ТЕХНОЛОГИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВЕЩЕСТВЕННОГО ОПРОБОВАНИЯ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Получение проб минерального вещества в процессе проходки разведочных скважин — одна из главных технологических задач разведочного бурения. В процессе бурения производится отбор керновых, шламовых, керношламовых и специальных (герметизированных) проб полезного ископаемого и вмещающих пород. На основе вещественных проб, отбираемых средствами бурения, производится геохимическое, минералого-петрографическое опробование, выполняется анализ физико-механических свойств горных пород и руд, оценка газонасыщенности углей, несущих свойств грунтов. В отдельных случаях на основании керновых проб большой массы может выполняться технологическое опробование.
К вещественным пробам, отбираемым средствами бурения предъявляются следующие требования:
обеспечение представительных размеров, определяемых пространственной изменчивостью исследуемых свойств;
обеспечение сохранности вещества, регламентируемое предельно допустимой в данном виде анализа случайной технической ошибкой опробования,•
предотвращение избирательного разрушения вещества пробы, приводящего к систематическому завышению или занижению оценки содержания полезных и вредных компонентов;
обеспечение точной координатной привязки места взятия пробы, регламентируемое требованиями детальности геометризации рудного тела или месторождения.
Различные виды вещественных проб в разной степени могут соответствовать приведенным выше требованиям — поэтому решение определенных задач разведки на определенных
типах месторождении связывается с получением определенных видов вещественных проб.
Наиболее универсальной и распространенной вещественной пробой является керн — столбик горной породы, формируемый кольцевым породоразрушающим инструментом и располагающийся внутри колонковой трубы.
Обеспечение качества кернового опробования одна из традиционных проблем технологии разведочного бурения.
Диаметр керна (поперечный или минимальный размер кер — новой пробы) является определяющим условием при проектировании конструкции скважины. Ограничивая минимальный конечный диаметр в процессе бурения, диаметр керна определяет диаметры всех элементов конструкции разведочной скважины при построении ее снизу вверх.
Обеспечение сохранности керновой пробы в технологии разведочного бурения выражается показателем линейного выхода керна — процентным выражением длины доставленного на поверхность кернового материала 1К по отношению к длине рейсовой углубки 1Р:
Вк = —100% . (12.1)
‘р
Минимально допустимый выход керна для конкретного месторождения можно вычислить по формуле
(1 — к^и
Якшш = ——- 100%, (12.2)
(1 — Кр)И + Кртк доп
где л? к.доп ~ допустимая техническая погрешность опробования, отн. ед.; Кр — коэффициент равномерности оруденения (отношение среднего содержания компонента в руде к максимальному); И — степень избирательности истирания (доля перетертого керна, приходящая на рудный материал).
В некоторых случаях (при разведке россыпей, месторождений со слабо координированным в пространстве оруденением) более удобны показатели объемного или массового выхода керна (сохранения объема или массы керна, %).
Разрушение керна в процессе бурения может иметь различную природу и зависеть от многих причин.
Наиболее интенсивное разрушение кернового материала происходит при самозаклинивании керна в процессе бурения внутри колонковой трубы, а также при так называемых подклиниваниях керна, когда жесткого заклинивания
не происходит, а его клинообразные части, образуемые в результате расслоения и трещиноватости, расположенные под острым утлом к оси керна, периодически сламываются и крошатся.
К потерям кернового материала ведет взаимоистирание кусков трещиноватого керна, подверженного вращению и вибрации во вращающейся колонковой трубе.
Определенную роль в разрушении керна играет температурный режим работы алмазной коронки на забое. Установлено, что при алмазном бурении с продувкой, когда нагрев керна вследствие относительной теплофизической инертности воздуха повышается до 220 °С (при промывке водой температура керна не превышает 25 °С) происходит дискование керна — расслоение его на диски толщиной 5-10 мм. Это, в конечном счете, также ведет к потерям керна.
Особое значение для сохранения кернового материала имеет режим промывки. Поток жидкого очистного агента проявляет себя двояко. Во-первых, он оказывает разрушающее гидродинамическое воздействие. В слабых, размываемых и растворяемых горных породах (супесях и суглинках, песках, слабых углях, каменных солях) поток промывочной жидкости непосредственно разрушает керн. Во-вторых, поток очистного агента при прямой промывке выносит из колонковой трубы частицы керна, разрушенные механическим воздействием. При этом наиболее интенсивно выносятся легкие частицы, растворимые и летучие компоненты, что приводит к искажающему обогащению пробы тяжелыми и устойчивыми компонентами.
Особенностью технологических мероприятий, методики повышения керна является неоднозначность происходящих на забое процессов, не поддающихся непосредственному наблюдению. Поэтому в настоящее время принята методика, основывающаяся на выделении факторов, при воздействии которых происходит разрушение и утрата кернового материала. Все эти известные из опыта факторы подразделяются на три основные группы: геологические, технические и технологические факторы. Иногда выделяют еще и организационные факторы, к которым относят недостаточную квалификацию персонала, неполное материально-техническое обеспечение, ошибки технологического проектирования работ и т. д.
Геологические, технические и технологические факторы не действуют независимо друг от друга — их отрицательное влияние на керн проявляется лишь во взаимовлиянии, причем конкретные сочетания отдельных геологических, технических и технологических факторов определяют содержание каждого отдельного физического явления, приводящего к разрушению и утрате кернового материала. Один и тот же фактор может проявлять себя различным образом в зависимости от наличия или отсутствия других факторов. На этом строится методика и технология повышения выхода керна.
Рассмотрим технологические факторы потерь керна, как определяющие, поскольку можно утверждать, что любая горная порода может быть опробована с высоким качеством при правильном (соответствующем ее свойствам и особенностям) выборе способов и технологических приемов бурения.
Группу технологических факторов составляют разрушающие керн воздействия, сопровождающие процесс бурения.
Вращение колонковой керноприемной трубы приводит к взаимному истиранию кусков керна, имеющих разную массу и вращающихся с различной угловой скоростью под действием силы трения колонковой трубы. Разрушающее воздействие на керн оказывает также вибрация, возникающая при вращении бурового снаряда. Отрицательное влияние колонковой трубы может проявиться только в трещиноватых породах — интенсивность взаимоистирания кусков керна пропорциональна площади контактной поверхности, а в монолитном образце керна взаимоистирание кусков керна невозможно. Интенсивность взаимоистирания кусков керна под действием вращения керноприемника проявляется сильнее в неоднородных породах, включающих слабый цемент и твердые абразивные минеральные зерна (некоторые виды песчаников), а также в слабых горных породах.
Гидродинамическое воздействие потока промывочной жидкости определяется расходом промывочной жидкости, значения которой существенно отличаются в разных способах бурения. Минимальные удельные расходы промывочной жидкости (на единицу диаметра коронки) отмечаются при алмазном бурении; максимальные — при гидроударном бурении. Характер гидродинамического воздействия зависит также от вида промывочной жидкости: вязкие глинистые растворы оказывают большее разрушающее воздействие вследствие большей плотности и больших гидравлических сопротивлений их истечению.
Правильно выбранная схема циркуляции промывочной жидкости в призабойной зоне и применение соответствующих специальных технических средств позволяют избежать потерь керна, в том числе и разрушенного механическими воздействиями.
Комплексными технологическими факторами, поддающимися управлению и определяющими режим керносбереже — ния, являются продолжительность рейсовой углубки и рациональный выбор параметров режима бурения, обеспечивающий эффективность разрушения горной породы на забое и высокую скорость проходки скважины.
Если режим бурения (частота вращения снаряда, осевая нагрузка, расход промывочной жидкости) и способ разрушения породы на забое (вид и типоразмер породоразрушающего инструмента) выбраны неправильно, то процесс бурения идет медленно, забой скважины и формируемый керн подвергаются значительным дополнительным разрушающим воздействиям.
Продолжительность рейсовой углубки определяет продолжительность разрушающих воздействий и тем самым непосредственно влияет на величину выхода керна.
К техническим факторам относятся явления и процессы, обусловленные применением различных устройств для отбора керна. Они тесно связаны с технологическими факторами и предназначены для нейтрализации негативных технологических факторов.
Первостепенное значение в обеспечении качественного кернового опробования имеет правильный выбор устройств для отрыва и удержания керна. Неправильно выбранный кернорватель приводит к дополнительному разрушению или заклиниванию керна в нем в процессе бурения. Кернорва — тельное устройство, не соответствующее типу или физическому состоянию разбуриваемых пород, не обеспечивает удержание керна в керноприемнике при его подъеме на поверхность.
Тип и конструктивные особенности бурового снаряда, керноприемного устройства могут как усиливать процесс разрушения и утраты керна, так и способствовать его сохранению несмотря на присутствие других неблагоприятных факторов.
К геологическим факторам относятся характеристики, выражающие устойчивость горных пород к разрушающим воздействиям процесса бурения. Важнейшие из них — прочность и монолитность (степень трещиноватости), однородность минерального состава (структурно-текстурные особенности), анизотропность и характеристики макроструктуры (слоистость и перемежаемость слоев по прочности), условия зале-
зоо гания и угол встречи плоскости слоистости с осью скважины. Наибольшее влияние на выход керна оказывают перемежаемость пород по прочности, косослоистость (по отношению к оси скважины) и трещиноватость.
Отрицательное влияние перемежаемости горных пород на выход керна проявляется в том, что слабые пропластки неизбежно воспринимают технологические воздействия, направленные на разбуривание крепких пропластков и вследствие этого подвергаются усиленному разрушению. Однородные, даже очень слабые породы могут буриться с полным выходом керна при соответствующих им параметрах режима бурения. В случае высокой перемежаемости технологический процесс определяется условиями бурения наиболее прочных составляющих разреза.
Косослоистость вызывает самозаклинивание керна в результате образования естественного клина при раскалывании керна по плоскостям напластования.
Трещиноватость горных пород обусловливает взаимоисти — рание кусков керна во вращающейся колонковой трубе.
Таким образом, свойства горных пород в разрезе оказывают влияние на выход керна не сами по себе — они проявляются в определенных технико-технологических условиях.
Для характеристики геолого-технических условий кернооб- разования применяется комплекс показателей, в который входят:
характеристика степени трещиноватости (сильная, средняя, слабая);
показатели удельной кусковатости керна (число кусков на
1 м длины и отношение средней длины куска 7К к диаметру керна с/к);
показатели буримости горных пород (объединенный показатель динамической прочности и абразивности рм);
структурно-текстурные признаки пород в разрезе (характеристики связности, однородности, отношение коэффициентов динамической прочности Рд перемежающихся прослоев).
Институтом ВИТР в России разработана и применяется эталонная схема классифицирования горных пород по трудности отбора керна (табл. 12.1).
Данная схема классифицирования увязывает в единое целое геологические, технические и технологические факторы применительно к конкретным разновидностям горных пород и помогает оценить не только степень трудности отбора керна, но и характер причин кернопотерь, свойственных данной породе.
|
Эталонная схема классифицирования горных пород по трудности отбора керна [В^ %)
|