Применять ССК эффективно при глубине скважин не менее 200 м. ССК можно использовать не только в простых геологических условиях, но также в трещиноватых породах, при поглощении промывочной жидкости, наличии водопритоков в скважину и пр.

В нашей стране применяются снаряды со съемными керноприемниками ССК-46, ССК-59, ССК-76 конструкции ВИТР и комплекс технических средств КССК-76 конструкции СКВ ВПО «Союзгеотехника».

Скважины снарядами со съемными керноприемниками можно бурить теми же установками, которые применяются для обычного алмазного бурения. Гидравлические сопротивления при использовании бурильной колонны ССК весьма значительны, поэтому, работая с ними, следует применять насосы с коробками передач (НБЗ-120/40, НБ4-320/63), обеспечивая подачу жидкости при малых расходах, но со значительным давлением.

Для извлечения из скважины съемных керноприемников используются специальные лебедки Л5 с индивидуальным приводом от электродвигателя мощностью 5,5 кВт. Эти лебедки выпускаются в двух модификациях (для ССК и КССК), отличающихся скоростью подъема керноприемника.

Рис. 1. Колонковый набор (а) ССК и овершот (б)

Снаряд при бурении со съемными керноприемниками состоит из гладкоствольной (по наружному и внутреннему диаметрам) бурильной колонны и колонкового набора.

Колонковый набор состоит из двух основных частей: наружной—ведущей— и внутренней — керноприемной.

Наружная часть колонкового набора состоит из последовательно соединенных резьбами переходника на бурильные трубы, специализированного переходника, наружной колонковой трубы, расширителя и алмазной коронки.

К внутренней керноприем-ной трубе съемной части набора снизу присоединяется кернорватель, в корпус которого вложены пружинное кернорвательное кольцо и упорное, ограничивающее его движение вверх. Верхняя часть керноприемной трубы соединена с подшипниковым узлом, исключающим ее вращение и обеспечивающим сохранение керна от разрушения. Два упорных подшипника этого узла расположены на шпинделе и поджаты пружиной. Верхняя резьбовая часть шпинделя соединяется с удлинителем. В продольном пазе удлинителя на оси размещены две защелки, разжимаемые пружиной 3 и фиксирующие положение съемного керноприемника в наружной части колонкового набора. На верхнюю часть удлинителя надета втулка, соединенная с удлинителем пальцем и свободно перемещающаяся по нему в пределах овального паза под палец. Втулка резьбой соединяется с головкой, за которую захватывается и извлекается съемный кернопри-емник.

В рабочем положении керноприемник опирается на кольцо, установленное в цилиндрической проточке специализированного переходника. Крутящий момент верхней частью керно-приемника воспринимается через разведенные защелки от зуба переходника на бурильные трубы. Этот переходник на наружной поверхности имеет релитовые наплавки, центрирующие верхнюю часть колонкового набора в скважине. Нижняя часть невращающейся при бурении керноприемной трубы центрируется с помощью стабилизатора, представляющего собой подшипник скольжения (бронзовая втулка с канавками для прохода промывочной жидкости), установленный в цилиндрической проточке расширителя. Между нижним концом корпуса кернорвателя и алмазной коронкой необходим зазор 2— 4 мм, устанавливаемый при сборке колонкового набора ввинчиванием или вывинчиванием шпинделя из удлинителя. Контргайкой фиксируется положение внутренней керноприемной трубы.

Керноприемник в собранном колонковом наборе должен иметь люфт 2—3 мм между защелками и торцом переходника на бурильные трубы, необходимый для свободного складывания защелок при извлечении керноприемника.

Для извлечения наполненного керном съемного керноприемника, а также спуска последнего в сухие скважины применяется овершот. В пазах корпуса овершота на оси закреплены защелки. Концы защелок разжимаются пружиной, надетой на штифты. Круговое вращение защелок вокруг оси ограничено штифтом, закрепленным концами в корпусе. В нижней части корпуса овершота имеется цилиндрическая проточка, в которую заходит съемная головка керноприемника при захвате ее защелками. В верхнюю часть корпуса ввинчена тяга, по которой перемещается грузовая труба, имеющая нижнюю пробку, ограничивающую перемещение грузовой трубы вверх по тяге за счет гайки, навинченной на верхнюю часть тяги. Овершот спускается в скважину на канате лебедки керноприемника. Конец каната закреплен в замке, корпус которого ввинчен в верхнюю часть грузовой трубы. Наличие в замке бронзовой пяты позволяет избежать скручивания каната за счет проворачивания втулки в корпусе. Для ускорения спуска овершота в наклонные скважины между грузовой трубой и корпусом канатного замка устанавливают утяжелитель.

Алмазные коронки для бурения с ССК должны обладать высокой износостойкостью. Чем выше стойкость коронок, тем выше эффективность бурения ССК- Стойкость коронок для ССК повышается за счет совершенствования схемы раскладки алмазов, улучшения их качества, изменения геометрии коронок и формы промывочных каналов.

Рис. 2. Алмазные коронки для бурения снарядами со съемными керноприемниками:
а — зубчатая; б — ступенчатая; в — комбинированная

Для бурения пород VI—VIII категорий по буримости рекомендуются однослойные зубчатые коронки К-02-59, КАСК-3-76. Зернистость алмазов этих коронок 12—20 шт/карат и они выступают из тела матрицы на 1/3—1/4 часть своего диаметра. Зубки коронок имеют импрегнированный слой, повышающий их износостойкость и позволяющий использовать эти коронки в абразивных породах. Хорошо развитая промывочная система зубчатых коронок способствует лучшему охлаждению и выносу налипающих глинистых частиц.

Для бурения пород VIII—X категорий по буримости рекомендуются однослойные ступенчатые коронки К-01-59, К-16-76, КАСК-4С-76 и другие с зернистостью объемных алмазов от 20 до 50 шт/карат. В зависимости от диаметра скважины и физико-механических свойств горных пород применяют коронки с различным (от трех до пяти) количеством ступеней. Промежуточные ступени коронок без подрезных алмазов. Их функцию выполняют объемные алмазы, которые имеют некоторый выпуск по наружной части ступеней. Подрезные алмазы зернистостью 20—50 шт/карат установлены в два ряда в верхней цилиндрической части матрицы.

Для бурения пород IX—XII категорий по буримости рекомендуется комбинированная четырехступенчатая коронка К-08-59, характерные особенности которой — наличие пилотирующей части, выполненной из импрегнированной мелкими алмазами матрицы, и ступеней, армированных крупными алмазами. Пилотирующей частью коронки на забое скважины образуется «вруб» и обеспечивается возможность бурения в породах высоких категорий по буримости монолитных и трещиноватых.

Для бурения монолитных и слаботрещиноватых пород V— VI категорий по буримости рекомендуется однослойная резцовая коронка КАСК-Р, в которой режущими элементами являются штыри, вооруженные ^полированными алмазами зернистостью 2—5 шт/карат.

Алмазные коронки для бурения ССК имеют внутреннюю резьбу и на внутренней поверхности корпуса конусную расточку, в которую упирается корпус кернорвателя в момент срыва керна. На наружной поверхн сти корпуса коронки делают два отверстия под ключ типа КБ.

Снарядами со съемными керноприемниками ССК-46, ССК-59, ССК-76 и КССК-76 бурят скважины с применением расширителей соответственно Р-03, РСА-1, PACK и РЦК. Отличительная особенность этих расширителей — наличие проточки внутри корпуса, в которую помещается стабилизатор керноприемника.

Институтом сверхтвердых материалов АН УССР разработаны коронки ССК-БСБ-59, предназначенные для бурения в породах IX—X категорий по буримости разной степени абразиз-ности. Объемный слой этих коронок армирован синтетическими алмазами АСС-250/200 и радиусными вставками славутича, выполненными в виде секторов. Подрезной слой по наружной и внутренней поверхностям оснащен цилиндрическими вставками славутича диаметром 5 мм и высотой 3 мм.

Бурильные трубы, применяемые при работе со съемными керноприемниками, отличаются от используемых при обычном алмазном бурении. Зазор между бурильной колонной и стенками скважины определяется соотношением тр/£скв = = 0,92-0,93. Поэтому с различными по диаметру породоразру-шающими инструментами (46; 59 и 76 мм) применяются соответствующие указанному соотношению колонны бурильных труб (диаметром 43; 55 и 70 мм). Бурильная колонна для ССК гладкоствольна по наружному и внутреннему диаметрам, что обеспечивает уменьшение гидравлических сопротивлений при промывке скважины и возможность свободного перемещения внутри колонны керноприемника.

Бурильные трубы для ССК изготовляются из стали марки 38ХНМ без высадки и имеют толщину стенки 4,8 мм. На концах трубы — коническая трапецеидальная резьба с конусностью 1/32. На одном конце трубы резьба наружная, на другом— внутренняя (для соединения «труба в трубу»). Резьбовые соединения имеют две упорные торцовые поверхности, обеспечивающие герметичность колонны и равнопрочность резьбового соединения с телом трубы.

Бурильные трубы для ССК изготовляют с высокой точностью и чистотой обработки. Допустимое отклонение размеров по наружному и внутреннему диаметрам ±0,1 мм. Овальность и разностенность допускается не свыше 0,16 мм. Кривизна трубы не должна превышать 0,2 мм на 1 м длины.

Бурильные трубы для КССК-76 изготовляются из стали марки 36Г2С, высажены на концах и соединяются в колонну замками и муфтами из стали марки 40ХН.

С 1981 г. для КССК-76М выпускаются бурильные трубы ТБПК-70 с приваренными аргонодуговой сваркой резьбовыми концами. На резьбовых концах сделаны прорези и кольцевые проточки под вилку и элеватор. Наружная поверхность концов упрочнена гранулированным твердым сплавом. В сравнении с серийными бурильными трубами комплекта К.ССК-76 трубы ТБПК-70 прочнее. Соединяются они «труба в трубу».

По степени износа бурильные трубы для работы со съемными керноприемниками сортируют на три категории: к I категории относят трубы с износом на концах<0,5 мм, в гладкой части<1,5 мм, ко II категории — с износом на концах 0,5— 1 мм, в гладкой части 1,5—2 мм; к III категории — с износом на концах>1 мм, в гладкой части >2 мм.

Нижняя, наиболее нагруженная, сжатая часть бурильной колонны должна составляться из труб I категории. В средней части колонны следует размещать трубы II категории. Трубы III категории можно применять только в верхней, растянутой части бурильной колонны.

Перед транспортировкой бурильные трубы собираются в пакеты по 19 или 37 шт. С торцов пакет закрыт шестигранными крышками, стягиваемыми шпилькой. Каждый пакет труб дополнительно связывается хомутами. Для предохранения трубной резьбы крышки пакета снабжены деревянными накладками.

Гладкоствольную бурильную колонну ССК спускают и поднимают с использованием полуавтоматических элеваторов МЗ-50-80-1, МЗ-50-80-2, ЭН2-20 и специальных резьбовых наголовников. Колонна на устье скважины удерживается гидравлическим трубодержателем рычажного типа ТР2-12,5. Резьбовые соединения свинчиваются вручную гладкозахватными ключами КГ. Для работы с трубами ССК-46 используют шарнирные ключи. Свечи устанавливают в подсвечник ПО-6, имеющий электроподогрев для работы в зимнее время.

Для выполнения СПО с КССК-76 применяют полуавтоматические элеваторы ЭН2-20 или ЭК-20, работающие без наголовников с захватом за кольцевую проточку на замке, а также труборазворот РТ-1200М.

Спускать снаряд в скважину следует без керноприемника, так как оставшийся в скважине шлам может засорить каналы колонкового набора. После спуска наружной части колонкового набора к забою скважины через бурильную колонну доставляется керноприемник. Если скважина заполнена промывочной жидкостью, керноприемник свободно спускается в трубы. Момент достижения керноприемником рабочего положения определяется по звуку от удара при его посадке. Если уровень жидкости в скважине ниже 30 м, спускать кернопри-емник следует на овершоте с надетой на его корпус отсоединительной втулкой. При достижении керно-приемником рабочего положения канату дают небольшую натяжку и затем слабину. Грузовая труба ударяет пробкой по корпусу овершота, заставляя защелки переместиться на нижний конус головки керноприемника. Верхние концы защелок сходятся, и втулка, перемещаясь вниз, фиксирует их в этом положении. Овершот, отсоединенный от керноприемника, свободно извлекается из скважины. При бурении глубоких и слабонаклонных скважин для ускорения доставки керноприемника к забою, на его головке вместо втулки размещают уплотнительную манжету, позволяющую с помощью бурового насоса залавливать керноприемник.

После достижения керноприемником рабочего положения начинают бурение. Каждый рейс бурения колонковым набором следует начинать с приработки. Особенно важен этап приработки при бурении сильнотрещиноватых, раздробленных, перемещающихся по твердости пород. В течение первых 10— 15 см проходки керн должен свободно войти в керноприемную трубу через кернорватель. Поэтому вначале рекомендуется бурить на небольшой частоте вращения снаряда (2,5-^-5 с-1), с малой осевой нагрузкой (3000—4000 Н) на породоразрушающий инструмент и умеренным количеством промывочной жидкости (1,7—5) • 10-4 м3/с в зависимости от диаметра бурения.

Бурить комплектами ССК рекомендуется на наиболее эффективных оптимальных параметрах технологического режима. Оптимальная осевая нагрузка подбирается опытным путем для каждого типа породы. Рост механической скорости проходки, пропорциональный повышению осевой нагрузки, означает, что оптимальная осевая нагрузка еще не достигнута. Если при переходе на следующую ступень нагрузки приращение механической скорости проходки уменьшится, то это значит, что коронка начала работать в условиях зашламования и следует возвратиться на предыдущий режим нагрузки, который и будет оптимальным. Ориентировочные величины оптимальной нагрузки приведены в табл. 20.

Осевую нагрузку необходимо снижать при бурении пород трещиноватых, переслаивающихся с чередованием мягких и твердых прослоев, малоустойчивых, косослоистых, разбуриваемых под острым углом к напластованию и кавернозных.

Возможность варьирования осевой нагрузкой при бурении со съемными керноприемниками ограничена тонкостенностью бурильных труб и ослабленностью в соединениях. Поэтому осевую нагрузку не следует создавать более 15 кН при работе с ССК-59 и ССК-76, 12 кН — с ССК-46. Лишь в случае крайней необходимости допускается кратковременная нагрузка соответственно до 20 и 15 кН.

Буровой снаряд КССК-76 позволяет доводить осевую нагрузку до 15—20 кН.

Осевую нагрузку в процессе бурения следует изменять плавно, без рывков.

Для комплектов ССК эффективно бурение на высоких частотах вращения снаряда. Поэтому всегда следует стремиться к тому, чтобы частота вращения была оптимальной. Оптимальной для каждого конкретного случая будет максимальная частота вращения, при которой:
а) мощность двигателя, приводящего в действие буровой станок, и прочность бурильной колонны достаточны, чтобы обеспечить бурение при оптимальной осевой нагрузке, соответствующей условиям бурения;
б) отсутствуют вибрации;
в) выход керна не ниже предусмотренного проектом;
г) удельный износ инструмента на 1 м бурения — минимальный.

Технической характеристикой комплектов ССК-46, ССК-59 и ССК-76 предусмотрена возможность бурения при частоте вращения снаряда до 25 с-1.

Следует при этом иметь в виду, что высокая частота вращения снаряда малоэффективна при бурении некоторых видов пород:
а) весьма твердых кварцевых ожелезненных (яшмы, джеспилиты, роговики);
б) сильно трещиноватых;
в) неоднородных, состоящих из мягких слоев с наличием твердых включений;
г) легкоразрушаемых, с низким выходом керна;
д) кавернозных;
е) малоустойчивых.

Существенное влияние на результаты бурения оказывает промывка скважины. В качестве промывочной жидкости при бурении с ССК-59 используется техническая вода, а при бурении с ССК-76 и КССК-76 — вода или малоглинистый раствор, приготовленный из бентонитового порошка. Наилучшие технико-экономические показатели достигаются при промывке скважин водными растворами эмульсий типа ЭЛ-4, ЭН-4 (1—2%). При бурении в сложных условиях рекомендуется применять безглинистые растворы на базе полиакриламида (ППА) или гипана (1,5—2%). Промывочная жидкость, закачиваемая в скважину, должна быть чистой. Наличие в ней шлама может привести к засорению зазоров, нарушению циркуляции жидкости и прижогу коронки.

При выборе расхода промывочной жидкости необходимо учитывать характер и состояние разбуриваемых пород, требования, предъявляемые к выходу керна, и механическую скорость проходки. В легкоразмываемых породах количество жидкости, закачиваемой в скважину, должно быть минимальным, но достаточным для очистки забоя от шлама. Увеличение расхода жидкости в этом случае может привести к повышению механической скорости проходки, но одновременно и к уменьшению выхода керна. Количество промывочной жидкости увеличивают с повышением механической скорости проходки для обеспечения очистки забоя от большого количества шлама, а также при бурении пород, шлам которых налипает на торец коронки.

Так как резьбовые соединения бурильных труб, применяемых в комплектах ССК, имеют высокую герметичность, величина расхода промывочной жидкости при бурении со съемными керноприемниками принимается на 30—40% меньше расхода при бурении в аналогичных условиях с использованием обычных бурильных труб.

В подшипниковом узле керноприемника имеются две резиновые манжеты, предназначенные для сигнализации о заполнении керноприемной трубы керном или о самозаклинивании керна. Так, при самозаклинивании керна керноприемная труба, зависнув на нем, прекращает поступательное движение, в то время как наружная труба продолжает опускаться вниз. Торцовой поверхностью переходник передает осевое усилие на защелки и далее через удлинитель на шпиндель. В результате этого резиновые манжеты сжимаются и, увеличиваясь по наружному диаметру, перекрывают доступ промывочной жидкости к забою. Повышение давления отмечается манометром бурового насоса.

При заполнении керноприемной трубы керном или при самозаклинивании керна съемный керноприемник поднимают на поверхность. Срыв керна осуществляют медленным, без вращения, подъемом колонны бурильных труб на 30—40 см гидравликой станка. Момент отрыва керна от забоя (особенно в крепких породах) фиксируется по индикатору веса станка. После проверки исправности овершота его спускают в скважину на канате лебедки керноприемника. В скважинах, заполненных водой, скорость спуска овершота не должна превышать 1,3, а глинистым раствором 1,1 м/с.

Поднятый лебедкой керноприемник укладывают на специальные опоры, а в скважину опускают другой, заранее подготовленный к работе. После начала бурения из первого извлекают керн и готовят для следующего спуска.