Введение к работе
Актуальность темы. Перспективы прироста запасов полезных ископаемых и технико-экономические показатели производственных геологических организаций в значительной степени определяются возможностями разведки глубоко залегающих пластов или рудных тел, то есть эффективностью глубокого разведочного бурения.
Бурение глубоких разведочных скважин, в частности, скважин малого диаметра при разведке на твердые полезные ископаемые связано с нарушением естественного напряженного состояния горных пород, неизбежным следствием которого являются механические процессы в породных массивах, обусловленные проявлением горного давления и воздействием очистного агента.
В практике ведения буровых работ в сложных горно-геологических условиях возникают ситуации, когда используемые технологические и технические средства не обеспечивают сохранность ствола скважины в интервалах пересечения ею потенциально неустойчивых горных пород,в которых деформационные процессы приобретают необратимый характер.Единственным способом поддержания устойчивости стенок скважины в этом случае является закрепление ствола обсадными трубами.Большой расход и высокая стоимость обсадных труб для перекрытия неустойчивых интервалов на большой глубине, необходимость перехода после крепления скважины на меньший диаметр или разбуривания всего ствола под соответствующий размер обсадной колонны приводят к снижению производительности буровых работ и значительному их удорожанию.
Исходя из изложенного, при бурении разведочных скважин в сложных геологических условиях особую актуальность и практическую значимость приобретает решение проблемы поддержания устойчивости стенок скважины без применения обсадных труб.
Выполненные по теме работы исследования соответствуют отраслевой программе б.Мингео СССР по проблеме ХП Е.Ш.1/002.119-8 "Создать и внедрить новые композиции для тампонажа и беструбного крепления стенок скважин, технические средства и технологии их применения для различных геолого-технических условий", координационному плану НИР и ОКР б.Мингео РСФСР на 1986-1990гг., планам НИР отраслевой научно-исследовательской лаборатории технологии и техники разведочного бурения ЛГИ (гос.per. NN 77064687, 79058829, 80035188, 1811004075, 01880023205 и др.).
Большое внимание общей проблеме поиска путей поддержания устойчивости стенок глубоких скважин уделено в трудах М.О.Ашрафь-яна, А.И.Булатова, В.С.Войтенко, Н.С.Дона, В.И.Крылова, М.Р.Мав-лютова, А.Х.Мирзаджанзаде и др.
Отдельным методическим, техническим и технологическим аспектам данной проблемы посвящены работы И.С.Афанасьева, Д.Н.Башкато-ва, Б.И.Воздвиженского, Э.Я.Кипко, А.И.Неудачина, В.П.Онищина, И.И.Рафиенко, А.Н.Саламатина, С.С.Сулакшина, В.В.Сутягина, П.М.Тяна, Ф.А.Шамшева .
Однако проблеме собственно беструбного крепления интервалов геологоразведочных скважин уделено значительно меньше внимания, и в этой области следует отметить исследования А.М.Яковлева, Б.Б.Кудряшова, Л.К.Горшкова, В.С.Литвиненко, A.M.Жукова, А.С.Кор-жуева, Л.А.Терещенко, В.Г.Портнова, Э.А.Бочко, Л.М.Ивачева, А.П.Руденко, М.К.Раскопина, М.Робертса, М.У.Шаусманова.
Цепь работы - научное обоснование способов и разработка технологий оперативного крепления интервалов неустойчивых горных пород, обеспечивающих сокращение затрат времени и материалов, а также экологическую безопасность разведочного бурения.
Идея работы заключается в повышении устойчивости слагающих стенки скважины пород, восприимчивых к гидродинамическому, химическому и температурному воздействию очистного агента, а также к механическому воздействию бурового снаряда, за счет формирования в осложненном интервале защитного экрана (крепи) без уменьшения диаметра скважины путем применения быстротвердекщих высокопрочных вяжущих материалов и технологии оперативной их доставки и переработки непосредственно зоне геологического осложнения.
Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в работе предусматривается решение следующих задач:
исследование факторов, отрицательно влиякщих на устойчивость горных пород в скважине, и разработка на этой основе расчетных и технологических схем их беструбного крепления;
исследование механизма формирования крепи в осложненном интервале скважины и ее взаимодействия с массивом закрепляемых горных пород;
исследование физико-механических свойств и разработка составов быстросхватывающихся смесей, а также особенностей их твердения на контакте с горными породами;
разработка технологии приготовления модифицированных БСС для крепления неустойчивых горных пород;
разработка технических средств и технологических приемов для оперативной изоляции осложненных интервалов скважины;
опытно-производственная проверка результатов исследований.
Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием комплекса методов исследований, включающего научный анализ и обобщение данных, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе по методам крепления горных пород и методикам расчета крепи; аналитические исследования напряженно-деформированного .состояния (НДС) горных пород вокруг скважины; лабораторные исследования фнзико-механическнх свойств тампонажных материалов; экспериментальные исследования на моделях скважины;исследования структуры тампонажного камня с помощью электронной микроскопии; обработку результатов анализа на ПЭВМ. Полученные при проведении экспериментальных исследований результаты анализировались и обрабатывались методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом экспериментальных и лабораторных исследований и производственных экспериментов, близкой сходимостью расчетных и опытных данных, положительными результатами внедрения в геологоразведочное производство рекомендаций, полученных в работе.
Научная новизна выполненной работы заключается в новом методическом подходе к решению задач закрепления неустойчивых интервалов разведочных скважин, базирующемся на установлении закономерностей контактного взаимодействия материала крепи с горными породами; получении аналитических зависимостей, связывающих геометрические характеристики тампонажных устройств с технологическими параметрами процесса крепления горных пород; установлении факторов, контролирующих основные физико-механические свойства модифицированных смесей.
Практическая значимость работы.:
-
Определены резервы повышения производительности геологоразведочного бурения и разработана высокопроизводительная технология приготовления быстросхватывающихся смесей, предназначенных для крепления неустойчивых горных пород.
-
Разработаны и внедрены в производство новые конструкции
специальных тампонажных снарядов, обеспечивающих оперативную дос- | тавку БСС в скважину и ее переработку в зоне крепления.
-
Созданы дешевые композиции БСС с добавками отходов горного производства, использование которых при ликвидационном тампонировании скважин способствует утилизации этих отходов.
-
Составлены программы для ПЭВМ и разработаны инженерные методы расчета параметров процесса крепления горных пород.
Внедрение результатов работы. Результаты исследований и практические рекомендации внедрены в ПГО "Севвостгеология", "Чи-тагеология", "Севзапгеология", "ЗапУкргеология", "Туркменгеоло-гия". В рамках программы б.Министерства геологии СССР проведены приемочные испытания технологии крепления скважин и ликвидационного тампонирования таблетированными БСС в ПГО "Невское", "Урал-геология", "Севзапгеология", "Туркменгеология".
Всего на указанных объектах за время проведения опытных работ закреплено 134 интервала по 73 скважинам, при этом общий метраж крепления составил 1395 м. Фактический экономический эффект от внедрения технологии оперативного крепления скважин составил более 134 тыс. руб (в ценах второй половины 80-х годов) и более 34 млн. руб (в ценах начала 90-х годов).
Техническая документация и инструкции по применению тампо-нашых снарядов переданы в ПГО "Сахалингеология", "Полярноуралге-ология", "Донбассгеология", "Нижневолжскгеология", "Севкавгеоло-гия", "Самаркандгеология", горно-металлургическое объединение "Дальполиметалл", Уральскую ГРЭ б.МЦМ СССР.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс:
при разработке программ и чтении соответствующих профилирующих курсов для студентов специальности 080700 "Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых";
при чтении лекций на факультете повышения квалификации для специалистов в области техники и технологии бурения скважин (учебное пособие).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на конференции молодых ученых Северо-Запада (Ленинград, 1982), региональной школе передового опыта "Охрана окружающей среды при бурении геологоразведочных скважин" (Сланцы, 1984), Всесоюзных школах "Обмен опытом при применении технологии сухого тампонирования скважин" (Москва, 1985; Апатиты, 1985), Всесоюзном научно-техническом совещании "Совершенствование организации и
технологии бурения геологоразведочных и технических скважин с промывкой газожидкостными смесями и предупреждение геологических осложнений методом сухого тампонирования" (Караганда, 1988), на 1-ом, 2-ом и 3-ем Международных симпозиумах "Бурение разведочных скважин в осложненных условиях" (Ленинград, 1989, СПб. 1992, 1995 гг.), IV региональной научно-технической конференции Северо-Запада "Научные и практические проблемы геологоразведки" (Ленинград, 1990), IV Республиканском научно-техническом семинаре "Передовые технологии разведки и добычи полезных ископаемых, особенности строительства и экологии на Крайнем Севере" (Воркута, 1990), Академических чтениях АЕН РФ по проблемам ресурсосберегающих технологий в разведочном бурении (Санкт-Петербург, 1992),Юбилейной научной конференции,посвященной 100-летию со дня рождения Ф.А.Шам-иева (Санкт-Петербург, 1993), Межреспубликанской научной конференции "Проблемы фкзико-химии и технологии дисперсных систем в бурении" (Екатеринбург, 1994), Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин" (Томск, 1994).
Комплекс технических средств и технология тампонирования скважин "сухими" БСС демонстрировались на выставке "ГЕО ЗКСПО-84" (Москва, 1984), на ВДНХ СССР (1981, 1982, 1984, 1985), на международных выставках в Дюссельдорфе (1982), Турине (1982), Сан-Пау-ло (1983), Загребе (1986), Дели (1988).
Представленные на выставках экспонаты удостоены бронзовых медалей ВДНХ СССР (1982 , 1985), а также диплома II степени НТО--Горное (Ленинград, 1982).
Исходные материалы и личный вклад соискателя. Основой диссертационной работы являются результаты теоретических, экспериментальных и опытно-производственных исследований автора, начатых в 1977 году в Отраслевой научно-исследовательской лаборатории технологии и техники разведочного бурения б.Мингео СССР при ЛГИ и продолженных на кафедре строительной механики по госбюджетной и хоздоговорной тематике с ПГО "Севзапгеология", "Читагеология", "Севвостгеология", "Туркменгеология", "ЗапУкргеология".
Автор выражает свою признательность Заслуженному деятелю науки и техники РФ, проф. Кудряшову Б.Б., профессорам Горшкову Л.К. и Яковлеву A.M. за большую помощь в выборе направления и методики исследования, сотрудникам кафедры технологии и техники бурения скважин и бывшей Отраслевой лаборатории ТТРБ, а также сотрудникам
Отдела съемного инструмента ВИТРа за содействие в проведении экспериментальных исследований, инженерно-техническому персоналу производственных организаций за помощь в подготовке и проведении полевых испытаний и внедрении разработок автора в практику разведочного бурения.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 работ. Новые технические решения, созданные в процессе работы над диссертацией, защищены 40 авторскими свидетельствами и патентами ведущих зарубежных стран.
Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 403 страницах машинописного текста,содержит 95 рисунков, 34 таблицы и состоит из введения, шести глав, основных выводов и рекомендаций и списка литературы из[$$ наименований.
