Отбор грунтов принцип действия грунтоносов устройство технология проведения работ на скважине

Обновлено: 05.10.2024

Неглубокая зондировка при изысканиях, связанных с автодорожным или аэродромным строительством, зачастую осуществляется с помощью ручного винтового бура. Большинство грунтов на горизонтах выше уровня грунтовых вод, исключая сухие чистые пески, допускают проходку буровых скважин на глубину 15—20 футов без какой-либо их обсадки для крепления стенок скважин и предотвращения их обрушения. Для проходки скважины, а также извлечения из толщи в целях последующего изучения образцов встреченных грунтов с нарушенной структурой часто используют змеевики.

При закладке скважин на большую глубину, а также при проведении работ на любых горизонтах ниже уровня грунтовых вод необходимо зачастую крепить стенки скважин. Крепление обычно осуществляется с помощью стальных обсадных труб длиной 5—10 футов (рис. 12.6), для погружения которых в грунт используются буровые вышки, моторные лебедки, молоты и другое вспомогательное оборудование. Обсадные трубы погружаются в грунт за один прием обычно на глубину до 3 футов, а затем еще до начала последующего их погружения или до отбора образцов из толщи сухим способом грунт из них удаляется. В тех странах, где рабочая сила дешевая, а механизмы дефицитны, грунт из обсадных труб часто удаляется с помощью тяжелых змеевиков, которые несколько рабочих проворачивают вручную. В таких условиях извлечение из скважин буровых штанг с их наконечниками или иными приспособлениями на поверхность грунта, а также приведение в действие молотов зачастую также осуществляется ручным способом.

Весьма важной частью всех исследований грунтов является определение положения уровня грунтовых вод. Бурение с промывкой обсаженных скважин с целью облегчения их погружения усложняет накопление данных, необходимых для характеристики связных грунтов. Обсадные трубы в таких случаях оказываются обычно заполненными водой до самого верха. Поэтому может потребоваться длительное время для того, чтобы избыточная вода ушла из обсадной трубы через забой скважины и чтобы в ней установился естественный уровень грунтовых вод, соответствующий окружающей толще грунта. Подобного рода трудности возрастают в еще большей степени, когда вместо обсадных труб используется буровой раствор. При этих условиях для наблюдения за положением уровня грунтовых вод должны использоваться специальные наблюдательные скважины.

Грунтоносы предназначены для отбора пород из стенки скважины. Такой отбор проб необходим для дополнения или частичной замены отбора керна в процессе бурения, а также для уточнения или проверки интерпретации результатов каротажа.
В настоящее время применяются боковые стреляющие и боковые сверлящие грунтоносы.
По устройству боковые стреляющие грунтоносы во многом аналогичны пулевым перфораторам. Их основное отличие заключается в том, что из ствола выстреливается не пуля, а цилиндрический боек, который врезается в стенку скважины и после этого вместе с захваченным образцом породы извлекается на поверхность. Возможность извлечения бойка из породы и поднятия его на поверхность обеспечивается тросиком, при помощи которого боек прикрепляется к корпусу грунтоноса. Боковыми стреляющими грунтоносами, в зависимости от их типа, можно отбирать за один спуск 3—27 проб и более.
Боковые стреляющие грунтоносы предназначены в основном для отбора мягких пород (песков, песчаников, глин, мучнистых известняков, доломитов); они дают низкий процент выноса образцов на поверхность (бойки, выносящие породу, составляют около 50%, а остальные извлекаются пустыми).
Для отбора образцов твердых горных пород применяются боковые сверлящие грунтоносы. Они позволяют за один спуск отобрать до 10 образцов диаметром 22 мм, длиной до 50 мм. Образцы отбираются специальной буровой коронкой с зубьями из твердого сплава, которая помещается в корпусе грунтоноса. Передача вращения на буровую коронку осуществляется через редуктор от электродвигателя в корпусе прибора. Управление работой грунтоноса осуществляется с поверхности при помощи специального пульта.
Отбор образцов ведется поочередно. При отборе очередного образца предыдущий проталкивается в специальную кассету.

Изучение литологического состава горных пород, слагающих разрез скважины, выделение коллекторов и оценка характера их насыщения проводятся по материалам геофизических исследований скважин. Однако в сложных геолого-технических условиях геофизические методы не всегда обеспечивают однозначную интерпретацию. Поэтому желательно полученные результаты подтвердить анализами керна. Отбор керна требует дополнительных затрат времени. Кроме того, вынос керна из высокопористых коллекторов, а также из интервалов, сложенных рыхлыми или выщелоченными отложениями, часто недостаточен.

Боковой стреляющий грунтонос. В этих грунтоносах отбор образцов из стенок скважины производится бойками, которые внедряются в горную породу за счет давления газов, образовавшихся при горении порохового заряда. Стреляющий грунтонос представляет собой массивный металлический корпус, в котором размещено 30 гнезд — ствольных отверстий. К каждому стволу подведен монтажный провод (электрический канал связи), который подключен к контактному диску. В ствольном отверстии размещаются контактный диск, боек, пороховой заряд и уплотняющие прокладки.

Применение приборов определяется скважинными условиями — давлением, температурой, диаметром скважины, характером разреза. Снаряженный грунтонос присоединяют к одножильному бронированному кабелю, опускают в скважину и устанавливают против нижней точки интервала отбора грунтов. По команде с поверхности (посылка импульса тока) электровоспламенитель накаляется и воспламеняет пороховой заряд. Под действием пороховых газов боек с большей скоростью (свыше 120—150 м/с) и высокой кинетической энергией выталкивается из ствола и врезается в горную породу. Чтобы извлечь боек из пласта, кабель осторожно поднимают, контролируя увеличение нагрузки по показаниям динамометра. Управляют грунтоносом с помощью переключающего устройства, состоящего из панели переключения и скважинного переключателя. Канал связи между ними — одножильный бронированный кабель. В скважинном переключателе имеются: запальный трансформатор, электромагнит, редуктор с пружинным приводом, вращающийся диск с подвижными контактами, контактная плата, к которой подсоединены контактные диски, установленные в ствольных отверстиях.

Перед началом работ специальным ключом заводят пружинный привод переключателя, устанавливают распределительный контакт на первую позицию и присоединяют скважинный переключатель к заряженному грунтоносу. С наземной панели управления в скважинный прибор подается постоянный ток напряжением 220 В для питания переключателя и переменный ток частотой 50 Гц напряжением 10 — 25 В для питания схемы индикации. Переключение позиций в скважинном приборе контролируется наземной панелью.

Сверлящий грунтонос (керноотборник). Отбор образцов горных пород в данном случае производится путем выбуривания их из стенок скважины. Сверлящий грунтонос представляет собой агрегат, в стальном корпусе которого размещены следующие основные узлы: бур с приводом от электродвигателя; электродвигатель; гидравлическая система. Керн выбуривается коронкой, ввинченной в торец бура, вращающегося от силового электродвигателя через редуктор. Перед выбуриванием образца горной породы керноотборник прижимается к стенке прижимными рычагами. Выдвижение прижимных рычагов, подача бура и возврат его при отрыве керна осуществляются под действием давления рабочей жидкости, которое создает гидронасос. Вращение гидронасоса также производится силовым электродвигателем.

Выбуриваемые керны, выталкивая друг друга, попадают в кассету. Осевую нагрузку на коронку в процессе выбуривания керна регулируют в зависимости от механических свойств горных пород с помощью дистанционно управляемого регулятора дроссельного типа. Выбуренная порода вымывается при возвратно-поступательном движении поршня промывочного насоса, верхняя полость которого сообщена каналами с полостью бура. Прибор предназначен для работы в скважинах диаметром 190 — 214 мм. Время выбуривания одного керна 3 — 5 мин. Номинальная мощность электродвигателя 850 Вт; питается двигатель током 1,5 — 1,8 А. Рабочая температура 100 °С при гидростатическом давлении 70 МПа. Диаметр прибора 124 мм, масса — 120 кг. Образцы, выбуриваемые сверлящим грунтоносом, обладают информативностью керна, отобранного при колонковом бурении. В частности, по ним можно выявить структурные и текстурные особенности породы; измерить коллекторские и петрофизические свойства; уточнить характер нефтенасыщенности и границы нефтеносных пластов.

Дисковый грунтонос (керноотборник). Отбор образцов горных пород основан на выпиливании их из стенок скважины. Этот принцип отбора керна реализован в дисковом призматическом керноотборнике ДПК-140. В этой аппаратуре режущими элементами являются два диска, которые выпиливают образец в форме призмы. В поперечном сечении образец представляет собой равнобедренный треугольник с основанием 36 мм и высотой 42 мм. Длина образца до 600 мм.

Вращение на режущие диски передается от электродвигателя, одновременно включается гидронасос. При работе насоса рабочая жидкость подается под поршень прижимного устройства и гидроцилиндра подачи. В полости прибора рабочая жидкость через компенсатор давления воспринимает гидростатическое давление бурового раствора в скважине. После прижатия корпуса прибора к стенке скважины начинает перемещаться вверх поршень гидроцилиндра подачи, увлекая за собой шпиндельную каретку, которая перемещается по направляющим пазам и осуществляет врезание дисков в стенку скважины и их продольное перемещение по стволу. Перемещение режущих дисков контролируется на панели управления.

После окончания проходки выпиленный керн направляется в приемную камеру, электродвигатель выключается, гидронасос останавливается. Рабочая жидкость из полости высокого давления перетекает в общую полость прибора. В это время разделитель операции, представляющий собой поршень, входящий в герметичную воздушную камеру, возвращает каретку в исходное положение; в исходное положение возвращается и прижимное устройство. Прибор подготовлен для отбора следующего образца.

За один спуск прибор позволяет отобрать пять образцов. Время отбора одного образца порядка 15 мин. Дисковый керноотборник, как и все приборы, спускаемые в скважину на геофизическом кабеле, обеспечивает привязку отобранного керна по глубине и сопоставление его с материалами ГИС. Кроме того, выпиленный образец позволяет уточнить строение пласта, выделить в нем текстурные и структурные особенности, провести литолого-петрографические, стратиграфические, петрофизические исследования, т. е. получить полную информацию о пласте.

Отбор образцов пород в скважинах после бурения производят с помощью боковых стреляющих и сверлящих грунтоносов. Работа боковым грунтоносом проводится после геофизических исследований и предварительного изучения разреза скважины. Это позволяет наметить для отбора грунта наиболее интересные интервалы разреза.

Боковой стреляющий грунтонос состоит из стального корпуса, имеющего несколько гнезд, в каждое из которых закладывается пустотелый боёк. Бойки крепятся к корпусу грунтоноса стальными тросиками. В нижней части гнезда, называемой камерой, помещается пороховой заряд с электрозапалом. Камера герметизируется, чтобы в нее не проник буровой раствор.

После установки грунтоноса на глубине, на которой необходимо отобрать образец, подают по жиле кабеля на соответствующий электрозапал напряжение, которое воспламеняет пороховой заряд. Образующиеся при взрыве пороховые газы выталкивают из гнезда боёк, который врезается в породу. Затем натяжением кабеля при помощи тросика боек вместе с захваченным образцом извлекается из пласта. После выстрелов всеми бойками боковой грунтонос поднимают на поверхность, образцы пород извлекают из бойков и передают в лабораторию для исследования.

Для получения образцов пород из нефтяных и газовых скважин применяются многоствольные стреляющие грунтоносы МСГ-90М и МСГ-90МТ. В сборке грунтоноса имеется 30 бойков, отстрел которых производится поочередно с помощью переключателя, устанавливаемого в верхней части сборки. Внутренний диаметр бойка для отбора мягких пород равен 22 мм, для отбора твердых пород - 14 мм. Максимальная длина образца твердых пород 35 мм, мягких - 45 мм.

Стреляющие грунтоносы позволяют отбирать образцы пород не слишком высокой твердости. В очень твердых породах образцы отбирать не удается - боёк не входит в породу или деформируется. Для отбора образцов твердых пород пользуются сверлящими грунтоносами, иногда называемыми керноотборниками. Основным узлом бокового сверлящего грунтоноса является пустотелый цилиндрический бур, ось которого перпендикулярна к вертикальной оси прибора. Бур снабжен коронкой с зубьями из твердого сплава. При отборе образца электродвигатель приводит бур во вращение, одновременно обеспечивается подача бура, который входит в породу. По окончании бурения бур возвращается в аппарат, при этом он захватывает обуренный им керн. Перемещение бура вперед-назад производится гидравлической системой, имеющей привод от электродвигателя.

Керн выбуривается коронкой (рис.6.2), ввинченной в торец бура 3, вращающегося от силового электродвигателя 2 через редуктор. Перед выбуриванием образца горной породы керноотборник прижимается к стенке прижимными рычагами 4. Выдвижение прижимных рычагов, подача бура и возврат его при отрыве керна осуществляется под действием давления рабочей жидкости, которое создает гидронасос 1. Вращение гидронасоса также производится силовым электродвигателем 2. Выбуриваемые керны, выталкивая друг друга, попадают в кассету 5. Осевую нагрузку на коронку в процессе выбуривания керна регулируют в зависимости от механических свойств горных пород с дистанционно управляемого регулятора дроссельного типа. Выбуренная порода вымывается при возвратно-поступательном движении поршня промывочного насоса, верхняя полость которого сообщена каналами с полостью бура.

В практике инженерно-геологических изысканий существуют методы отбора монолитов грунта специальными грунтоносами по разработанным методикам и ГОСТам (ГОСТ 12071-2000). Однако ни один из используемых грунтоносов не в состоянии обеспечивать определение плотности грунтов непосредственно в полевых условиях или реально проводить отбор монолитов из крупнообломочных грунтов и грунтов с высоким содержанием обломочного материала.

Сущность метода. Инструмент представляет собой духразъемную трубчатую конструкцию типа колонковой трубы диаметром 110 или 127 мм. Первый разъем – на стыке с буровой коронкой, второй – на расстоянии 200–280 мм (в зависимости от состава грунтов) от первого. Таким образом, в пробоотборном инструменте создается разъемная, делительная, сменная (при необходимости), полая, цилиндрическая гильза, с внешним резьбовым соединением на концах (рис. 1). Снизу на нее накручивается буровая коронка колонкового типа с резцами впотай с внутренним контуром гильзы. Сверху на нее накручивается обычная колонковая труба с отверстием в наголовнике для выхода воздуха и клапаном обратного типа. Резьбы типовая ленточная, длина резьбы 40 мм.

В обычных грунтах керн в делительной гильзе удерживается сцеплением его с боковыми стенками, а снизу – уплотненной пробкой грунта, образующейся при забуривании инструмента по геологическому разрезу, в буровой коронке. Определенную роль играет вакуум, возникающий при подъеме снаряда, когда при заполнении грунтоноса грунтом выталкивается из снаряда воздух, а при подъеме обратный клапан в определенной степени удерживает возможное обратное движение воздуха и в какой-то степени способствует удерживанию грунта.

В таком виде прибор готов к применению, однако по особой методологии проведения работ. Суть ее в том, чтобы каждый рейс бурения с гильзой по ее верхнему краю был всегда ниже глубины предыдущего забоя скважины на 4–5 см для того, чтобы гильзой гарантированно можно было углубиться в ненарушенный горизонт грунта и отсечь при извлечении осыпавшийся в ствол скважины разрыхленный грунт шпателем после разъема гильзы с обеих сторон – снизу буровой коронки (в коронке свои особенности), сверху – накрученной колонковой трубы. После извлечения, разъема и выравнивания грунта по обоим краям гильзы шпателем, гильза с грунтом взвешивается непосредственно на месте производства работ на точных тарированных и поверенных Лабораторией Госнадзора весах. Немаловажным является наличие на делительной гильзе с обеих сторон только наружной резьбы. Внутрь гильзы можно вставлять еще тонкую керноприемную оболочку из пластика (вставной вкладыш), под которую делается внутреннее расширение диаметра гильзы на толщину до 1 мм с упорами по верху и низу. Технология работ при этом несколько видоизменяется. В этом случае тарировка производится только для вставного вкладыша, который каждый раз заменяется на другой, а отобранный вместе с грунтом доставляется при необходимости в лабораторию.

Уплотненная пробка грунта отворачивается вместе с буровой коронкой и не участвует в измерениях. От общего веса гильзы с грунтом вычитается вес гильзы, установленный тарировкой до опыта и по соотношению веса грунта и калиброванному объему вычисляется плотность грунта любого гранулометрического состава. Каждой делительной гильзе наносится маркировка пуансоном. Калибровка производится раз в год или чаще при возникающих сомнениях при определениях плотности. Данные калибровки (тарировки) заносятся в специальный журнал. При каждом определении плотности результаты первичных измерений вносятся в полевой журнал документации бурения или записываются электронным способом. Для каждой калиброванной гильзы-грунтоноса возможно составление графиков – номограмм, по которым сразу же можно снимать данные плотности грунта при установленном весе гильзы с грунтом (или по таблице).

Каждое определение плотности грунта делительной гильзой сопровождается дальнейшим углублением буровой скважины колонковым способом. Метод применим как в обсадных скважинах, так и в не закрепленных трубами – при устойчивых стенках ствола выработки. Осыпание грунта в стволе скважины при применении такого инструмента в сочетании со специфической технологии работ не влияет на искажение измерений, поскольку каждый раз гильза внедряется в грунтовый массив в заданный интервал глубин геологического разреза в ненарушенный массив грунта, а возможный прихват осыпавшегося грунта остается всегда выше уровня грунта в гильзе.

Отличительная особенность буровой коронки – это одинаковые согласованные диаметры ее внутренней части по параметрам колонковой трубы и гильзы. Резцы коронок также изготавливаются вровень по внутреннему профилю коронки. Известно, что при бурении грунт на 50 процентов от толщины коронки входит внутрь коронки и столько же расталкивается по стенкам скважины по наружной зоне. Однако существует метод более точного учета этого фактора по соотношению определения плотности грунта с параллельным способом определения другим способом – например, методом лунки, с последующим введением в расчеты поправочного коэффициента.

Рис. 3. Съем гильзы из колонковой трубы. Рядом с трубой – открученная буровая коронка с грунтовой пробкой

Благодаря применению грунтоноса предлагаемого типа расширяется сфера определений свойств любых видов грунтов непосредственно в полевых условиях и повышается культура производства, поскольку отпадает необходимость трудоемкого парафинирования керна. Выпуск и применение такого рода оборудования во многом облегчит сложнейшую и ответственную работу геологов-изыскателей в полевых условиях. При изготовлении требуется маркировка каждого изделия, выдача Технического паспорта на каждый грунтонос с результатами тарировки и графиком калибровки и, возможно, с простейшей программой электронной записи и расчета плотности грунта на ЭВМ.

Разработчики (авторы): А.И. Тараканов, С.А. Арчаков, Н.В. Семенов, Ю.А. Пестриков, Б.И. Мартыненко, М.В. Куклин, М.М. Габов, Г.Л. Малыгин.

Читайте также: