ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ВЫХОД КЕРНА ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Иудин М.М.

ORCID: 0000-0002-5462-0593, Кандидат технических наук, Северо-Восточный федеральный университет имени М.К. Аммосова

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ГОРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ НА ВЫХОД КЕРНА ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН

Аннотация

Приведены технические и технологические факторы выхода керна при бурении геологоразведочных скважин. Наибольшее влияния на выход керна оказывают горно-геологические условия месторождения. Широкий диапазон горно-геологических условий включает физико-механические свойства горных пород, гидрогеологические и геокриологические условия месторождения, геомеханические факторы формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород. В статье разработана методика оценки влияния горно-геологических условий на выход керна при бурении геологоразведочных скважин.

Ключевые слова: горно-геологические условия, выход керна, скважина, интегральный критерий.

Iudin M.M.

ORCID: 0000-0002-5462-0593, PhD in Engineering, North-Eastern Federal University in Yakutsk

EVALUATION OF THE INFLUENCE OF MINING AND GEOLOGICAL CONDITIONS ON THE CORE RECOVERY AT WELL DRILLING

Abstract

The paper presents the technical and technological factors of core recovery during drilling of expendable wells. The greatest impact on the core recovery have the mining and geological conditions of the deposit. A wide range of mining and geological conditions includes the physical and mechanical properties of rocks, hydrogeological and geocryological conditions of the deposit, geomechanical factors of the strained-deformed state formation of the rock mass. The paper also presents the technique of the influence estimation of mining-geological conditions on the core recovery at drilling of expendable wells.

Keywords: mining and geological conditions, core recovery, well, integral criterion.

Обеспечение высокого выхода керна при бурении геологоразведочных скважин зависит от многих условий: горно-геологические особенности залегания месторождений полезных ископаемых, технические и технологические факторы бурения скважин. Основные условия получения качественного керна: обеспечить хорошую сохранность керна и исключить истирание керна при подъеме в скважине [1]. Это можно обеспечить, если при бурение геологоразведочных скважин применять следующие технические меры: использовать съемные керноприемники, двойные и тройные колонковые трубы, снаряды с обратной промывкой и другие средства, которые могут повысить выход керна при бурении скважин.

Технические факторы, оказывающие влияние на выход керна и его качество, определяются конструкциями колонкового снаряда и породоразрушающего инструмента, а также условиями их работы. Например, состояние каналов для промывочной жидкости до начала и во время бурения, каналы дренажа жидкости из керноприёмной трубы, способы заклинки керна, конструкция буровой коронки, диаметр и наклон скважины, качество промывочного агента и т.д. [2].

К технологическим факторам, влияющим на сохранность керна при бурении, относятся: количество подаваемой жидкости на забой скважины во время бурения, скорость вращения и осевое усилие на породоразрушающий инструмент, величина проходки за рейс бурения скважины.

Горно-геологические условия при бурении геологоразведочных скважин существенным образом влияют на параметры технологического процесса, и конечно определяют качество получения керна [3]. Из всего разнообразия горно-геологических условий прямо или косвенно влияют на процесс бурения следующие: минеральный состав, степень связности, пористость, плотность, удельный вес, структура, текстура, зернистость, физико-механические свойства горных пород. Механические и горно-технологические свойства горных пород выражаются в способности оказывать сопротивление деформированию и разрушению. К ним относятся: прочность, крепость, динамическая прочность, твердость, упругость, хрупкость, пластичность, абразивность и др.

В основе оценки влияния горно-геологических условий на качественный выход керна при бурении геологоразведочных скважин положена уже ранее разработанная методика оценка сложности горно-геологических условий рудных месторождений Севера [4], [5].

Выбираем необходимое количество месторождений или участков месторождения на которых пробурены геологоразведочные скважины с отбором керна на них и есть данные по выходу керна. Разнообразие таких месторождений позволит корректно оценить влияние горно-геологических условий на качественный выход керна при бурении скважины и выработать рекомендации по повышению выхода керна на других проектируемых месторождениях.

Применительно к условиям бурения скважин формируется прямоугольная матрица значений единичных показателей горно-геологических показателей {В} для оценки горно-геологических условий месторождений:

  (1)

где J_ij – значение i–го единичного показателя горно-геологических условий j–й месторождения; i = 1, 2, 3,…m; j = 1, 2, 3,…n; m – количество единичных показателей, привлекаемых к оценке горно-геологических условий рудника; n – количество месторождений, включенных в матрицу для оценки горно-геологических условий.

На следующем этапе формируется «эталон» горно-геологических условий. Формирование показателей «эталон» выполняется следующим образом. Для одних горно-геологических показателей уменьшение их значений приводит к повышению качества выхода керна. Следовательно, выбираем самое минимальное значение показателя, которое вносим в перечень горно-геологических показателей «эталон». Для горно-геологических показателей, у которых увеличение значений приводит к улучшению качества керна, выбираем максимальное значение показателя и включаем в перечень показателей «эталон». Из наилучших (минимальных и максимальных) значений горно-геологических характеристик составляем полный перечень горно-геологических показателей «эталон» виртуального месторождения, где можем получить самый высокий показатель качества керна.

Процедура оценки горно-геологических условий при бурении скважины производится следующим образом. Так как единичные показатели горно-геологических условий существенно отличаются друг от друга (количественные значения и разные размерности), в методике предусмотрено приведение показателей к безразмерной форме в виде относительного отклонения:

   (2)

где J^эт – выбранный наилучший показатель по i–й горно-геологической характеристике; J^ф – фактическое значение i–й горно-геологической характеристике j-го месторождения; J^max, J^min – соответственно максимальное и минимальное значение i–й горно-геологической характеристики.

В результате вычислений относительных отклонений горно-геологических показателей составляется следующая матрица:

   (3)

Для данной матрицы сравниваемых месторождений можно рекомендовать следующий интегральный критерий оценки горно-геологических условий, который учитывает соотношения показателей эталонного и фактического участка месторождения, на котором проводятся геологоразведочные работы:

где  - сумма «положительных» показателей;  - сумма «отрицательных» показателей. Индекс «ф» относится к условиям месторождения; индекс «эт» относится к условиям варианта «эталон».

Для определения положительного или отрицательного показателя горно-геологических условий выполняем следующую процедуру. По каждой строке матрицы анализируем значения показателей. Если показатели превосходят значения показателя «эталон», то этот показатель относится к «отрицательным» показателям, т.е. сюда относятся горно-геологические показатели с минимальными значениями. В противном случае нужно будет отнести его к «положительным» показателям, к которым относятся характеристики с максимальными значениями.

Интегральный критерий (5) обладает одним свойством: участок месторождения, где критерий (5) стремиться к нулю, соответствует эталонным горно-геологическим условиям и можно ожидать получение высокого качества выхода керна при бурении скважин на этом участке.

На основании расчета по каждому месторождения составляем общий ряд от минимального до максимального значения интегрального критерия. Вариант с минимальным значением интегрального критерия обладает наиболее благоприятными горно-геологическими условиями, способствующие достижению высокого уровня выхода керна при бурении скважины.

Тогда оценка интегрального критерия горно-геологических условий (4) будет стремиться к следующему условию:

ΔN_j → min (5)

При составлении матрицы (1) распределяем горно-геологические характеристики таким образом, чтобы наглядно получилось два блока: один блок показателей с максимальными значениями, и другой блок показателей с минимальными значениями.

Ранжируем месторождения по интегральному критерию (5) и обрабатываем по процентному выхода керна, что позволяет построить график зависимости интегрального критерия (5) от выхода керна, по которой можно прогнозировать выход керна для проектируемого месторождения.

Таким образом, разработана методика оценки влияния горно-геологических условий на выход керна при бурении геологоразведочных скважин.

Список литературы / References

1. Рылов В.Г. Методика опробования месторождений полезных ископаемых: учеб. пособие для студентов геологических специальностей / В. Г. Рылов, А. В. Труфанов. – Ростов-на-Дону: ЮФУ. – 2013. – 99 с.
2. Гарифуллин Д.З. Проблемы применения компоновок с ВЗД при отборе керна / Д. З. Гарифуллин // Инженерная практика. – 2012. - №7. – С.42-45.
3. Швец В.Н. Новая технология опробования выходов угольных пластов / В. Н. Швец, Г. Ю. Боярко // Разведка и охрана недр. – 2004. - №2. – С.41-46.
4. Иудин М.М. Оценка сложности горно-геологических условий рудных месторождений Севера / М. М. Иудин // Вестник Якутского государственного университета. – Якутск: ЯГУ. – 2008. – Т.5. - №3. – С.10-17.
5. Иудин М.М. Оценка горно-геологических условий кимберлитовых и рудных месторождений Севера / М. М. Иудин // Перспективы инновационного развития угольных регионов России: сборник трудов V Международной научно-практической конференции. – Прокопьевск: изд-во филиала КузГТУ в г. Прокопьевске. – 2016. – С.57-60.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Rylov V.G. Metodika oprobovaniya mestorozhdeniy polieznykh iskopayemykh: ucheb. posibiye dlia studentov geologicheskikh spetsialnostey [Methodology for testing of mineral deposits: Textbook. Manual for students of geological specialties] / V.G. Rylov, A.V. Trufanov. - Rostov-on-Don: SFU. - 2013. - 99 p. [in Russian]
2. Garifullin D.Z. Problemy primeneniya komponovok s VZD pri otbore kerna [Problems in the use of assemblies with DDM at core sampling] / D. Z. Garifullin // Inzhenernaya praktika [Engineering practice]. - 2012. – No.7. - P.42-45. [in Russian]
3. Shvets V.N. Novaya tekhnologiya oprobovaniya vykhodov ugolnykh plastov [A new technology for testing of coal outbreaks] / V.N. Shvets, G. Yu. Boyarko // Ravedka i okhrana nedr [Exploration and protection of subsoils]. – 2004. – No.2. – P.41-46. [in Russian]
4. Iudin M.M. Otsenka slozhnosti gorno-geologicheskikh usloviy rudnykh mestorozhdeniy Severa [Estimation of the complexity of mining and geological conditions of ore deposits in the Far North] / M.M. Iudin // Vestnik Yakutskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Yakutsk State University]. - Yakutsk: YSU. - 2008. - V.5. - No. 3. - P.10-17. [in Russian]
5. Iudin M.M. Otsenka gorno-geologicheskikh usloviy kimberlitovykh i rudnykh mestorozhdeniy Severa [Assessment of mining and geological conditions of kimberlite and ore deposits of the Far North] / M.M. Iudin // Perspektivy innovatsionnogo razvitiya ugolnykh regionov Rossii: sbornik trudov V Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Perspectives of innovative development of the coal regions of Russia: a collection of works of the V International Scientific and Practical Conference]. – Prokopyevsk: publishing house KuzGTU in the city of Prokopyevsk. – 2016. – P.57-60. [in Russian]