Введение к работе
Актуальность проблемы. Из всех известных видов забойной техники колонкового бурения скважин на твердые полезные ископаемые, одним из перспективных на сегодняшний день и в обозримом будущем остаются снаряды со съемными керноприемниками типа ССК. Их преимущества перед другими техническими средствами аналогичного назначения обусловлены главным образом принципиальными конструктивными отличиями, позволяющими обеспечить достижение основной цели разведки недр - получение качественного геологического материала в виде цельного, структурно ненарушенного керна при минимальных материальных затратах и высокой производительности труда.
Наряду с известными реализованными преимуществами, снаряды ССК имеют огромные, до сих пор практически неиспользованные потенциальные резервы, приводимые в действие только переходом от канатного способа извлечения съемного керноприемника к гидроизвлечению под напором обратного потока жидкости. При этом по сравнению с традиционным канатным способом отпадает необходимость использования громоздкой подъемной лебедки, стального каната большой протяженности, овершота и других устройств, а также выполнения вспомогательных операций, связанных с их эксплуатацией. Кроме того, при гидроизвлечении съемного керноприемника снимается характерное для канатного способа ограничение по углу заложения скважин, и тем самым значительно расширяется сфера применения снарядов ССК за счет бурения ими наклонных, горизонтальных и восстающих скважин, что позволяет повысить эффективность проводимых геологоразведочных работ.
В области теории и практики разведочного бурения скваяин наиболее глубокие исследования были выполнены Д.Н.Башкатовым, Б.И.Воздвиженским, Л.К.Горшковым, А.Г.Калининым, В.Г.Кардышем, А.Т.Киселевым, Е.А.Козловским, Б.Б.Кудряшовым, Ю.Т.Морозовым, В.П.Онищиным, Ю.М.Парийским, С.С.Сулакшиным, Ф.А.Шамшевым, И.Г.Шелковниковым, А.М.Яковлевым и др.
Ведущими организациями в бывшем СССР по проблемам исследования и создания технических средств бурения скважин снарядами со съемными керноприемниками ССК и КССК соответственно были ВИТР и СКп "Геотехника", которые, определяя приоритетные направления и
стратегию научных работ, обеспечивали высокий уровень разработок в мире.
В ВИТРе (В.П.Онищин, И.А.Запевалов и др.) были выполнены обстоятельные работы по изучению особенностей гидродинамики процесса бурения скважин снарядами ССК, в том числе проблемы проходимости съемного керноприемника под действием гравитационного веса в покоящейся жидкости. Полученные результаты в виде математических зависимостей легли в основу практических расчетов проектирования технических средств и технологических режимов проводки скважин снарядами ССК-59.
До недавнего времени вопросы исследования транспортировки съемного керноприемника коснулись, в основном, либо проблем изучения закономерностей.его нисходящего движения в направлении забоя, либо восходящего с керновым материалом в сторону устья за счет тяговых усилий подъемной лебедки.
Лишь в последние годы начали появляться отдельные работы, посвященные исследованию различных аспектов гидротранспортирования съемного керноприемника.
Однако практическая применимость способа гидроизвлеченип съемного керноприемника может быть обеспечена только на базе результатов и выводов глубоких, целенаправленных научных исследований по определению гидродинамических характеристик нисходящего, подводящего потока жидкости в кольцевом канале и принципов силового взаимодействия совместного движения съемного керноприемника и несущей напорной жидкости внутри колонны бурильных труб.
С пониманием важности работ в этом направлении и по результатам конкурсного отбора наиболее значимых научно-технических разработок тема "Разработка теоретических основ бурения скважин с гидровыносом съемного керноприемника и создания механико-математической модели: теория и эксперимент" была включена в перечень Программ МНТС по линии Министерства науки и новых технологий Республики Казахстан. Помимо этого, научные разработки по созданию технических средств бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника вошли в план НИР и ОКР по Министерству геологии и охраны недр.
Идея работы - изменение способа транспортировки съемного керноприемника в направлении устья скважины за счет перехода с
канатного подъема к гидроизвлечению напором обратного потока жидкости.
Цель работы - повышение эффективности процесса бдения и расширение области применения снарядов типа ССК (КССК) за счет внедрения системы гидронзвлечения съемного керноприемника.
Указанная цель реалізована посредством постановки и решения следующих задач:
определение гидродинамические характеристик нисходящего подводящего потока кчдкости в кольцевом канале, ограниченном стенками скважин и колонной бурильных труб;
разработка методики расчета основных гидродинамических параметров совместного движения керноприемника и несущей жидкости по каналу бурильной колонны;
изучение условий возникновения и областей существования характерных скоростных режимов движения системы' несущая жидкость - керноприемннк;
поиск возможных способов создания локальной подвижной зоны разрежения в передней части керноприемника при гндроизвпечении, позволяющей осуществить перевод съемного керноприемника из пассивного состояния в активное;
оценка эффективности применения нетрадиционных способов и средств гидроизвлечения съемного керноприемника из скважины;
разработка конструктивных схем наземных и забойных технических средств системы гидроизвлечения съемного керноприемника;
сравнительный анализ технико-экономических показателей традиционного канатного способа извлечения и гидроизвлечения съемного керноприемника из скважины.
Методы исследований. Анализ литературных источников из области гидромеханики жидкостей трубопроводного транспорта цилиндрических контейнеров с грузом для выбора основных направлений научно-исследовательских работ с целью создания эффективной системы гидроизвлечения.
Теоретические исследования с использованием известных математических методов для изучения: гидродинамических характеристик нисходящего подводящего потока жидкости в кольцевом канале, принципов силового взаимодействия съемного керноприемника и несущей напорной жидкости при их совместном движении по колонне
бурильных труб, возможности создания локальной подвижной зоны разрежения в передней части керноприемника при гидроизвлечении, математических зависимостей рабочих параметров создаваемых технических средств и критериев их оценки, сравнительных технико-экономических показателей.
Экспериментальные исследования выполнялись для определения значений местных потерь давления нисходящего потока жидкости в кольцевом канале между стенками скважин и внешней поверхностью матрицы серийного и экспериментального породоразрушающего инструмента, для практической проверки достоверности полученных математических формул по определению скорости движения съемного керноприемника в зависимости от расхода подаваемой жидкости и объемной плотности последнего, а также с целью визуального наблюдения за гидроперемещением съемного керноприемника, за действиями струйного аппарата и других технических средств, позволяющих перевести керноприемник из пассивного состояния в активное.
Опытно-производственные исследования были выполнены в действующих скважинах с целью комплексной проверки работоспособности технических средств непосредственно в процессе бурения скважин и при гидроизвлечении, для уточнения зависимости скорости движения съемного керноприемника от угла наклона скважин при определенных значениях его объемной плотности и расхода жидкости.
Научная новизна диссертации заключается в установлении общих функциональных гидродинамических закономерностей совместного движения гидроизвлекаемого съемного керноприемника и потока несущей жидкости по колонне бурильных труб с учетом напорного действия подводящего потока, расхода и скорости движения несущего потока, конструктивных параметров самого керноприемника (диаметра, длины, относительной объемной плотности) и гидродинамических характеристик породоразрушающего инструмента и разработке на этой основе ряда расчетных методик для определения потерь давления, скоростей движения потока в различных элементах циркуляционной системы скважины, а также абсолютных и относительных гидравлических сопротивлений движению керноприемника, что является основой для проектирования технологии бурения с гидроизвлечением съемного керноприемника и соответствующих технических средств для его осуществления (керноприемников со струйными ап-
паратами, породоразрушающих инструментов, приустьевого оборудования ).
Практическая ценность работы:
показана принципиальная осуществимость, потенциальные возможности и эффективность применения способа проводки сквакин с гидроизвлечением съемного керноприемника вместо традиционного канатного извлечения;
определены требования, предъявляемые к конструкциям и рабочим характеристикам технических средств бурения скважин с гид-роизвлекаемым съемным керноприемником;
разработаны на уровне изобретений, испытаны на стенде с возможностью визуального наблюдения струйный аппарат, другие устройства, позволяющие путем создания дополнительной подъемной силы перевести съемный керноприемник при гидроизвлечении из пассивного состояния в активное;
разработаны на уровне изобретений и внедрены в производство буровых работ конструкции колонковых наборов ССК-59ГТ, породоразрушающих инструментов типа ЮКС-59С и ЮКИ-76.
изданы и распространены среди геологических предприятий рекламно-информационные материалы, содержащие сведения о технических средствах бурения скважин с гидроизвлекаемым съемным керноприемником.
Реализация работы в промышленности и учебном процессе.
Технические средства бурения скважин с гидроизвлечением съемного керноприемника внедрены в производство буровых работ АО "Карагандагеология", АО "Каратаугеология" и АО "Алтынгеоло-гия .
Породоразрушающие инструменты HJKC-59C и ШКИ-76, принятые к серийному производству заводом АО "Терекалмаз", были отработаны в условиях ПГО "Ташкентгеология" и "Самаркандгеология".
Результаты исследований внедрены в учебный процесс путем чтения лекций студентам СПГГИ и КАЗНТУ.
Отдельные результаты диссертационной работы были изложены в монографии "Разведочное бурение с гидроизвлечением керноприемника" (авт.: Л.К.Горшков, Т.Н.Мендебаев) - СПб.: Недра, 1994.
Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном
совещании разработчиков буровой техники (Алма-Ата, 1989) и Всесоюзной научной конференции, посвященной проблемам разработки бурового инструмента из синтетических алмазов (Киев, 1990), а также на конференции, посвященной 100-летию со дня рождения проф. Ф.А.Шамшева (Санкт-Петербург, 1993) и Всероссийской научно-технической конференции (Томск, 1994). Кроме того, доклады по теме диссертации были сделаны на II и III Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1992, 1995). Обсуждение отдельных вопросов внедрения способа гидроизвлечения съемного керноприемника проходило на юбилейной научно-технической конференции, посвященной 65-летию геологической службы Казахстана.
Алмазные буровые коронки ЮКС-59С и ЮКИ-76 экспонировались на Международной специализированной выставке горно-рудного шахтного оборудования и технологии "МинТех 95", г. Алматы, 1995.
Исходные материалы и личный вклад. Основу диссертационной работы составляют результаты аналитических, теоретических, экспериментальных исследований и опытно-производственных испытаний, начатых автором в 1983 г., а также выполняемые под его руководством в настоящее время в Государственной акционерной компании "Жайлау" научно-исследовательские работы, проводимые в рамках пообъектного плана Министерства геологии и охраны недр Республики Казахстан.
Автор выражает искреннюю признательность доктору технических наук, профессору Л.К.Горшкову, доктору технических наук, профессору В.П.Онищину за консультации и помощь при работе над диссертацией, коллективам производственно-геологических организаций и научно-внедренческого центра "Алмас", принимавшим участие в стендовых и полевых испытаниях технических средств и их внедрении в производство геологоразведочных работ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано: одна монография, 19 статей, 8 авторских свидетельств, 1 патент Российской Федерации, 1 патент Республики Казахстан.
Объем и структура работы. Диссертационная работа содержит еі'ЙҐ" страниц машинописного текста,-?$ рисунков, /# таблиц и состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из Оо наименований.