Введение к работе
Актуальность проблемы. Особенности проведения буровых работ в ряде специфических природных и горно-геологических условий, постоянное увеличение глубин бурения, совершенствование существующих и разработка новых, более прогрессивных способов и технологий характеризуется все возрастающим влиянием тепловых и массообменных процессов на всех этапах сооружения, исследования и эксплуатации скважин. Важную роль эти процессы приобретают при бурении скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород, связанных с полным или частичным их оттаиванием-промерзанием и плавлением-твердением. Это прежде всего относится к бурению и опробованию скважин в многолетнемерзлых породах, с одновременным замораживанием слабосвязных и несвязных влажных и водонасыщенных грунтов и пород, плавлением в ледниках и горных породах.
Совершенствование технологических процессов бурения скважин в мерзлых породах, распространенных на 65% территории России, невозможно без нормализации температурного режима, обеспечивающего сохранность естественного агрегатного состояния влаги как в циркуляционной среде, так и в породах, а это требует разработки и совершенствования методов расчета и прогнозирования тепловых и гидродинамических процессов в бурящейся скважине, способов и средств их регулирования.
' Бурение скважин с одновременным замораживанием проходимых пород, напротив, предусматривает изменение в зоне забоя агрегатного состояния влага в горной породе и сохранение в дальнейшем на стенках скважины и керна ледопородного слоя, обеспечивающего в течение определенного промежутка времени устойчивость и сохранность незакрепленного трубами участка ствола скважины, а также керновой пробы. В этих условиях исследование тепломассопереноса в зоне забоя скважины и его влияния на основные технологические параметры бурения приобретает первостепенное значение.
В настоящее время в практику буровых работ все шире внедряются разнообразные высокоэффективные тепловые способы разрушения или разупрочнения горных пород, среди которых наиболее универсальным и перспективным является контактное плавление, позволяющее одновременно с разрушением забоя и удалением из зоны забоя расплава успешно решать задачу закрепления стенок скважины и керна за счет формирования при охлаждении и кристаллизации расплава прочной и непроницаемой остеклованной оболочки. По сравнению с традиционными способами бурение скважин плавлением характеризуется следующими основными преимуществами: одновременное с бурением крепление ствола скважины, возможность отказаться от тяжелой бурильной колонны и ее привода, резкое снижение энергетических, материальных и трудовых затрат за счет использования грузонесущего кабеля или шлангокабеля, возможность полной механизации и автоматизации процесса, повышение качественных показателей, высокая экологичность. Наиболее наглядным подтверждением этого являются результаты исследований и разработок теплового способа бурения скважин плавлением в ледниках и в ледниковых покровах, которые в настоящее время широко ведутся как за рубежом, так и в нашей стране.
Важным достоинством бурения скважин плавлением горных пород является возрастание его потенциальных возможностей с увеличением глубин бурения в условиях постоянного роста естественной температуры пород, т.е. там, где традиционные способы резко теряют свою эффективность. Это бурение сверхглубоких скважин, сооружение скважин для эксплуатации глубинного тепла Земли как альтернативного источника энергии и пр.
Вопросы теории, технологии и техники бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород исследовались и разрабатывались в трудах как отечественных, так и зарубежных ученых, среди которых следует выделить работы М.Я. Берковича, Э.А. Бондарева, Л.К. Горшкова, Г.С. Грязнова, И.П. Елманова, Б.И. Есьмана, И.А. Зотикова, Е.А. Козловского, Б.Б. Кудряшова, И.В. Куликова, B.C. Литвиненко, А.В. Марамзина, Р.И. Медведовского, Ю.М. Парийского, М.А. Пудовкина, А.Н. Са-ламатина, В.А. Чугунова, Г.А. Череменского, Р.А. Эйгелеса, N.
Fisher, B.L. Hansen, C.S. Holmes. M. Mellor, J.N. Rand, L.R. Raymond D.L. Sims, Y. Suzuki и др.
Вышесказанное позволяет считать совершенствование традиционных и разработку новых способов бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород весьма актуальной проблемой, практическое решение которой снижает затраты средств и времени, повышает качественные показатели бурения и опробования скважин в мерзлых породах, а в ряде случаев позволяет внедрить такие новые и эф<рективные способы проходки скважин, как бурение с одновременным замораживанием горных пород, бурение льда и горных пород плавлением.
Исследования, направленные на решение данной проблемы, были начаты автором почти 30 лет тому назад на касредре технологии и техники бурения скважин (ТТБС) Санкт-Петербургского (Ленинградского) государственного горного института (СПГГИ) и выполнялись на основе госбюджетных и хоздоговорных тем, а также договоров о творческом содружестве с производственными и научно-исследовательскими организациями. На заключительном этапе исследования продолжались на основе госбюджетной темы: "Разработка, совершенствование и внедрение скважинных методов и технических средств исследования вертикальной структуры, состава и динамики ледников и ледниковых покровов" (ОКП "Мировой океан", подпрограмма "Антарктика", проект "Ледник". Код темы по ГАСНТИ 09.03.01. № гос. регистрации 01860100297, 1991-1995 гг.) и по заказ-нарядам Госкомитета РСФСР по делам науки и высшей школы № 83 на 1989-1990 гг. и № 19 на 1991-1993 гг.
В соответствии с Протоколом о намерениях между Федеральной службой России по гидрометеорологии и мониторингу природной среды, Лабораторией гляциологии и геофизики окружающей среды (Франция) и Отделом полярных программ Национального научного 4х>нда США работы по совершенствованию технологии и техники бурения ледникового покрова Антарктиды, проводимые в СПГГИ, включены в Российскою - франко -американский проект по изучению ледяных кернов со ст. Восток.
Основная идея работы - совершенствование и разработка, новых технологий и технических средств бурения скважин в
условиях изменения агрегатного состояния горных пород на основе математического моделирования и экспериментального исследования процессов тешюмассопереноса в системе скважина - горные породы.
Цель исследований - разработка научных основ, методических положений, э^нрективньгх технологий и технических средств бурения и опробования скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород.
Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
построить и исследовать, основываясь на общігх уравнениях переноса в материальных средах, математическую модель процессов тепломассопереноса в системе скважина - горные породы, учитывающую возможность фазовых (агрегатных) переходов как в скважине, так и в окружающих ее горных породах;
обосновать для решения конкретных задач тепломассопереноса, возникающих при бурении скважин в мерзлых породах, с одновременным замораживанием или плавлением горных пород, возможные упрощения исходной математической модели, найти их приближенные решения в аналитическом виде или численными методами с помощью ЭВМ;
теоретически и экспериментально обосновать мероприятия по совершенствованию технологии и технических средств бурения разведочных скважин в мерзлых породах;
изучить закономерности и разработать технологию и технические средства бурения и опробования скважин с одновременным замораживанием проходимых пород;
теоретически и экспериментально обосновать и разработать технологию и технику теплового способа бурения плавлением скважин в снежно-фирновых и ледяных толщах;
- изучить вопросы обеспечения длительной устойчивости
ствола скважины, пробуренной в ледяном массиве, обосновать вы
бор эффективной низкотемпературной заливочной жидкости и
разработать технологию и технику бурения глубоких скважин в
ледяных толщах колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле;
- теоретически обосновать основные методические положе
ния и перспективные направления разработки новых эо^хректив-
ных техщлогий и технических средств бурения горных пород плавлением.
Методика исследований. Для решения поставленных задач был выбран комплексный метод исследований, сочетающий в себе элементы математического и расчетного анализа с экспериментами в лабораторных и полевых условиях. Общая методическая схема выполнения исследований выглядит следующим образом:
обзор, критический анализ и обобщение материалов научных исследований и производственных данных по проблеме; решение вопросов, связанных с постановкой конкретных задач и определением эффективных направлений их исследования;
математическое моделирование процессов тепломассопе-реноса с фазовыми переходами в системе скважина - горные породы, исследование, упрощение и реализация моделей на основе методов теории подобия и анализа размерностей, полуэмпирических обобщений опытных данных, численных методов и математического эксперимента с применением ЭВМ;
создание экспериментальной базы и обоснование методики проведения исследований на основе теории планирования эксперимента и статистической обработки результатов;
экспериментальные исследования процессов тепломассо-переноса при бурении скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород, испытания разрабатываемых технических средств и технологий в лабораторных и полевых условиях;
опытно- произвдственные исследования по совершенствованию разрабатываемых технологий и технических средств с целью оценки ігх эффективности и внедрения в практику бурения скважин с отбором керна в многолетнемерзлых породах, с одновременным замораяшванием в слабосвязных и несвязных влажных породах, в снежно-фирновых и ледяных толщах колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле.
Научная новизна результатов состоит:
- в теоретическом и экспериментальном обосновании мате
матических моделей тепломассопереноса при бурении в условиях
изменения агрегатного состояния горных пород и разработке мето
дов приближенного решения и анализа задачи о температурном
режиме в системе скважина - горные породы с учетом этих изменений;
в установлении на основании выполненных теоретических и экспериментальных исследований связи между основными природными, конструктивными и технологическими параметрами, определяющими эффективность бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния проходимых пород (в многолетнемерз-лых породах, с одновременным замораживанием или плавлением пород забоя);
в обосновании с помощью сформулированного для процесса бурения контактным плавлением коэффициента полезного действия существования оптимальной формы рабочей поверхности нагревателя, в частности, параболической для устройств с изотермической поверхностью.
Практическая ценность и реализация работы.
Результаты исследований позволили обосновать, разработать и внедрить новые методики, технологии и технические средства бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород.
Разработаны и внедрены методики и программы расчетов на ЭВМ:
температурного режима скважин при бурении в мерзлых породах;
основных технологических параметров процесса бурения скважин с одновременным замораживанием проходимых пород;
технологических и конструктивных параметров при проектировании теплового способа бурения скважин плавлением во льдах и в горных породах;
режима плавления вокруг скважины, пройденной в ледяной толще, каверны с заданными параметрами для отбора проб жидкости или газа;
процесса формирования на стенках скважины из расплава породы прочной и непроницаемой остеклованной оболочки.
Разработаны и внедрены в практику буровых работ следующие технологии:
- бурение разведочных скважин с продувкой охлажденным
и осушенным сжатым воздухом в многолетнемерзлых породах;
бурение с одновременным замораживанием горных пород;
тепловое бурение плавлением "сухих" скважин с полным отбором керна в снежно-фирновых и ледяных толщах термоэлек-тробуровыми снарядами на грузонесущем кабеле типа ТЭЛГА-14М;
бурение плавлением глубоких, залитых незамерзающей жидкостью скважин в низкотемпературных ледниковых толщах колонковыми термобуровыми снарядами на грузонесущем кабеле;
отбор из скважины, пробуренной в ледниковой толще, газовой пробы на изотопный углеродный анализ для определения абсолютного возраста ледниковых горизонтов.
Усовершенствованы существующие и разработаны новые технические средства:
системы эффективного охлаждения и осушки сжатого воздуха для бурения с продувкой в мерзлых породах;
система охлаждения жидкой циркуляционной среды для бурения скважин с одновременным замораживанием горных пород;
термоэлектробуровой колонковый снаряд на грузонесущем кабеле ТЭЛГА-14М, комплекс поверхностного оборудования и аппаратуры для бурения с полным отбором керна "сухих" скважин в низкотемпературных снежно-фирновых и ледяных толщах;
термоэлектробуровые колонковые снаряды на грузонесущем кабеле ТБЗС-152М, ТБЗС-152-2М, ТБЗС-132 и др. для бурения с полным отбором керна залитых специальными незамерзающими жидкостями глубоких скважин в ледниковых толщах;
комплекс поверхностных сооружений, оборудования, аппаратуры и приборов для бурения, опробования и исследования глубоких скважин в ледниковых покровах;
- скважинный газовый пробоотборник СГПУ для отбора
углекислого газа из воздушных включений ледниковой толщи на
изотопный анализ углерода.
Разработана методика расчетов деформации ствола глубокой скважины, пробуренной в ледяной толще, обоснованы требования для выбора незамерзающей заливочной жидкости с целью компенсации в скважине горного давления гидростатическим и оп-
ределены рецептуры таких жидкостей для бурения глубоких скважин в центральных районах Восточной Антарктиды.
Большинство из вышеперечисленных разработок выполнено на уровне изобретений, часть из них в качестве экспонатов демонстрировалась на нескольких отечественных и зарубежных выставках, где получила высокие оценки (медали, дипломы, грамоты).
Результаты исследований внедрялись в производство непосредственно при участии автора на объектах изысканий, проводимых подразделениями ГПИ Дальстройпроект; в геологоразведочных партиях и экспедициях ПГО Севвостокгеология, ПГО Сев-запгеология, ПГО Приленскгеология; в ея«егодных, начиная с 1972 г., Советских (с 1992г. Российских) антарктических экспедициях при реализации проекта бурения глубокой скважины на ст. Восток в Антарктиде; в высокоширотных экспедициях А-162 при экспериментальном бурении скважин на леднике Вавилова (о-в Октябрьской Революции, арх. Северная Земля).
К настоящему времени только в Арктике и Антарктиде пройдено тепловым способом с полным отбором керна более 16 тыс. метров скважин, в том числе в 1972 г на ст. Восток самая глубокая в мире "сухая" скважина 1-2бис - 952,5 м, в 1993 г там же скв. 5Г-1 достигла рекордной для Антарктиды глубины -2755 м. Это самая глубокая в мире скважина, пробуренная тепловым способом.
Полученные результаты используются в настоящее время при разработке технологии и технических средств бурения горных пород плавлением в научно-исследовательской лаборатории новых методов бурения и исследования скважин (НИЛ НМБИС) кафедры ТТБС СПГГИ, а также в учебном процессе при чтении курсов лекций, выполнении практических и курсовых работ по дисциплинам "Математические методы в бурении", "Технология и техника бурения скважин", и специальному курсу "Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при бурении скважин".
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных семинарах кафедры ТТБС, НТС лаборато-
рни горной теплофизики и НТС геологоразведочного факультета института (1967 - 1994 гг.), на 5-ом региональном совещании по инженерной геологии на тему: "Вопросы инженерной геологии при проектировании, строительстве и эксплуатации подземных сооружений, шахт и карьеров" (Ленинград, 1969 г), на научно-технической конференции "Проблемы разработки полезных ископаемых Севера" (Ленинград, 1970 г), на семинаре во Всесоюзном научно-исследовательском институте по креплению скважин и буровым растворам "Теплопередача в стволе бурящейся скважины" (Краснодар, 1973 г), на 1-ой и 2-ой Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1973, 1981 гг.), на 3-ей Международной консреренции по мерзлотоведению (Эдмонт, Канада, 1978 г), на Республиканской научно-технической конференции "Механика сплошных сред" (Набережные Челны, 1982 г), на 3-ем Международном симпозиуме Научного комитета по антарктическим исследованиям - SCAR (Ленинград, 1982 г), на 2-ом и 4-ом Международных семинарах по технологии бурения во льдах (Калгари, Канада, 1982 г; Токио, Япония, 1993 г), на Всесоюзном совещании "Геокриологический прогноз при строительном освоении территорий" (Москва, 1985 г), на 8-ом Всесоюзном гляциологическом симпозиуме "Льды и климат: реконструкция и прогноз" (Таллинн, 1984 г), на 8-ой Всесоюзной конкуренции вузов СССР с участием научно-исследовательских институтов "Комплексные исследования физических свойств горных пород и процессов" (Москва, 1984 г), на 4-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Разрушение горных пород при бурении скважин" (Уфа, 1986 г), на 6-ом Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Ташкент, 1986 г), на 1-ом, 2-ом и 3-ем Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (Ленинград, Санкт-Петербург, 1989, 1992, 1995 гг.), на научно-технической конференции "Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях" (Донецк, 1991 г), на 2-ом Международном симпозиуме по горному делу в Арктике (Санкт-Петербург, 1994 г), на Международной конференции "Общепланетарные проблемы исследования Земли" (Казань, 1994 г).
Публикациц. Основное содержание диссертационной работы
опубликовано в 2 монографиях, 2 брошюрах и 48 статьях, по теме диссертации издано 3 учебных пособия и получено 15 авторских свидетельств н'а изобретения.
Структура и объем диссертационной работы. Дис
сертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов
и рекомендаций, списка использованной литературы из 380 на
именований. Содержание диссертации изложено на страницах
машинописного текста, сопровождается 63 рисунками и 33 таблица
ми.
