Введение к работе
Актуальность работы.
Технический прогресс в разведочном бурении позволяет наметить |яд направлений в его осуществлении.
Особую актуальность приобретают вопросы интенсификации процас-а алмазного бурения скважин в сложных геологических условиях при аличии в разрезе поглощающих и гидратирующихся пород, взаимодей-твующих с промывочными жидкостями.
Предупреждение осложнений при бурении в таких г.орно-геологи-еских условиях рекомендуется осуществлять за счет использования пециальных видов промывочных жидкостей, имеющих широкие возможно-ти в регулировании реологических я фильрацион..ых свойств с целью нгитирования неустойчивых горных пород. Одним из видов очистных гентов, способствующих устранению осложнений в таких условиях, яв-ягатся газожидкостные смеси (ГЖС). В 1987 г. по геологоразведочного трасли пробурено 350 тыс.м с применением ГЖС.
В процессе реализации этих направлений получены значительные роизводствекные успехи в области использования алмазного бурения подачей на забой газожидкостных смесей (ГЖС). Однако в последние лет произошло значительное снижение объемов бурения геологораз-едочных скважин, в том числе алмазного бурения. Выполняемые не-ольшие объемы буровых работ осуществляются в условиях высокой сто-мости оборудования, бурового инструмента, материальных и энерге-ических ресурсов, ото обстоятельство особо остро ставит проблему бережливом отношении к ресурсам, в том числе алмазного породораз-ушающего инструмента, химических реагентов, полимерных высокомо-экулярных и полимерминеральных композиций для получения ГЖС. Ис-одя из этого приобретает актуальное значение использование ресур-эсберегающей технологии алмазного бурения б сложных геологических зловиях, развитие отдельных элементов которой получило на общем эне снижение объемов буровых работ и уменьшение числа прскзводст-знных предприятий, занимающихся бурением сквэанн.
Наиболее значительный вклад в развитие теории и практики ре-(грсосберегающей технологии внесли следующие ученые: Куличихин Н.И., зздвгакенский Б.Й., Шамшев Ф.А., Зпшїєйн Е.Ш., Волков С.А., Волод-знко К.Г., Мар.амэин А.В., Сулакшин С.С, Козловский Е.А., Баш-1Тов Д.Н., Кудряшов Б.В., Крылов В.И., Магурдумов А.І.І., Питерский .М., Калинин А.Г., Кардыш В.Г., Киселев А.Т., Лачинян Л. А., Ак-злопуло O.K., Яковлев A.M., Ивачев Л.И., Горжсз Л.К., Тег. -у.:-.-
_ 4 -
СИ., Мельничук И.П., Блинов Г. А., Афанасьев И.С, Лопатин Ю.С., Онщин В.П., Корнилов Н. И., Коваленко В.И., Кирсанов А.И., Васильев В.И., Пономарев П.П., Слюсарев Н.И., Рудометов Ю.Г., Головин О.С., Глазов М.Г., Козловский А.Е., Богданов Р.К., Володчен-ко В.К., Секула <$., Сахаров А.В., Липатников В.П., Шерстюк О.И. и др.
Цель работы состоит в комплексном исследовании процесса алмазного бурения с использованием газожидкостных смесей, оценке эффективности взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое, буровым шламом, ГЖС и разработке на этой основе ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях .
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
-
Анализ факторов, влияющих на эффективность алмазного бурения с применением ГЖС в сложных геологических условиях.
-
Разработка модели механизма взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое при бурении в присутствии посредников: частиц бурового шлама и ГЖС.
-
Уточнение основных положений теории формирования двойного электрпческого слоя в водном растворе ПАВ-пенообразователя на границе раздела жидкость-воздух в присутствии диссоциированных молекул поливалентных солей-электролитов, составляющих минерализацию пластовых вод и растворимых горных пород.
-
Разработка критериев и методики сценки совместимости высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций с молекулами ПАЗ-пенообразователей в состава ГЖС, обладающей многофункциональными технологическими свойствами.
-
Разработка модели шламового режима при алмазном бурении с применением ШС.
-
Разработка критержви метода оценки эффективности взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой.
?. Разработка методики выбора и расчета основных конструктивных параметров алмазных коронок нового поколения для бурения с применением ГЖС.
Методы исследований.
Для решения поставленных задач использовались современные методы проведения теоретических и экспериментальных исследований,основанные на системном подходе к анализу основных закономерностей
процесса взаимодействия алмазного породоразрушающего инструмента с горной породой при бурении с применением ГЖС, состоящих из высокомолекулярных полимерных и полимерно-минеральных композиций многофункционального назначения.
Научная новизна. На основании теоретического обобщения и выполненных автором исследований разработаны научные основы ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях с применением ГЖС, что повышает технико-экономические показатели бурения за счет внедрения рекомендуемых многофункциональных высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций в составе ГЖС, алмазных коронок нового поколения и технологии бурения ими.
Впервые получены следующие научные результаты:
теоретически обоснована и апробирша методика исследований процесса взаимодействия пары алмазная коронка - горная порода, основой которой является структурная схема этого взаимодействия, учитывающая временную и пространственную последовательность отдельных составляющих процесса разрушения горной породы на забое рабочим торцом алмазной коронки в присутствии двух посредников взаимодействия частиц бурового шлама и потока ГЖС;
решена задача о регулировании технологических свойств ГЖС
и установлено, что применительно к конкретным условиям солевой агрессии применимы уточненные теоретические положения о закономерностях формирования границы раздела жидкой и газообразной фаз в системе путем изменения характера адсорбции и растворимости молекул ЛАВ-пенообразователей при введении солей-электролитов в состав ГЖС;
теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены основне закономерности формирования и пеногашения ГЖС на основе высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций в условиях агрессии поливалентных солей-электролитов, отличающиеся тем, что при формировании и разрушении пенной ГЖС учитывается совместимость компонентов многофункционального назначения с молекулами ПАВ-пенообразователей, осуществляя целенаправленное регулирование ее свойств;
разработана методика оценки совместимости высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций многофункционального назначения с ПАВ-пенообразователями в составе пенной ГЖС,предусматривающая использование аналитических выражений предлагаемых критериев, отличающихся тем, что кроме основных параметров они
учитывают скорость разложения применительно к конкретному составу пенной ГЖС;
теоретически обоснованы и апробированы критерии оценки эффективности взаимодействия алмазной коронки с горной породой: удельная энергоемкость и удельный объемный износ, позволяющие оперативно осуществлять анализ параметров взаимодействия путем их анализа и выбора: предельной углубки за оборот, предельной забойной мощности, интенсивности износа и др. Использование этих критериев позволило рекомендовать их для районирования условий бурения по ожидаемым технико-экономическим показателям бурения;
установлено, что алмазное бурение с использованием коронок обычных конструкций и ГКС сопровождается перегревом рабочего торца матрицы и появлением аномальных видов износа рабочих секторов за счет ухудшения охлаждения контактирующих поверхностей и несвоевременного удаления частиц бурового илама из призабойной зоны. Получены аналитические зависимости, описывающие температуру нагрева рабочего торца матрицы, а также процесс формирования и движения частиц бурового шлама в призабойной зоне, позволившие рекомендовать новый подход при выборе и расчетах конструктивных параметров алмазных коронок и технологии бурения ими;
предложен и апробирован механизм взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горкой породой, отличающийся от известных учетом основных параметров посредников взаимодействия: частиц бурового шлама и ГЖС, которые учитываются при выборе основных конструктивных параметров алмазных коронок (число групп и линий резания объемных алмазов, длина сектора^ форма и размер промывочных каналов и др.). Предложен способ регулирования процесса алмазного бурения по изменению шламового режима на забое, который защищен патентом РФ;
теоретически установлены и экспериментально подтверждены основные закономерности изнашивания рабочих поверхностей секторов, заключающиеся в опережающем износе внутренней поверхности и набегающей их части, что позволило рекомендовать методику расчета и выбора равнопрочного профиля секторов алмазных коронок;
теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование явления локального сикерезиса в призабойной зоне работы алмазной коронки, позволяющего аналитически описать основные закономерности его существования, за счет чего повысить эффективность воздействия рабочего торца алмазной коронки на горную поро-
ду и уменьшить интенсивность его изнашивания;
- разработаны рекомендации по созданию алмазных коронок нового поколения для бурения с применением пенных ГЖС путем использования методик расчета и выбора равнопрочного профиля рабочих секторов, а также совершенствования их прошвочной системы. Изготовлены и исследованы опытные образцы алмазных коронок нового поколения (КСАК-59, БСП-20 и др.). Одна из разработок защищена авторским свидетельством.
Достоверность основных научных положений, результатов исследований и выводов подтверждена использованием апробированных методов проведения теоретического анализа и разработки научных методик оценки взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой. Предложены расчетные формулы, описывающие основные закономерности этого взаимодействия, которые подтверждены экспериментальными исследоыанияш в лабораторных и производственных условиях.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней даны научно-методические основы разработки ресурсосберегающей технологии алмазного бурения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях.
Решены следующие практические задачи:
I. Разработана методика проведения исследований по выбору рациональных типов алмазных коронок в конкретных условиях.
Z. Предложена и апробирована методика оценки эффективности взаимодействия пары: алмазная коронка - горная порода, позволяющая эффективно осуществлять поиск рациональных областей применения по-родоразрушающего инструмента путем проведения районирования по ожидаемым технико-экономическим показателям бурения различными типами алмазных коронок.
-
Разработаны рецептуры ГЖС с улучшенными триботехническими свойствами для алмазного бурения в конкретных геологических условиях.
-
Получены рациональные составы ГЖС для условий солевой агрессии пластовых минерализованных вод.
-
Рассчитаны параметры и изготовлен опытный образец пенораз-рушителя с регуливочным узлом длины свободной струи потока ГЖС.
-
Предложена и частично апробирована технологическая схема бурения с использованием ГЖС, в состав которой включается гидроциклонный и аэрогидродинамический пеноразрушктель на базе устч:ісзт: і lCi-Іии.
7. Разработаны и изготовлены опытные образцы алмазных коронок нового поколения для бурения с применением ІЖС. АпроОация раооты.
JoHOB.-Jbie пиложелия, теоретические и методические результаты докладывались на трех международных симпозиумах (г.С.-Петербург 1990, 1993 и 1995 гг.) "Бурение скважин в сложных геологических условиях", при проведении научных семинаров в НРБ по теме "Методы рациональной отработки алмазных коронок с использованием банков хранения данных на ЭВМ" (г.София 1989 г., г.Асеновград 1990 г.), на научных семинарах "Технология алмазного бурения в сложных геологических условиях" (г.С.-Петербург ПТО "Севзапгеология",1985-1987 гг.), на семинарах руководящих работников Мингео СССР при ШЖ МГРИ (г.Москва, 1980-1987 гг.), на технических совещаниях рудника "йяный" "Уралкварцсашцветы" (п.Южный, 1985-88 гг.), на международных симпозиумах и семинарах "Проблемы использования синтетических сверхтвердых материалов в геологоразведочной отрасли (г.Киев, 1989-92 гг.), на научных семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава ЫГРИ-МП'А в 1976-1995 гг.), а также при выполнении научно-исследовательских работ со студентами МГТА в 1977-95 гг.
Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в одной монографии, в 4-х учебных пособиях, одной брошюре, 15 статьях. Разработаны и утверждены Мингео СССР в 1988 г. "Методические рекомендации по технологии бурения коронками с синтетическими алмазами".
Объем и структура диссертации.
