Автореферат

Актуальність магістерської роботи

З виникненням геологорозвідувального буріння з'явилася потреба в отриманні орієнтованих зразків гірських порід із свердловин для визначення елементів залягання порід. Це обумовлено тим, що на відміну від дослідження гірських порід в оголеннях і виробках зразки з одиночних свердловин не дозволяли отримати інформацію про елементи залягання порід. Для отримання достовірних даних необхідно пробурити хоча б три розвідувальні свердловини. З виникненням методу кернометрії з'явилася можливість вивчати геологічну будову розрізу по зразках піднятого з однієї свердловини орієнтованого керна.

Не дивлячись на довгий шлях, який пройшла кернометрiя в своєму розвитку, вона до цих пір не стала невід'ємним елементом геологічних досліджень. Причини цього - недостатня досконалість технічних засобів отримання орієнтованого керна, великі витрати часу на їх застосування, що знижують продуктивність буріння свердловин, відсутність кваліфікованих фахівців в даній області і таке інше.

Особливо актуальним завданням є підвищення ефективності управління технологією застосування і вдосконалення механізмів для отримання орієнтованих зразків керна у картувальному бурінні вертикальних свердловин при геолого-структурнiй зйомці і складанні геологічних карт. Також при бурінні вертикальних свердловин iз застосуванням кернометрії виникають труднощі наступного характеру: пряме орієнтування може проводитися тільки за допомогою магнітних або гіроскопічних систем.

Аналітичний огляд

Кернометрія включає дві технологічні операції: відбір орієнтованого керна і визначення елементів залягання шарів (кута падіння і азимута), прожилків, тріщин і інших видимих на керні або в орієнтованих шліфах елементів гірської породи. Орієнтованим називається керн з нанесеною на його поверхні міткою, положення якої зафіксоване щодо осі свердловини і відомого напряму до відриву керна від забою.

У вертикальних свердловинах і свердловинах із зенітним кутами до 50 градусів використовують пряме орієнтування. В цьому випадку відомим напрямом, щодо якого фіксується положення мітки, вважається напрям на магнітний або географічний полюс.

У похилих свердловинах застосовують непрямий спосіб орієнтування, коли положення мітки фіксують щодо апсидальної (вертикальної ) площини, яка проходить через дотичну до осі керна в точці відбору зразка.

Розглянемо класифікацію способів і технічних засобів нанесення на керн орієнтованих міток[1].

Пристрої для орієнтування керна називають керноскопами або керноорієнтаторами. Все частіше термін «керноскоп» відносять до пристроїв, які безпосередньо наносять орієнтовану мітку на керн. Термін «керноорієнтатор» більше підходить для пристроїв, призначених для орієнтованого відриву керна від забою без нанесення мітки безпосередньо в свердловині.

Для аналізу технічних засобів і способів кернометрії було зроблено безліч спроб розробити класифікації. Найбільш відома класифікація М. І. Казанцева. У цій класифікації як основна ознака прийнятий спосіб нанесення мітки, відмічені способи спуску приладу, орієнтування мітки, а також фіксація положення орієнтуючих елементів. Дана класифікація складалася ще в 1970 р. на основі відомих на той час 35 пристроїв і способів. Її недоліками можна вважати помилкове визначення основної ознаки, якою фактично є не спосіб нанесення міток, а місце їх нанесення. Способи нанесення мітки в класифікації не приводяться взагалі. Класифікація не є загальною для всіх приладів, а носить приватний характер, оскільки виділені групи пристроїв по застосованому орієнтатору відносяться до конкретного пристрою. Багато пристроїв, що з'явилися пізніше, не можна вписати в дану класифікацію, хоча враховані в класифікації ознаки використовують.

Відомі також класифікації, які розглядають яку-небудь одну ознаку. Так, при проведенні досліджень, що виконувалися на кафедрі техніки розвідки СГI (Свердловський гiрничий iнститут), всі способи розділялися на чотири групи за технологією орієнтування:

1) нанесення орієнтованої мітки на забій свердловини;

2) орієнтований відрив керна;

3) орієнтація керна безпосередньо в процесі буріння;

4) безприборнi способи орієнтації керна.

Лабораторія кернометрии КАЗНІІМС класифікує всі пристрої для отримання орієнтованого керна по кількості орієнтованих відміток протягом рейсу (одноразова або багатократна орієнтація) і по поєднанню операцій буріння і орієнтування. Класифікація прив'язана до конкретних конструкцій керноорієнтаторів[2].

Дані класифікації цілком прийнятні, але не дають необхідних дробових ділень різновидів пристроїв. Методи фіксації положення орієнтуючих елементів і способи орієнтування міток не залежать від способу нанесення мітки. В більшості випадків будь-який пристрій для нанесення орієнтуючих міток на керн може оснащуватися орієнтатором, що використовує хімічний, механічний або інший метод фіксації. Також залежно від того, застосовується пристрій у вертикальних або похилих свердловинах, вiн може оснащуватися орiєнтатором для прямого орієнтування щодо сторін світу або для непрямого — щодо апсидальної площини. Тому ожна використовувати дві окремі класифікації: одну — для способів і пристроїв отримання орієнтуючих міток або бази для орієнтації, іншу - для орiєнтаторов і способів власне орієнтування. Такий підхід не виключає наявність зв'язків між маркіруючими вузлами і орiєнтаторами, які необхідні для функціонування конкретних керноскопiв або систем, що включають керноорiєнтатор і колонковий набір.

Розглянемо стисло засоби кернометрії.

Спочатку створювалися засоби нанесення мiтки на бічну поверхню керна спеціальним рейсом після його вибурювання. Проте вони були недосконалі, і в 50-х роках з впровадженням керноскопiв К-5 пріоритет отримали засоби нанесення мiтки на очищений від шламу і залишків керна забій свердловини. Основна перевага застосування технічних засобів цього вигляду полягають в тому, що при нанесенні мiтки на бічну поверхню заздалегідь вибуреного керна завжди існує вірогідність помилки унаслідок можливості нанесення мiтки на керн, вже відокремлений від масиву.

Створена і застосовується велика група різноманітних пристроїв, що наносять на поверхню забою неглибокі орієнтовані мітки свердленням, дряпанням, ударом або серією ударів, а також направленою дією струменя рідини або вибуху кумулятивного заряду. Сюди ж відносяться пристрої для отримання відбитку поверхні забою. Багато з розроблених пристроїв достатньо простi і надійнi, але, як показала практика, область їх раціонального застосування обмежується монолітними і слаботрiщинуватими породами, у яких верхня частина керна з орієнтуючою міткою не руйнується в процесі вибурювання керна.

Досконаліша група технічних засобів, які утворюють на забої не дрібну лунку, а глибокий отвір. В цьому випадку мітка зберігається, навіть якщо верхня частина її разом з торцем керна буде зруйнована. До даної групи відноситься керноскоп типу КО — найпоширеніший пристрій до теперішнього часу[3].

Тенденції розвитку техніки кернометрії останніми роками свідчать про інтерес до виду пристроїв і способів, які дозволяють отримувати орієнтований керн нанесенням мітки на бічну поверхню керна в процесі буріння без спеціальних рейсів і зпуско-пiдйомних операцій і без додаткових витрат в балансі робочого часу бурової бригади. Серед способів і технічних засобів цього виду виділена група засобів, що наносять подовжні і поперечні відмітки, а також група засобів орієнтованого відриву керна, при використанні яких мітка наноситься на бічну або нижню торцеву поверхню керна після підйому колонкового набору на поверхню.

Група засобів, що наносять подовжні подряпини на керн, відноситься до найбільш перспективних з тих пристроїв, які наносять мітку безперервно або періодично. Це дозволяє застосовувати кернометрiю в тріщинуватих породах, отримуючи не один, а безліч орієнтованих зразків в керні за один рейс буріння, що забезпечує їх орієнтовану ув'язку. Тут можливі два варіанти конструкцій. У першому мiтки на керн наносяться протягом рейсу безперервно бічними різцями, розташованими в корпусі коронки під кернорвачем, а положення орієнтуючої лінії фіксується періодично на фотоплівку або інший носій інформації. Такі пристрої протягом багатьох років застосовуються в зарубіжній практиці кернометрії при бурінні як геологорозвідувальних, так і нафтових свердловин. У другому варіанті мітки на керн наносяться періодично одночасно з фіксацією їх положення орієнтатором шляхом переміщення внутрішньої труби з різцем або з використанням інших індикаторів. У першому варіанті при відносно простому вузлі нанесення мітки застосовують достатньо складні і дорогі орiєнтатори, у другому — орієнтатори можуть мати простішу конструкцію, але ускладнюється вузел нанесення мітки внаслідок необхідності його періодичного використання.

До групи простих і таких, що не вимагають ніяких спеціальних пристроїв способів відносяться безпристройнi способи орієнтування керна нанесенням поперечних бічних борозд-міток. Орієнтовані мітки виходять в похилих свердловинах шляхом обертання бурової коронки без її подачі, або природним чином без припинення обертання, коли у викривлених свердловинах фактура поверхні керна неоднакова з його верхнього і нижнього боку. Ці способи перспективні унаслідок своєї простоти і економічності. Але в даний час вони не забезпечують необхідну точність і можуть служити лише для загальних оцінок залягання порід і ув'язки кернового матеріалу в проміжках між відбором орієнтованих зразків точнішими методами з використанням приладів.

Способом, що дозволяє практично повністю усунути додаткові витрати часу на орієнтування керна, є його орієнтований відрив. Проте область застосування групи пристроїв, заснованих на цьому способі, обмежується монолітними і слаботрiщинуватими породами. Застосування стандартних кернорвачiв не забезпечує високу надійність відриву керна. Кернорвальні кільця прослизають по керну на значну довжину, яка повинна бути представлена цілим шматком керна. Чутливі елементи орієнтаторів фіксуються зазвичай у момент відриву керна, що супроводжується виникненням інерційних сил. Орієнтатори повинні мати рухомі з'єднання, системи блокування чутливого елементу і розвантаження колони труб від крутильного моменту. У результаті отримують тільки 50 % надійно орієнтованих зразків.

Близька до пристроїв для орієнтованого відриву керна група засобів для нанесення подовжної мітки, у яких в кінці рейсу керн заклинюється переміщенням внутрішньої керноприйомної труби, оснащеної різцем, з одночасною фіксацією його положення, і лише потім проводиться відрив керна. Недолік таких пристроїв — необхідність застосування подвійної колонкової труби, а перевага — надійніше заклинювання керна в слаботрiщинуватих породах і менш жорсткі умови роботи орiєнтатора.

Часто необхідність орієнтування керна виникає вже після того, як свердловина пробурена, в процесі ув'язки результатів її буріння з даними по інших свердловинах або унаслідок виникнення нових гіпотез про будову родовища. Якщо свердловини ліквідовані, то єдиними способами, що дозволяють в певних умовах оцінити орієнтування структурних елементів гірських порід, є спосіб магнітної орієнтації, спосіб вивчення фактури поверхні керна, а також спосіб орієнтації керна по базовому структурному елементу із стійким заляганням[4].

Завершуючи огляд способів і засобів кернометрії з урахуванням запропонованої класифікації, необхідно відзначити наступне:

- в даний час відсутні універсальні засоби, які могли б використовуватися для отримання орієнтованих кернів в широкому діапазоні геолого-технiчних умов;

- створення універсальних засобів навряд чи доцільно, оскільки це неминуче приведе до дорожчання робіт в цілому;

- перспективне створення надійних пристроїв, що забезпечують орієнтований відбір керна з неодноразовою фіксацією його положення протягом рейсу; в той же час якщо довжина рейсу спiвпадає з довжиною інтервалу, на якому для конкретних умов забезпечується орієнтована ув'язка керна по зламах і інших ознаках, то цілком прийнятне застосування простих засобів одноразової фіксації положення керна;

- в умовах стійкого залягання порід на значних інтервалах можливе використання засобів разового відбору орієнтованого керна;

- більшість відомих технічних засобів забезпечують надійне отримання орієнтованого керна тільки в монолітних і слаботрiщинуватих породах при високому виході керна, тому разом з розробкою спеціальних засобів для тріщинуватих порід слід вирішувати питання застосування для кернометрії традиційних і нових методів підвищення виходу керна;

- мабуть, найефективніше буде поєднання використання різних способів орієнтування керна залежно від конкретних гiрничо-геологічних умов, причому доцільно розширити область застосування методів кернометрії, що дозволяють досліджувати вже вибурений керн або пробурені свердловини.

Далі розглянемо існуючу класифікацію орієнтаторів і способів орієнтування в кернометрії.

Пристрої і способи орієнтування, вживані в кернометрії, можна розділити на призначенi для прямого, непрямого і комбінованого орієнтування. Перші служать для визначення просторового положення нанесеної на керн мітки щодо напряму на магнітний або географічний полюс, а також будь-якого напряму, положення якого по відношенню до напряму на полюс відоме. Друга група пристроїв служить для визначення кутового положення мітки щодо апсидальної площини в похилих свердловинах. Для визначення положення мітки і структурних елементів в просторі додатково потрібні дані інклінометрії. Третя група включає пристрої, які мають датчики апсидальної площини, азимуту і кута нахилу свердловини.

Різноманіття способів відбору орієнтованого керна об'єктивно обумовлене різноманітністю гірничо-технічних умов буріння, складністю будови і різноманітністю типів родовищ, різноманіттям завдань і вимог методики розвідки надр, а також техніко-економічними умовами ведення робіт[6].

Обгрунтування напрямку робіт

Для бурiння картувальних свердловин необхiдно було вибрати спосіб и засіб для відбору керна, що забеспечать наименьшi витрати часу та не вимагають спецiального рейсу. До того ж треба зауважити, що в вертикальних свердловинах застосовується пряме орiєнтування.

На основі аналітичного огляду як спосіб отримання орієнтованого керна був прийнятий орієнтований відрив. Як аналог засобу прямого орієнтування вибраний пристрій конструкції СГІ.

Рисунок 1 - Керноорієнтатор конструкції СГІ

Даний пристрій містить звичайний за конструкцією нижньої частини буровий снаряд, у верхній частині якого встановлено сідло 4 під посадковий елемент у вигляді кулі 2. Навколо сідла розташовується лімб 6. Лінія лімба 0-180 співпадає з осями двох гвинтів 5, по головках яких на зовнішній поверхні колонкової труби проведені подовжні лінії 1 до бурової коронки, причому на лінії, відповідній нулю, є мітка. Шкала лімба розбита проти годинникової стрілки аналогічно шкалі гірського компаса, що спрощує відлік магнітного азимуту. По периферії отвору сідла розміщені пружинні пелюстки 3.

Посадковий елемент виконаний з матеріалу з щільністю менше 1 г/см3 у формі кулі, діаметр якої менше діаметру з'єднань бурильних труб. Через центр кулі просвердлений циліндровий отвір, в який вставлений стрижньовий постійний магніт 7, що виконує роль магнітної стрілки. Перпендикулярно до магніта по осі симетрії посадочного елементу розташований отвір з різьбленням, в який угвинчується свинцевий важель 8. Маса важеля повинна забезпечувати занурення кулі в буровий розчин.

Такі пристрої дозволяють відбирати зразки орієнтованого керна без виконання спеціальних спуско-подйомних операцій, що скорочує витрати часу. Орієнтація керна суміщена із звичайним рейсом буріння, орiєнтатор включають, як правило, до складу звичайних колонкових наборів над колонковою трубою.

Перевагою цього пристрою є простота його конструкції. До недоліків можна віднести наступне:

- вузел фіксації встановлений в перехіднику, тому при заповненні колонкової труби керном можливе стирання цього вузла;

- у сідлі для фіксації кулі використані металеві пелюстки.

Опис розробленого пристрою

Пристрій для отримання орієнтованого керна включається в колону бурильних труб у вигляді муфти для з'єднання труб в свічку[6]. У нижній частині міститься звичайний по своєму складу буровий снаряд. Також перед колонковим снарядом включають одну або дві немагнітні бурильні труби. У нижній частині муфти 2 встановлено сідло 4 під посадковий елемент у вигляді кулі 3. Навколо сідла розташовується лімб . Шкала лімба розбита проти годинникової стрілки аналогічно шкалі гірського компаса, що спрощує відлік магнітного азимута. Усередині отвору сідла розташований гумовий елемент 5 для фіксації кульки.

Посадочний елемент виконаний з матеріалу з щільністю менше 1 г/см3 у формі кулі, діаметр якої складає 16 мм, що менше діаметру з'єднань бурильних труб. Через центр кулі просвердлений циліндровий отвір, в який вставлений стрижньовий постійний магніт 6, що виконує роль магнитной стрiлки.

Перпендикулярно до магніта по вісі симетрії посадкового елементу розташований отвір з різьбленням, в який угвинчується свинцевий важок 7. Маса важка забезпечує занурення кулі в буровий розчин. На поверхні кулі нанесені ті, що відрізняються один від одного півкола, відповідні північному і південному полюсам магніта. Меридіональне коло, що утворюється, є слідом перетину площини, що проходить через вісі магніта і важеля, з поверхнею кулі. Нанесено також коло, що проходить через вісь магніта, перпендикулярно і є екватором.

Рисунок 2 - Розроблений пристрій

Принцип дії пристрою

Для отримання орієнтованого керна бурильну колону з пристроєм без посадкового елементу опускають на забій і бурять свердловину звичайним способом. Перед відривом керна колону натягують і через бурильні труби скидають посадковий елемент. При падінні куля встановлюється важелем увниз і вісь магніта займає горизонтальне положення. Досягнувши нижніх немагнітних бурильних труб, посадковий елемент повертається під дією магнітного поля Землі до поєднання осі магніта з лінією магнітного меридіана. Далі, посадковий елемент досягає сідла і фіксується у ньому гумовим елементом. Керн відривають від забою і після підйому на поверхню на нього переносять напрям 0-180 з керноорієнтатора. Відгвинтивши верхню частину муфти, проти лінії північного півкола прочитують магнітний азимут лінії, нанесеної на керн.

Рисунок 3 - Принцип дії керноорієнтатора

(анiмацiя включає 6 кадрiв iз затримкою 0,35 мс мiж кадрами;

затримка до відтворення складає 0,40 мс;

кількість циклів повтору: 10)

Експериментальні роботи

У роботі передбачено два види експериментів:

1) для визначення часу проворота кулі;

2) для визначення кількості немагнітних труб над пристроєм.

Для визначення часу проворота кулі було проведено 50 дослідів[7] і виведено середнє значення, яке складає 12 секунд. Для проведення другої частини експериментальних робіт зроблений стенд. На основі досліджених даних розрахована довжина немагнітних труб, які необхідно включити в бурильну колону вище керноорієнтатора, щоб на посадковий елемент у вигляді кулі діяло тільки магнітне поле Землі.

Заключення

В результаті виконання магістерської роботи розроблений керноорiснтатор, що дозволяє отримувати орієнтований керн у вертикальних свердловинах. Проведені додаткові експериментальні роботи за визначенням часу проворота кулі. Залежно від часу проворота кульки визначена необхідна довжина немагнітних труб.

Оцінений економічний ефект від застосування кернометрії в процесі картувального буріння для визначення елементів залягання порід в порівнянні з бурінням трьох свердловин.

Література:

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. [Электронный ресурс]:

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