимости от времени проворота шарика определена необходимая длина немагнитных труб.

Оценен экономический эффект от применения кернометрии в процессе картировочного бурения для определения элементов залегания пород по сравнению с бурением трех скважин.

Литература

1. Юшков А. С. Кернометрия – М.: Недра, 1989. – 224с.

2. Шитихин В.В. Технические средства для направленного бурения скважин малого диаметра: Учебное пособие. – Ленинград: Недра, 1978. – 112с.

3. Волков А. С. Буровой геологоразведочный инструмент – М.: Недра, 1979. – 286 с.

4. Анурьев В. И. Справочник конструктора –машиностроителя – М.: Машиностроение, 2001. – Том 1 – 920 с.

5. Кардашинский Л.А.,Клейман А.Ю., Пугачев В.Н. Минимизация погрешностей передачи курса дистанционным магнитным компасом– М.: Недра, 2003.- 240 с.

6. Нескоромных В. В., Калинин А. Г. Направленное бурение: учебное пособие - М.: Изд. ЦентрЛитНефтеГаз, 2008. - 384 с.

7. Ганджумян Р. А. Математическая статистика в разведочном бурении: Справочное пособие. - М.: Недра, 1990. - 218 с.

8.Пономарев П.П., Каулин В.А. Отбор керна при колонковом геологоразведочном бурении. - М.: Недра, 1989. - 185с.

9.Гребенюк А.А. Техника и технология получения керна. - М.: Недра, 1973. 81с.

10. Юшков А.С., Пилипец В.И. Геологоразведочное бурение. - Д.: НОРД-ПРЕСС, 2004.

11. Спутник буровика. Иогансен К. В. [Электронныйресурс]:

http://www.npf-geofizika.ru/leuza/gti/sp_burov.htm

Важно! При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Дата окончательного завершения 1 декабря 2009 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора и научного руководителя после указанной даты.