Введение к работе
Актуальность темы. На разных этапах освоения месторождений полез-ых ископаемых одно из ведущих мест принадлежит бурению. В стоимости гор-ьгх работ доля бурения составляет от 30 до 70% общих затрат.
Основой современной технологии бурения скважин является механиче-<ое разрушение горных пород различными породоразрушающими инструмен-зми, эффективность которого зависит от оптимального выбора параметров гжима бурения и породоразрушающего инструмента.
В настоящее время не существует единой научно обоснованной методики зсчета рациональных параметров режима бурения, обеспечивающих эффектив-ое разрушение горных пород. Основной метод их определения все еще остается жим, каким он был более полувека назад. Изменяя осевую нагрузку и число Зоротов, находят величины механической скорости бурения и проходки за гйс, которые соответствуют максимальной производительности бурения.
Такой метод требует больших затрат времени и сил при разведке каждого есторождения полезных ископаемых, так как перенесение опыта бурения из дного района в другой трудно из-за большого разнообразия горных пород по етрографическому составу, зернистость, степень метаморфизма и т.д.
Поэтому необходима разработка научно обоснованного метода проноза параметров режима разрушения пород при бурении, которая учитыва-а бы разнообразие показателей физико-механических свойств (ФМС) мас-ива горных пород. Физико-механические свойства, в свою очередь, зависят от гщественного состава объекта разрушения, его структурных особенностей и со-гояния в массиве.
В процессе бурения естественное состояния массива искусственно нару-іается, что приводит к изменению некоторых его свойств, в том числе механи-гских, среди которых основными являются упругие, прочностные и реологиче-ше. Для получения достаточно объективной информации о физико-еханических свойствах горных пород как объекта разрушения при бурении, итересующие нас показатели следует определять в обстановке максимально эзможного приближения к реальной забойной.
Учесть все эти особенности можно лишь с помощью показателей физико-еханических свойств пород не искаженных релаксационными процессами, оторые можно определять метод экспрессного опробования, изучая свеже под-ятый керн непосредственно на скважине.
Из выше сказанного вытекает актуальность разработки метода прогноза параметра режима разрушения пород при бурении скважин, основанного на использовании физико-механических свойств пород, не искаженных необратимыми процессами, протекающими в образцах керна (при длительном нахождении их на дневной поверхности), натурных наблюдениях за параметрами режимов бурения и методов многофакторного математического анализа.
Диссертационная работа связана с научным направлением лаборатории "Физики мерзлых горных пород" Технического института ЯГУ. Работа выполнялась по планам НИР Министерства общего и профессионального образования РФ (область "Горные науки"), в рамках темы: "Построение геолого-геофизических моделей прогноза состояния и поведения массива горных пород при технологических воздействиях". 38.63.51; 38.65.17, фундаментальные исследования. Работа выполнялась в соответствии с планами научных исследований ТИ ЯГУ и по хоздоговорной тематике с предприятиями: ГГП "Южя-кутгеология": "Изучение горно-геологических и геокриологических условий разреза Сылахского месторождения". ГУЛ "Якутуголь": "Определение фи-зико - механических свойств углевмещающих пород на Нерюнгринском месторождении пласта 5-ти метрового по геолого - геофизической методике".
Пелью работы является создание метода прогнозирования параметров режима разрушения горных пород механическими способами при бурении скважин.
Идея работы заключается в использовании закономерности изменения показателей совокупности физико-механических свойств массива для разработки автоматизированной системы прогнозирования параметров разрушения горных пород.
Задачи исследований:
проанализировать методы определения и прогноза параметров режима разрушения горных пород, выявить показатели физико-механических свойств, отражающие процессы разрушения массива при механических способах бурения скважин;
установить закономерность изменения показателей физико-механических свойств горных пород, извлеченных из скважины, от времени хранения образцов в атмосферных условиях;
установить взаимосвязи параметров режима разрушения горных пород с показателями физико-механических свойств;
установить взаимосвязи параметров режима разрушения горных эрод и показателей физико-механических свойств с механической скоростью /рения;
разработать автоматизированную систему прогнозирования пара-етров режима разрушения горных пород механическими способами на основе :тановленных зависимостей. Методы исследования:
сравнительный анализ и обобщение методов определения и прогно-i параметров режима разрушения горных пород при бурении;
лабораторные методы исследования процессов разрушения и де-ормации твердых тел при изучении физико-механических свойств горных по-эд;
методы физического и математического моделирования процессов эеза, дробления, скалывания, истирания при разрушении горных пород;
методы многофакторного анализа экспериментальных данных для л'ановления взаимосвязи параметров режима разрушения горных пород при урении с показателями физико-механических свойств;
методы вычислительных экспериментов и программирования на ЭВМ.
Научные положепия. выдвигаемые на защиту:
физический процесс разрушения горных пород: срез, скалывание, робление, истирание и т.д. при механических способах бурения скважин харак-гризуется совокупностью показателей физико-механических свойств: скоро-гыо распространения ультразвуковых волн Vp, пределом прочности при растя-:ении арсф, объемной плотностью р, учитывающей структурно-текстурные осо-гнности и состояние массива;
физико-механические свойства, оказывающие преобладающие гсияние на процессы разрушения горных пород механическими способами, не-бходимо определять с момента извлечения керна из буровой скважины, так как образцах, находящихся на дневной поверхности происходят необратимые фи-жо-химические процессы, которые по истечении 15 часов дают значительные скажения в показателях физико-механических свойств;
взаимосвязи параметров режима разрушения горных пород с пока-ітєлями физико-механических свойств выражаются многомерными уравнения-и регрессии первого порядка;
механическая скорость бурения (VM) описывается, многомерными уравнениями регрессии первого порядка, учитывающими как физико-механические свойства массива, оказывающие доминирующее влияние на процесс разрушения пород, так и параметры режима разрушения горных пород;
автоматизированная система прогноза параметров режима разрушения горных пород при бурении скважин синтезирует экспериментальные измерения физико-механических свойств и параметров режима бурения, обработку данных методами многофакторного анализа, специализированную программу «PROGNOZ»;
разработанный метод прогноза параметров режима разрушения горных пород путем установления наиболее влияющих физико-механических свойств на процесс разрушения горных пород для других горно-геологических условиях легко адоптируется к месторождения находящихся в других регионах.
Достоверность научных положений, выводов, рекомендаций подтверждается:
корректной постановкой задач на основе фундаментальных законов физики, теории упругости, прочности твердых тел, методов математической статистики;
достаточным объемам экспериментальных данных (15 скважин общим объемом экспериментально пробуренных интервалов 513, что составляет более 200 погонных метров);
применением математического метода многофакторного анализа, с помощью которого получены эмпирические уравнений с коэффициентом многомерной корреляции от 0,63 до 0,85;
точностью и достоверностью методики прогноза оптимальных параметров режима разрушения горных пород при бурении (точность прогноза -относительные средняя арифметическая погрешность в зависимости от прогнозируемого параметра и типа используемого породоразрушающего инструмента варьирует от 11,02% до 17,45%).
Научная новизна работы состоит в том, что:
выявлены физико-механические свойства пород, которые оказывают доминирующие влияние на процесс разрушения пород при механическом способе бурения;
выявлены закономерности изменения физико-механических свойств горных пород, извлеченных из буровой скважины, от времени их хранения;
выявлены взаимосвязи между параметрами режима разрушения орных пород при бурении и показателей физико-механических свойств;
выявлены взаимосвязи механической скорости бурения от физико-іеханических свойств горных пород и параметров режима разрушения;
разработана программа «PROGNOZ» для автоматизации прогноза траметров режима разрушения пород при бурении;
разработанный метод прогноза параметров режима разрушения по-юд при бурении легко адоптирующейся на месторождениях с различными гор-ю-геологическими условиями.
Личный вклад автора: состоит:
в установлении показателей физико-механических свойств, которые іаиболее значительно влияют на процессы, протекающие при разрушении гор-1ых пород механическими способами;
в установлении временного промежутка, в котором керн может находиться на дневной поверхности не подвергаясь необратимым физико-химическим процессам для получения объективной информации о физико-іеханическом состоянии массива;
в реализации результатов инженерно-геологических исследований в івтоматизированной системе прогноза параметров режима разрушения горных юрод;
в установлении зависимостей между механической скоростью бу-іения от физико-механических свойств пород и параметров режима разрушения орных пород при бурении;
в разработке программного обеспечения для персонального компь-отера, позволяющего автоматизировать процесс составления геолого-ехнического паспорта на ведение буровых работ.
Практическая цепность работы заключается в том что, разработанная втоматизированная система прогноза параметров режима разрушения пород гри бурении позволяет:
использовать показатели физико-механических свойств горных по-юд (которые изучаются на месторождении для оценки горно-геологических ус-ювий эксплуатации месторождения) как базу опорных данных для прогноза па-іаметров режима разрушения пород при бурении;
прогнозировать с достаточно высокой степени точности рациональ-іьіе параметры режима разрушения пород при бурении;
по физико-механическим свойствам и параметрам режима разрушения пород прогнозировать механическую скорость бурения;
автоматизировать построение геолого-технического паспорта на бурение скважин.
Реализация работы. Разработанный метод реализован:
в Южно-Якутском угольном бассейне, в процессе детальной разведки Сылахского месторождения;
в методических руководствах по проведению лабораторных и курсовых работ, для студентов горного направления Технического института ЯГУ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на заседаниях научных семинаров Технического института Якутского государственного университета (1998-2000 г.г.), Научно-практической конференции "Народы Севера: пути, проблемы развития". ( Нерюнгри, 1998 г.), Научно-практическая конференция "Образование, общество, прогресс". ( Мирный, 1999 г.), Научно-практической конференции "Проблемы и перспективы угледобывающей отрасли Республики Саха (Якутия)". (Нерюнгри, 1999 г.), Всесороссийской научно-технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин». (Томск, 1999 г.)
Публикации. Результаты работ отражены в 8 публикациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав основного текста, заключения и содержит 140 страниц машинописного текста, 26 рисунков, 11 таблиц, списка литературы из 97 наименований и 6 приложений.