Назад в библиотеку

---

Повышение сохранности керновой пробы при бурении подводных скважин колонковыми пробоотборниками с гидроударным приводом

Авторы: В.А. Русанов, А.Н. Рязанов (ДонНТУ)
Источник: Разработка методики прогноза уровня подземных вод по данным…

Аннотация

Русанов. В. А., Рязанов А. Н. Повышение сохранности керновой пробы при бурении подводных скважин колонковыми пробоотборниками с гидроударным приводом. При проведении подводных геологоразведочных и инженерно-геологических исследований возникает проблема определения степени достоверности интерпретации образцов донного грунта, полученных с помощью колонковых пробоотборников. Накопленный опыт эксплуатации морских колонковых пробоотборников указывает на сильные нарушения образцов грунта, касающиеся как несоответствия длины отбираемой пробы глубине внедрения грунтоноса, так и изменения физико-технических характеристик грунта, находящегося внутри колонковой трубы.

Повышение эффективности заполнения колонковых снарядов рыхлыми породами может быть достигнуто следующими способами [1]:

• увеличение диаметра бурения;
• снижение коэффициентов внешнего и внутреннего трения грунта;
• создание в процессе пробоотбора промывки в скважине.

Соответствующее увеличение диаметра бурения с целью получения колонки грунта необходимой длины, как правило, экономически невыгодно, так как это приводит к резкому повышению сопротивления грунтового массива, требует применения более мощного энергетического, бурового и грузоподъемного оборудования.

Применение вкладышей показало [2], что использование вкладышей повышает выход керна на 14,8%. Однако, такого увеличения длины пробы керна явно недостаточно для отбора керна длиной 8–10 м, как того требуют современные задачи морской геологии.

Существенное снижение коэффициента внешнего и внутреннего трения грунта достигается при использовании вибрационных погружателей. Тем не менее, использование вибрации как единственного способы повышения выхода керна рыхлых грунтов недостаточно эффективно. Вибрационные пробоотборники, в конструкциях которых не использованы другие эффективные способы увеличения длины рейса и повышения качества керновой пробы, обычно не позволяют отбирать пробы рыхлых грунтов с глубины более 2–3 м [3].

Анализ технической литературы [1] показывает высокую эффективность использования в существующих технических средствах пробоотбора способа увеличения выхода керна, основанного на создании всасывающей обратной промывки в скважине.

Выполнения штока бойка гидроударного механизма погружателя установок подводного бурения УГВП-130(150) в виде поршня и установка в нижней наковальне всасывающего и нагнетательного клапанов позволили образовать в пробоотборнике встроенный насосный блок одинарного действия, который дает возможность создавать в колонковом наборе обратную призабойную промывку. Сравнительные испытания разработанных разновидностей насосных блоков показали, что наиболее стабильную работу имеет модификация с осевым расположением клапанов (рис. 1, а).

Однако, в процессе интенсивной эксплуатации установок для решения геологоразведочных задач в шельфовой зоне СССР (в последствии СНГ) выявился существенный недостаток разработанной конструкции. В момент перестановки клапанов в цилиндре насосного блока возникает гидравлический удар, повышение давления при котором можно представить в общем виде [4]:

p — плотность жидкости, кг/м3;a — скорость распространения волн сжатия и расширения в жидкости, м/с; V — скорость потока жидкости в момент перестановки клапанов, м/с.

Волна гидроударного давления, распространяясь в верхней части керноприемной трубы, отрицательно воздействует на формирующийся керн, представленный, как правило, не начальном этапе бурения слабосвязными, либо вовсе рыхлыми грунтами. Такая гидроударная волна может серьезно деформировать, а то и вовсе разрушить верхнюю часть керновой пробы.

Скорость потока жидкости на фазе всасывания можно определить из уравнения перемещения свободной поверхности жидкости в рабочей камере насосного блока в течение 1-й и 2-й фаз рабочего цикла (всасывание) [5]:

где l_n — приведенная длина колонкового набора, м; x₀ — координата свободной поверхности жидкости, м; g — ускорение свободного падения, м/с2; Z₁ — заглубление насосного блока под уровень моря, м; P_вак— вакууметрическое давление упругих паров жидкости, Па; а P_а — атмосферное давление воздуха, Па.

Решение уравнения (2) может быть найдено при помощи численного метода Рунге-Кутта. Процедура (подпрограмма) расчета приведена на рис. 2. Шаг вычисления корней уравнения методом Рунге-Кутты принят равным 0.00001. В табл. 1 показано соответствие обозначений, принятых в формуле (2) и в программе расчета.

Результаты расчета давления, возникающего при гидроударе в колонковой трубе, даны в табл. 2.

Проведенные расчеты показывают, что в случае бурения в рыхлых грунтах (пример — песок мелкозернистый) значение гидроударного давления превышает прочностные характеристики грунта на протяжении всего рейса. Разрушение более прочных пород (пример — супесь) может наступать лишь на начальном этапе бурения. В результате разрушения верхушки керна происходит снижение геологической информативности всей керновой пробы. С целью предотвращения нежелательного изменения качества керновой пробы при бурении подводных скважин установками УГВП-130(150) в насосном блоке была предусмотрена перегородка, которая играет роль отражателя гидроударных волн (рис. 1,б), что наряду с использованием керносберегающей технологии бурения и извлечения керна из керноприемной трубы позволило значительно повысить выход керна и его достоверность.