Введение к работе
Актуальность, проблемы
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 19Э6-1990 года и на период до 2000 года предусматривается дальнейшее увеличение добычи нефти и газового конденсата.
В 1990 году добыча нефти будет доведена до 625-640 млн.т , а добыча газа до 835-850 млрд.м3.
Изходя из объемов добычи нефти и газа предусматривается ускорить геологоразведочные работы на территории Западной и Восточной Сибири, в Прикаспийской низменности, на Европейском Севере СССР, в Средней Азии, на Дальнем Востоке и на континентальных шельфах
Повышение темпов развития нефтяной, газовой и горнорудной промышленности повлечет за собой значительное увеличение объемов буровых и геологоразведочных работ с цель» расширения минерально-сырьевой базы страны. Возросшие объемы бурения потребует улучшения технико-экономических показателей буровых работ за счет совершенствования их технологии и технического оснащения.
Наряду с этим, программой, принятой ХХУП съездом КПСС,предусматривается улучшение использования природных ресурсов, сырья, материалов, топлива и энергии на всех стадиях - от добычи и комплексной переработки сырья до выпуска конечной продукции.
Последние десятилетия развития нефтяной, газовой, горнодобывающей промышленности характеризуется значительным увеличением капитальных вложений, которые, например, в нефтяной промышленности составляет в ІІ-Й пятилетке 55,6 млрд .руб., в том числе в бурении 24,9 млрд.руб. Тенденция удорожания в нефтяной промышлен -ности в бурении сохранится и на отдаленную перспективу.
В связи с этим очень важным является изыскание путей снижения стоимости бурения за счет использования местных ресурсов. Известно, что одним из сложных вопросов обеспечения в отдаленных регионах, особенно в разведочном бурении, является доставка дорогостоящих материалов, технических средств для приготовления и использования буровых растворов и утяжелителей.
Поэтому замена дорогостоящих привозных компонентов буровых растворов и утяжелителей на растворы и утяжелители, получаемые из комплекса неглинистых, особенно из выбуренных, пород дает ощутимый результат и приводит к снижение стоимости буровых работ.
В этой связи одним из направлений дальнейшего повышения тех-
нико-эковомичеслх показателей бурения является совершенствование суяествуших создание новых более эффективных видов буровых растворов и утяжелителей.
Разработанные к настоящему времени модификации буровых растворов, поверхностно-активных вешеств и утяжелящих материалов, технические и технологические средства не решают коренным образом проблем повышения техняко-еконоыических показателей бурения, особенно в сложных горно-геологических условиях и географически отдаленных регионах страны.
По-прежнему остается высокая стоимость бурения, низкие скорости проходки, осложнения всякого рода, снижается продуктивность скважин в результате кольыатации поровых каналов пласта, наблюдается острый дефицит утяжелителей - барита, гематита, магнетита.
Учитывая изложенное, с точки зрения автора, одним из направлений по совершенствованию технологии бурения я повышению технико-экономических показателей проводки скважин является применение буровых растворов и утяжелителей, получаемых в основном из комплекса неглинистых пород, как естественно образующихся в процессе бурения, так и специально приготовленных.
Актуальность этого направления, как показали экспериментальные и опытно-промышленные работы, очевидна, а обобщение и научная разработка решают одну из проблем в области технологии бурения, имеющую важное народнохозяйственное значение.
Программа исследований и решение отдельных вопросов по теме диссертации предусматривалась планами НГ, ОЫПНГ, ОКР ряда ПГО мингео РСФСР на X, XI, ХП пятилетки и целевой программой ( 86. 530814.88.91) миннефтепрома СССР на период I986-I99I гг., связанной с совершенствованием техники и технологии бурения.
Цель работы. Снижение себестоимости глубокого разведочного бурения путем разработки и внедрения усовершенствованной системы экономичных буровых растворов и утяжелителей из комплекса, в первую очередь, неглинистых пород с теоретическим обоснованием,опробованием я практическими рекомендациями их применения в различных регионах страны при бурении скважин и шахтных стволов. В соответствии с главной целью и системным подходом к исследованию ряда задач, диссертационная работа носит комплексный характер.
С^новные..задачи.,рабрты
I. Научно обосновать технологические преимущества и экономическую целесообразность широкого применения буровых растворов и
утяжелителей из комплекса выбуренных неглинистнх пород при бурении скважин различного назначения (нефтяных, газовых, геологоразведочных) и шахтных стволов, а также разработать и реализовать методы управления их свойствами.
-
Обосновать и разработать принципиальные положения по методике выбора и применения поверхностно-активных веществ и активных добавок для стабилизации и регулирования ряда свойств буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород применительно к неминерализованным и минерализованным средам.
-
Разработать методические положения и практические рекомендации по кинетике перехода нестабильной дисперсной фазы неглинистых пород в стабильную регулируемую систему и на основе рекомендаций провести разносторонние исследования применительно к различным регионам для создания технологичных буровых растворов, в том числе и повышенной плотности с применением дополнительного диспергирования.
-
Обосновать принципы создания утяжелителей из комплекса
неглинистых пород и разработать технические условия на способы их получения для частичной замены отечественных железистых утяжелителей, представляших собой остродефицитное сырье металлурги -ческой и химической промышленности.
-
Изучить и обосновать принципиальную возможность избирательно управлять составом и свойствами буровых растворов различной плотности и литологической разности залегания горных пород, применяя для этих целей математические, термодинамические и физико-химические методы, основанные на изучении электрокинетических, адсорбционных и др. свойств дисперсных систем.
-
Выявить и изучить влияние комплекса технологических параметров буровых растворов, в том числе и утяжеленных, на условия
работы оборудования и инструмента с использованием ЭВМ для постановки и решения оптимизационных задач.
7. Разработать и внедрить эффективную технологии и вкономяч-
ные составы буровых растворов и утяжелителей из комплекса негли-
нисгых пород для бурения скважин и шахтных стволов в различных
регионах страны.
методы исследований. В качестве основополагающих методов были использованы теоретический, экспериментальный, с использованием и применением численных и оптимизационных расчетов на ЭВИ, стендовый, опытно-промышленный.
I Научная; новизна. В результате выполненных исследований выявлен комплекс методических и технологических закономерностей, обуславливахцих принципы избирательного регулирования буровых растворов из неглинистых систем и создание утяжеляющих материалов на их основе с целью повышения эффективности буровых работ.
- Предложены научные основы и методические рекомендации по
совершенствованию и облегчению стабилизации грубых дисперсных си
стем из выбуренных неглинистых отложений я таким образом обосно
ван метод создания и регулирования новых видов буровых растворов
и утяжелителей.
~ Выявлены рациональные условия агрегативной и седиментацион-ной устойчивости дисперсной фазы неглинистых систем с помощью физико-химических методов регулирования и установлены области устойчивого их состояния применительно к различным горно-герлоги -ческим условиям проводки скважин и шахтных стволов в горнорудной промышленности.
Впервые обоснована теория избирательного регулирования состава и свойств буровых растворов и утяжелителей из негдинистых пород, основанная на системном подходе к исследованиям бурового процесса. Такой подход позволил изучить оригинальные свойства дисперсной фазы комплекса неглинистых пород во взаимодействии с разбуриваемыми породами и математически обосновать влияние реологических свойств этих пород на устойчивое состояние стенок ствола скважин и таким образом сформулировать технологическую программу проводки скважин.
Впервые обоснована теория создания и разработаны "ТУ" и ТЗ" на утяжелители из комплекса карбонатных пород с утяжеляющей способностью до 1,8 г/см3. Предложена и оценена положительная технологическая особенность их утяжеляющей способности в различных системах буровых растворов в температурных и агрессивных средах,доказана эффективность частичной замены дефицитных утяжелителей -барита, гематита и др.
Обоснованы методы оптимизации режимных параметров бурового процесса с применением ЭВМ (с учетом технологических свойств буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород), рекомендации которых позволяют значительно снизить воздействие динамических нагрузок на буровое оборудование, учесть рациональную его компоновку и в целом повысить эффективность буровых работ.
Основные защищаемые положения:
-
Научный комплекс исследований по созданию и широкому внедрении рациональных и экономичных систем буровых растворов на основе неглинистых пород при бурении скважин различного назначения (нефтяных, газовых, геологоразведочных), а также шахтных стволов в горнорудной промышленности.
-
Научные основы и методические рекомендации по совершенствованию регулирования состава и свойств дисперсной фазы неглинистых систем с помощью физико-химических и др. методов в области их устойчивого состояния, применительно к различным горно-геологическим условиям проводки скважин и шахтных стволов.
-
Теоретические основы и практические рекомендации по избирательному регулированию состава и свойств буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород.
-
Основы теории создания утяжелителей из комплекса неглинистых пород; научно-методические рекомендации по внедрению с учетом их утяжеляющей способности в различных системах буровых растворов, температурных условиях и агрессивных средах.
-
Основы системного анализа по оптимизации условий работы бурового оборудования и инструмента в различных геологических условиях, в зависимости от технологических свойств буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород.
Додтозернодть A.SS4H^jjKjgaj!B.TORa
Изложенные в диссертации научные положения и выводы являются результатом многолетних научных исследований, выполненных им лично или под его научным руководством. Достоверность полученных результатов подтверждается актами (справками) о внедрении, монографиями и другими печатными работами, методическими рекомендациями, выданными производственным объединениям иингео и Минвефте-прома СССР, а также ТУ 39-1339-88 и ТЗ на серийное производство, соответствующими мировому технико-экономическому уровню.
^SssmasseSjessiSesssssjisssssssmA. л ..чвмхаухт^тзтчхь
работы.. Основные положения и методические разработки автора диссертации используются в ВУЗе при чтении лекций, проведении лабораторных работ, в курсовом и дипломном проектировании.
Полученные результаты комплексных исследований являются теоретической основой для последующего расширения в углубления работ в направлении дальнейшего использования буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород в промышленных условиях.
Ряд модификаций и методических рекомендаций по избирательному регулированию состава и свойств предлагаемых буровых растворов и утяжелителей внедрены и апробированы в процессе проводки скважин применительно к различным регионам страны (ПГО "Полярноурал-геология Печорский регион, Ульяновская область УНГРЭ ПГО "Волго-камскгеология", Харьковская область, Куйбышевская область, Коми АССР, ВНГРЭ ПГО "Ухтанефтегаагеология", ПГО "Черниговнефтегаэраз-ведка", ПГО Белоруснефть, "Ноябрьскнефтегаз" и др.). Экономический эффект по комплексу работ составил более 400 тыс.руб.
Буровые растворы из неглинистых пород нашли широкое применение в горнорудной промышленности при бурении шахтных стволов и скважин на месторождениях Западного Донбасса, Яховлевском месторождении КМА, Карагандинском и Донецком угольных бассейнах.
Годовой экономический эффект только при сооружении главного ствола шахты 27/35-5 Зап.-Донбасская составил 217,6 тыс.руб.
Успешное внедрение этих растворов и утяжелителей согласно целевой комплексной программе на I989-I99I гг. в объеме 100 тыс.т по ряду ПГО Мингео СССР и производственных объединений Миннефте-прома СССР позволит получить ожидаемый экономический эффект более 6 млн.руб.
Технико-экономическая эффективность полученных от внедрения разработок в различных регионах страны при бурении скважин и шахтных стволов обусловлена повышением скорости бурения на 25-30/6, сокращением материальных и трудовых затрат, экономией минеральных и сырьевых ресурсов металлургической и химической промышленности (барита, гематита, магнетита, бентонита и др.), качественным вскрытием и освоением продуктивных горизонтов.
Публикации и_адррбавдд .работы. По теме диссертации опубликовано 26 научных работ, в том числе 3 монографии. Для специальностей 0205 и 0508 выпущено 10 методических материалов. Отдельные положения диссертации изложены в 18-ти научно-исследовательских отчетах по различным договорам с производственными и научными организациями, по 15-ти из которых соискатель являлся руководителем работ (тем). Основные результаты и положения работы докладывались на Всесоюзном семинаре по обобщению опыта применения естественных растворов (г.Альметьевск, 1965), на научной конференции по проблемам нефти и газа (Москва, НИНХиГП), 1967), на ХУ, ХУЛ, XIX, XX Научно-технических конференциях (Москва, ЮПИ, 1971, 1973, 1975, 1976 гг.), на ІУ Республиканской конференции по физико-хинии и
технологии получения и применения промывочных жидкостей (Ивано-Франковск, 1977), на XXI-XXIX научно-технических конференциях (Москва, ВЗПИ, 1977-1968 гг.), в Госплане СССР, Микгео СССР, Мин-нефтепроме и Мингаэпроме СССР, на научно-технических советах производственных организаций, секциях и семинарах учебных заведений.
Работа выполнялась во Всесоюзном научно-исследовательском институте организации управления и экономики нефтегазовой промышленности (ВНИИОЭНГ) и на кафедрах: Разработки нефтяных и газовых месторождений; Машин, оборудования промыслов нефтегазопроводов и нефтебаз горно-нефтяного факультета Всесоюзного ордена Трудового Красного Знамени заочного политехнического института (ВЗПИ).
Автор выражает глубокую признательность д.т.н., профессору С.Н.Ятрову за научную помоаь, оказанную им в процессе работы над диссертацией.
Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность засл.геологу РСФСР, д.т.н., проф.Воздвиженскому В.И., засл.изобр. РСФСР, д.т.н., проф.Городкову В.Д., эав.каф. ЫГРИ, д.т.н., проф.Калинину А.Г., д.т.н., проф.Башкатову Д.Н., д.т.н., проф.Крылову В.И., к.т.н., с.н.с.Шевалдину И.Е., к.т.н., доц. Соловьеву Н.В. за оказанную ими помощь при рецензировании и обсуждении результатов работы.
Автор благодарит руководство деканата горно-нефтяного факультета, кафедру ЫОПНН, членов кафедр РМПИ, ИЛИ, ГИГ, ОПИ, а также производственные организации, НИИ за оказанную помодь и критические замечания, сделанные при выполнении лабораторных, методических, экспериментальных и опытно-промышленных работ.
0&М. и. S.TRyKiypa 88522328Ж
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и приложений, общим объемом 498 страниц машинописного текста, содержит 83 рисунка и 105 таблиц. Список использованной литературы включает 226 наименований.
Во введении определена роль и направленность работы, показана актуальность исследованных вопросов и обосновываются задаче и методы исследования, научная новизна, а также защищаемые положения, практическая значимость и реализация полученных результатов.
В первой главе приводятся теоретические обоснования к комплексным исследованиям по дальнейшему совершенствованию состава и свойств буровых растворов из неглинистых пород для бурения скважин и шахтных стволов, а также рассмотрены принципы регулирования их свойств.
Во второй главе рассматривается теория и практика избирательного регулирования состава и свойств буровых растворов. Показано, что методы избирательного регулирования с помощью электрокинетических явлений позволяет установить закономерную связь между дисперсионной средой и дисперсной фазой, выявить количественный и фракционный состав фаз с целью получения оптимальных структурно-механических и реологических свойств буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород.
В третьей главе изложены теоретические основы создания и опытно-промышленного применения утяжелителей из неглинистых пород. Освещается принципиальные положения исходных данных для выбора утяжеляющих материалов. Обоснованы технологические схемы получения утяжелителей из комплекса неглинистых пород и их экономическая целесообразность широкого использования при бурении скважин различного назначения.
Четвертая глава посвящена исследованию влияния комплекса технологических факторов бурового процесса на условия работы оборудования с постановкой задач на ЭВМ с целью оптимизации.
В пятой главе освещаются результаты экспериментальных и опытно-промышленных работ при бурении скважин и шахтных стволов с применением буровых растворов и утяжелителей из комплекса неглинис -тых пород.
Шестая глава посвящена экономической целесообразности и практическому использованию результатов работы. В предлагаемой главе изложена суть экономической целесообразности применения буровых растворов и утяжелителей из неглинистых пород на ряде буровых предприятий нингео, Миннефгепрома и Мингазпрома СССР. Приво -дятся технологические и экономические преимущества этих видов буровых растворов и утяжелителей при проводке скважин и шахтных стволов.
В заключении приведены рекомендации по дальнейшей разработке этой проблемы и основные выводы по диссертационной работе.
