Типизация геологических условий и выбор породоразрушающего инструмента

Построение мелкомосштабного классификационного разреза (МКР)

Для классификации горных пород геологического разреза и его разделения на характерные пачки, а также выбора рациональных типов и конструкций шарошечных долот для бурения нефтяных и газовых скважин разработана комплексная методика [22], которая определяет порядок и методические основы работ.

На первом этапе в соответствии с этой методикой необходимо провести классификацию горных пород геологического разреза и выделить характерные пачки. Классификация горных пород осуществляется на основе их классификационных характеристик. К классификационным характеристикамгорных пород, от которых наиболее явно зависят показатели работы долот в каждых заданных геологических условиях, относятся твердость, абразивность и сплошность.

Понятие сплошность горных пород предложено для оценки структурного состояния горных пород, которые, исходя из степени пригодности внутриструктурных нарушений (трещин, пор, поверхностей рыхлого контакта зерен и т.д.) для передачи внутрь породы давления внешней жидкости или газовой среды, разделены на четыре категории сплошности.

К четвертой категории сплошности отнесены породы, внутрь которых внешнее гидравлическое давление не передается (передается на тело в целом через его внешнюю поверхность). К третьей категории сплошности отнесены породы, внутрь которых передается давление только маловязкой жидкости (типа воды). Ко второй категории сплошности отнесены породы, внутрь которых проникает не только жидкость, но и твердые (глинистые) частицы. К первой категории сплошности относятся горные породы, внутрь которых может проникать исходный глинистый раствор.

Таблица 1.1

Классификация горных пород (по Л.А. Шрейнеру)

Группа (породы)	Категория	, МПА	, МПА
I (мягкие)	1 2 3 4	<100 100-250 250-500 500-1000	<40 40-110 110-250 250-550
II (средней твердости)	5 6 7 8	1000-1500 1500-2000 2000-3000 3000-4000	550-850 850-1200 1200-1900 1900-2500
III (твердые)	9 10 11 12	4000-5000 5000-6000 6000-7000 >7000	2500-3500 3500-4200 4200-5100 >5100

Под твердостью горной породы понимается ее способность оказывать сопротивление прониканию в нее (внедрению) инородного тела. Классификационная шкала твердости горных пород включает в себя 12 категорий твердости (табл.1.1).

Под абразивностью горной породы понимается ее способность изнашивать контактирующий с ней породоразрушающий инструмент в процессе их взаимодействия. Классификационная шкала абразивности горных пород включает в себя 12 категорий абразивности (табл. 1.2). Категории по твердости и абразивности для различных пород приведены в табл.1.3.

Таблица 1.2

Группа по абразивности

Относительная абразимость1

Категория

Принятое обозначение

Слабоабразивные

Малоабразивные

Среднеабразивные

Высокоабразивные

Очень высокоабразивные

1,0-1,5
1,5-3,0
3,0-5,0
5,0-8,0
8,0-11,0
11,0-15,0
15,0-17,0
17,0-20,0
20,0-22,0
22,0-24,0
24,0-26,0

>26,0

Асл

Ам

Аср

Ав

Аоч

1 Для гипса равна 1.

Таблица 1.3

Классификационная таблица соответствия свойств горных пород их геолого-петрографическим характеристикам

Порода

Содержание кварца или халцедона

Категория твердости

Абразивность по обобщенной шкале ВНИИБТ

(категория)

Песчаник:

Кварцевый мономинеральный (крупно-, средне-, мелко-, тонкозернистый)

и аналогичный алевролит

окварцованный сливной

частично окварцованный с протяженными контактами срастания кварцевых зерен

с точечными контактами срастания кварцевых зерен

кварцевый с известковистым цементом (25-40%)

кварцевый с известковисто-глинистым цементом

кварцевый с глинистым цементом

кварцевый с сульфатным цементом

полевошпатово-кварцевый и аркозовый крупнозернистый

полевошпатово-кварцевый аркозовый средне- и мелкозернистый тонкозернистый и аналогичный алевролит

с цементом 15-20%

с цементом 20-50%

полимиктовый

Глина:

мономинеральная

алевритистая

песчанистая

кремнистая

Аргиллит:

слабоалевритистый

алевритистый и песчанистый

Аспидный сланец

Углистый сланец

Мергель:

глинистый

карбонатный(50-75%)

алевритовый

песчанистый

Известняк:

Без примеси твердых абразивных минералов

глинистый

95
85-95
85-95
85-95
60-75
60-75
60-75
60-75
-
-
-
25
10-15
5-10
-
10-20
10-30
-
5-10
15-20
2-5
2-5
-
-
-
-
1
3

4-10
7-10
5-7
4
5-7
4-5
3-5
3-4
-
-
-
4-6
4-6
-
1-3
2-3
2-4
5
4-5
4-5
-
2-3
-
4-5
-
-
5-6
4-6

9-11
10-11
9-10
6
7-8
7
6-7
6
10
9
8
7-8
7
6-7
3-4
4-5
5
6
3-4
6
4
4
2
2
4
5
2-3
4

песчанистый(5%)

песчанистый(10%)

песчанистый(до20-30%)

алевритовый

кремнистый(5%)

кремнистый(10%)

кремнистый(15%)

кремнистый(20-30%)

Доломит:

без примесей твердых абразивных минералов

песчанистый

Кремень

Опока и трепел

Ангидрит без примеси твердых абразивных минералов

Гипс:

без примесей

опесчаненный

глинистый

5
10
20-30
15-20
5
10
15
20-30
2-3
-
75-95
-
-
-
10-15
1

8-9

3-4

6-7

Классификационные характеристики горных пород определяются на основе региональных исследований физико-механических свойств горных пород, а в случае отсутствия таких данных - на основе литологического соответствия свойств горных пород.

На основе классификации горных пород рассматриваемого геологического разреза строится мелко-масштабный геологический разрез (табл.1.4).

Для разделения проектного геологического разреза на характерные пачки используется метод реперных долот, который позволяет обоснованно группировать смежные разности горных пород в характерные пачки или разделять эти разности в отдельные пачки, а также устанавливать четкие границы залегания этих пачек пород.

Применение метода «реперных» долот для разделения рассматриваемого геологического разреза на характерные пачки пород, как правило, возможно начиная со стадии промышленной разведки месторождения, а при наличии достаточного объема информации о геологическом строении месторождения и работе долот использование этого метода в ряде случаев возможно и на стадии структурного и поискового бурения.

Характерными в рассматриваемом геологическом разрезе пачками пород являются интервалы, сложенные смежными разностями горных пород, в пределах совокупности которых различие величин проходок на «реперные» долота статически незначимо, т.е. указанные пачки пород однородны по величине проходки на реперные долота, являющейся критериальным признаком.

В качестве «реперных» долот, являющихся носителями информации в неявном виде о свойствах пород и условиях эксплуатации долот, следует принимать такие конструкции долот определенных типоразмеров, для которых в пределах выделенных на основании данных граф 2-6 (см. табл.1.4) разностей горных пород характерно следующее:

один и тот же типоразмер и одинаковые конструктивные особенности долот;

аналогичный характер и близкие значения уровней износа элементов (по коду оценки износа долот);

достаточно близкие (при равных уровнях технологических факторов) значения проходок на долото.

Обязательным требованием метода «реперных» долот является то, чтобы мощность каждой разности горных пород была или соизмерима с величиной проходки на «реперное» долото при бурении в этих породах, или превосходила ее кратно.

На основании данных, занесенных в колонки классификационных характеристик пород, включенных в одну пачку, на уровне подошвы пачки строятся гистограммы содержания в пачке различных по твердости и абразивности пород, вычисляются и наносятся на поле гистограмм средневзвешенные для пачки категории твердости и абразивности слагающих пачку пород.

В случае отсутствия достаточного объема информации о геологическом строении месторождения и работе долот, можно ориентировочно разделить геологический разрез на пачки, объединяя горные породы по близким значениям твердости и абразивности. При этом необходимо соблюдать принцип кратности или соизмеримости мощностей намечаемых пачек.

Средневзвешанная категория твердости горных пород в пределах выделенных пачек определяется по формуле

, (1.1)

где - категория твердости пород i-й разновидности; - мощность i-го прослоя горной породы, м; -мощность выделенной пачки, м.

Средневзвешанная категория абразивности определяется по формуле

, (1.2)

где -категория абразивности пород i-й разновидности.

Сведения о долотах приведены в табл.1.5-1.9[7, 35], а параметры керноприемных устройств в табл.1.10-1.12.

Таблица 1.5

Основные размеры шарошечных долот для сплошного бурения

Типоразмер	Резьба	Масса, кг	Допускаемая нагрузка, кН
Одношарошечные
139,7 СЗ-Н	3-88	17	180
161,0 СЗ-Н	3-88	21	250
190,5 СЗ-Н	3-117	37	300
215,9 МЗ-Н	3-117	46	280
Двушарошечные
93 С-ЦВ	3-50	3,5	40
93 К-ЦВ	3-50	4	40
112 М-ГВ	3-63,5	6	50
132 М-ГВ	3-63,5	8	65
Трехшарошечные
98,4 С-ЦА Т-ЦА ОК-ЦА	3-66 3-66 3-66	5 5 5	80 80 80
120,6 С-ЦА Т-ЦА	3-76 3-76	7,5 7	140 140
132 С-ЦВ Т-ЦВ К-ЦВ	3-63,5 3-63,5 3-63,5	9 8 10	65 65 65
139,7 С-ЦВ Т-ЦВ	3-88 3-88	12 12	100 100
151 С-ЦВ Т-ЦВ К-ЦВ	3-88 3-88 3-88	13 12 14	160 160 160
161 С-ЦВ Т-ЦВ Т-ПВ К-ЦВ	3-88 3-88 3-88 3-88	18 17 17 18	160 170 170 170
190,5 М-ГВ М-ГН МСЗ-ГАУ С-ЦВ С-ГВ С-ГНУ СЗ-ГВ СЗ-ГНУ СЗ-ГАУ Т-ЦВ Т-ГНУ ТЗ-ГНУ ТКЗ-ЦВ К-ГНУ	3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117	32 30 33 28 30 32 31 35 33 27 30 32 29 33	200 170 190 200 200 240 200 190 190 200 270 210 200 250
215,9 М-ГВ М-ПГВ М-ГАУ МЗ-ГВ МЗ-ГНУ МЗ-ГАУ МС-ГВ МС-ГН МС-ГНУ МСЗ-ГН МСЗ-ГНУ МСЗ-ГАУ С-ГВ С-ГН СЗ-ГВ СЗ-ГНУ СЗ-ГАУ Т-ПВ ТЗ-ЦВ ТЗ-ПВ ТЗ-ГН ТЗ-ГНУ ТЗ-ГАУ ТКЗ-ЦВ ТКЗ-ГН К-ПВ К-ГНУ ОК-ПВ	3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117 3-117	38 38 41 40 40 40 38 37 37 40 40 40 36 37 38 41 41 28 33 33 38 40 38 32 40 30 41 30	250 250 170 250 190 190 250 250 250 380 220 220 250 380 250 220 220 250 250 250 240 240 240 250 380 250 280 250
244,5 МСЗ-ГНУ С-ЦВ С-ГНУ Т-ЦВ Т-ПВ К-ПВ ОК-ПВ	3-152 3-121 3-152 3-121 3-121 3-121 3-121	66 51 60 45 45 50 45	240 320 320 320 320 320 320
269,9 М-ГВ М-ГН МСЗ-ГНУ МСЗ-ГАУ С-ГВ С-ГНУ СЗ-ГВ СЗ-ГНУ СЗ-ГАУ СТ-ГН Т-ЦВ ТЗ-ЦВ ТЗ-ГН ОК-ПВ	3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152	68 72 77 77 67 66 73 76 76 72 62 63 77 70	350 240 270 270 350 350 350 270 270 380 350 350 300 350
295,3 М-ГВ М-ЦВ МС-ГВ МСЗ-ГНУ С-ЦВ С-ГВ С-ГНУ СЗ-ГВ СЗ-ГНУ СТ-ЦВ Т-ЦВ ТЗ-ЦВ	3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152 3-152	72 74 77 92 74 77 83 80 89 75 77 77	400 400 400 300 400 400 400 400 300 400 400 400
320 С-ГВ Т-ПГВ ТЗ-ПГВ	3-152 3-152 3-152	84 90 100	450 450 450
349,2 М-ЦВ М-ГВ С-ЦВ С-ГВ Т-ЦВ	3-152 3-152 3-152 3-152 3-152	104 114 103 115 99	450 450 450 450 450
393,7 М-ЦВ М-ГВ С-ЦВ С-ГВ Т-ЦВ	3-171 3-171 3-171 3-171 3-171	167 164 176 171 123	470 470 470 470 470
444,5 С-ЦВ	3-171	252	500
490 С-ЦВ	3-171	316	500

Примечание. Обозначения: породы: М - мягкие, МЗ - мягкие абразивные, МС - мягкие с пропластками пород средней твердости, МСЗ - мягкие абразивные с пропластками пород средней твердости, С - средней твердости, СЗ - средней твердости абразивные, СТ - средней твердости с пропластками твердых пород, Т - твердые абразивные, ТК - твердые с пропластками крепких пород, ТКЗ - твердые абразивные с пропластками крепких пород, К - крепкие, ОК - очень крепкие; промывка: Ц - центральная, Г - гидромониторная; продувка:П - центральная, ПГ - боковая; опоры:В - на подшипниках с телами качения, Н - на одном подшипнике скольжения (остальные подшипники с телами качения), А - на двух и более подшипниках скольжения, У - маслонаполненные с автоматической подачей смазки.

Таблица 1.6

Основные параметры лопастных долот

Типоразмер	Резьба	Масса	Допускаемые
нагрузка, кН	момент, Н*м
Двухлопастные
2Л-93М 2Л-97М 2Л-98,4М 2Л-112М 2Л-118М 2Л-120,6М 2Л-132М 3ДР-132М 6ДР-132МС 2Л-139,7М 2Л-146М 2Л-151М 2Л-161М 2Л-165,1М	3-50 3-50 3-50 3-50 3-50 3-50 3-50 3-50 3-50 3-63,5 3-63,5 3-63,5 3-63,5 3-63,5	2,3 2,4 2,4 2,6 2,7 2,7 2,8 4,0 4,5 4,1 4,2 4,3 4,4 4,4	20 20 20 30 30 35 40 - - 45 45 50 55 55	220 220 220 380 420 450 540 - - 680 720 880 980 1020

Трехлопастные

3Л-120,6
3Л-132
3Л-139,7
3Л-146
3Л-151
3Л-161
3Л-165,1
3Л-171,4
3Л-187,3
3Л(Г)-190,5
3Л(Г)-200
3Л(Г)-212,7
3Л(Г)-215,9
3Л(Г)-222,3
3Л(Г)-242,9
3Л(Г)-244,5
3Л(Г)-250,8
3Л(Г)-269,9
3Л(Г)-295,3
3Л(Г)-311,1
3Л(Г)-320
3Л(Г)-349,2
3Л(Г)-374,6
3Л(Г)-393,7
3Л(Г)-444,5

3-76

3-88
3-88

3-88
3-88

3-88
3-88

3-88
3-88

3-117

3-121

3-152
3-152
3-152

3-152

3-177

8,0
10,0
10,0
11,0
11,0
12,0
12,0
12,0
15,0
25,0
27,0
27,0
27,0
27,0
33,0
33,0
33,0
35,0
61,0
61,0
61,0
63,0
87,0
87,0
90,0

100

120

130

140

170

220

230

250

310

330

370

600
720
840
1170
1200
1350
1500
1500
1800
2300
2600
2750
2800
3100
3900
3900
4000
4600
6500
7100
7500
8700
11 600
13 000
15 700

Трехлопастные истирающие режущего типа

4Э-139,7МС

ЗИРГ-190,5С

ЗИРГ-219,9С

3-88
3-117
3-117

9,0
25,0
27,0

-
3800
4700

1 Для пород М и МС.

Таблица 1.7

Типоразмеры алмазных долот и долот, оснащенных синтетическими алмазами

Типоразмер

Резьба ниппельная

Типоразмер

Резьба ниппельная

ДК-138,1 С6

ДР-141,3 Т3

ДК-149,4 С6

ДР-163,5 Т3

ДК(ДКС, ДКСИ) 188,9 С6

ДЛС-188,9 С2

ДИ-188,9 С6

ДИ(ДР)-188,9 Т3

ИСМ-188,9 С5

ИСМ-188.9 МС1

3-88
3-88

3-88
3-88

3-117

ДК(ДКС, ДКСИ) 214,3 С6

ДЛС-214.3 С2

ДИ-214,3 С6

ДИ(ДР)-214.3 Т3

ИСМ-214,3 С3

ДКС-267,5 С6

ДКС-292,9 С6

ИСМ-292,9 С2

ИСМ-292,9 МС2

3-117

3-152
3-152
3-152

3-152

Примечание. Обозначения: Д-долото; модификации: однослойные- Л (лопастные), Р (радиальные), Т (ступенчатые), К (ступенчатые с тороидальными выступами); импрегнированные - И; синтетические алмазы - С.

Таблица 1.8

Основные параметры шарошечный бурильных головок.

Типоразмер

Резьба

Масса, кг

Допустимая нагрузка, кН

КС-187,3/40 СТ

КС-187,3/40 ТКЗ

КС-212,7/60 СТ

КС-212,7/60 ТКЗ

КС-212,7/60 ТКЗ-НУ

К-139,7/52 ТКЗ

К-158,7/67 ТКЗ

К-187,3/80 М

К-187,3/80 СЗ

К-187,3/80 СТ

К-187,3/80 ТКЗ

К-212,7/80 М

К-212,7/80 СЗ

К-212,7/80 МСЗ

К-212,7/80 СТ

К-212,7/80 ТКЗ

К-212,7/100 ТКЗ

3-147
3-147
3-161
3-161
3-161
3-110
3-133
3-150
3-150
3-150
3-150
3-150
3-150
3-150
3-150
3-150
3-150

120

130

140

150

120

110

120

160

100

130

Таблица 1.9

Типоразмеры алмазных бурильных головок.

Типоразмер

Резьба муфтовая

Типоразмер

Резьба муфтовая

КТ(КТСИ) 131,8/52 СЗ

КР 163,5/67 СТ2

КР 188,9/80 СТ2

КТ(КТСИ) 188,9/80 СЗ

3-110
3-133
3-150
3-150

КТ 188,9/40 С2

КР 214,3/80 СТ2

КТ(КТСИ) 214,3/80 СЗ

ИСМ 214,3/80 С2

3-147*
3-150
3-150
3-150

Примечание. Обозначения: К - бурильная головка; модификации: Р - радиальные, Т - ступенчатые; цифра 2 - порядковый (условный) номер модификации; *-ниппельная резьба.

Таблица 1.10

Параметры керноприемных устройств «Недра» с несъемным керноприемником для роторного способа бурения

Параметры

СКУ-1-203/100

КДПМ-164/80

СКУ-138/67

СКУ-122/52

Длина керноприемного устройства, мм

Число секций устройства

Длина корпуса, мм

Диаметр корпуса, мм:

наружный

внутренний

Длина керноприемной трубы,мм

Диаметр керноприемной трубы, мм:

наружный

внутренний

Присоединительная резьба:

к бурильной

колонне

к бурильной

головке

Масса керноприемного устройства, кг

Диаметр бурильной головки/ керноприемника, мм

24 000
3
7500
203
153
7113
127
109

З-147

3-189
3700
244,5/100
269,9/100

16 172
2
7500
164
118
7277
102
88

З-121

МК 150?6?1:8

1555
212,7/80
187,3/80

23 824
3
6300
138
106
7055
83
73

ЗС-108

З-133

1520
158,7/67

22 483
3
6155
122
89
6545
73
58

З-88

МК 110?6?1:8

1330
139,7/52

Таблица 1.11

Параметры керноприемных устройств «Силур» и «Кембрий» с несъемным керноприемником для роторного бурения.

Параметры

«Силур»

«Кембрий»

СКУ-146/80

СКУ-114/52

СКУ1-172/100

СКУ-122/67

Длина керноприемного устройства, мм

Число секций устройства

Длина корпуса, мм

Диаметр корпуса, мм:

наружный

внутренний

Длина керноприемной трубы, мм

Диаметр керноприемной трубы, мм:

наружный

внутренний

Присоединительная резьба:

к бурильной

колонне

к бурильной

головке

Масса керноприемного устройства, кг

Диаметр бурильной головки/ керноприемника, мм

9267
1
8240
146
124
6878
102
88

З-121

МК 150?6?1:8

620
187,3/80
212,7/80

8617
1
7422
114
92
6545
73
58

З-101

МК 110?6?1:8

300
139,7/52

16 380
2
7464
172
132
7277
123
109

З-121

З-161

1630
187,3/100
212,7/100

5560
1
4025
122
90
4000
81
17

З-88

МК 110?6?1:8

317
139,7/67

Таблица 1.12

Параметры керноприемных турбобуров (турбодолот) со съемным и несъемным керноприемниками.

Параметры

КТДЗ-240-269/47

КТД4С-172-190/40

КТД4С-195-214/80-60

Длина керноприемного турбобура, мм

Число турбинных секций

Число ступеней турбины:

всего

в нижней секции

Число ступеней пяты

Число средних опор:

всего

в одной секции

в шпинделе

Наружный диаметр

керноприемного турбобура, мм

Внутренний диаметр корпуса турбобура,мм

Длина керноприемника, мм

Длина керноприемной полости, мм:

со съемным

керноприемником

с несъемным

керноприемником

Наружный диаметр керноприемной трубы, мм:

съемной

несъемной

Внутренний диаметр керноприемной трубы, мм:

съемной

несъемной

7455
1
91
91
10
2
2
-
240
205
7050
3260
-
73
-
58
-

17 575
2
290
124
30
8
4
-
172
148
14 000
7000
-
68
-
48
-

25 920
3
315
105
30
11
3
2
195
165
25 835
7000
25000
83
105
60
80