Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Направленное бурение является высшим проявлением ресурсосберегающего подхода при разведке месторождений полезных ископаемых, поскольку оно позволяет избежать перебуривания скважин, отклоняющихся от проектных траекторий II не выполняющих при этом геологическое задание, позволяет решать поставленные задачи с наименьшими затратами средств и времени, а в ряде случаев осуществлять такие схемы разведки, которые без использования методов и средств направленного бурения реализовать просто невозможно.
До настоящего времени направленным бурением можно было заниматься, а можно было и не заниматься, поскольку в геологоразведке действовал затратный механизм, и итоги работы, а следовательно, и их оплата, зависели от количества набуренных метров. Поскольку бурение скважин с использованием средств корректировки траекторий требовало больших затрат, чем бурение таких же скважин по естественным траекториям, а снижение объемов бурения не стимулировалось, то у геологоразведочных организаций не было прямой необходимости использовать все возможности этого перспективного и далеко не исчерпавшего свои возможности метода.
Очевидно, что в условиях рыночной экономики старые механизмы не смогут действовать и в геологоразведке. Отрасль, даже если она сохранится в виде существующих структур, вынуждена будет перейти на контрактную систему разведки месторождений, исключающую возможность оценки результатов работы по количеству пробуренных метров, что еще более повысит актуальность проблемы направленного бурения.
Особые сложности вызывает искривление скважин в анизотропных породах, характеризующееся высокой интен-
сивностью, и зачастую, на первый взгляд, совершенно бессистемное.
Например, по данным Апанасенко, в районе работ Комсомольской ГРЭ при использовании ССК-59 и КССК.-76 средняя интенсивность искривления скважин составляет 0,01—0,02 /м, но по отдельным типам пород, к которым относится переслаивание песчаников с алевролитами, она достигает 0,10—0,19 /м, то есть повышается в 10 и более раз.
На Тенкергинском месторождении, сложенном контактово - метаморсризованнымн песчано - глинистыми породами, по данным Рачкина С. М., отмечается интенсивность искривления скважин по азимуту 0,11 /м, что совершенно недопустимо.
Для ликвидации последствии внепроектного отклонения скважин в анизотропных породах в отдельных экспедициях осуществляется до 700—800 циклов искусственного искривления в год, что приводит к большим затратам средств и времени непроизводительного характера.
Существующие в настоящее время представления о строении анизотропных пород, о закономерностях изменения их свойств, о процессах, происходящих при взаимодействии породоразрушающего инструмента с горной породой и приводящих к отклонению скважин, зачастую противоречивы и затрудняют поиск наиболее логичных путей управления искривлением скважин. Традиционные технические средства направленного бурения, применяемые в настоящее время для стабилизации и корректировки траекторий скважин в анизотропных породах, не дают требуемого эффекта, поскольку методологические принципы, на которых базируются эти средства, в определенной степени исчерпали свои возможности, что тормозит развитие научно-технического прогресса в отрасли.
Таким образом, разработка теории и создание целостной системы средств и методов управления траекториями скважин в анизотропных породах представляет собой весьма актуальную для геологоразведочных работ проблему, а ее практическое решение обеспечивает проведение скважин по проектным траекториям с наименьшими затратами средств и времени, а в ряде случаев позволяет осуществить бурение в таких условиях, где применение традиционных средств направленного бурения не позволяет решить поставленную задачу.
Настоящая работа, направленная на решение данной проблемы, проводилась в Томском ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехническом институте имени С. М. Кирова на кафедре техники разведки месторождений полезных ископаемых по пятилетним планам НИОКР Мпнгео СССР по проблемам XII—!—1
115 задание 6, XII ^ 1_ 119 задание 7 отраслевой компле-
002 ксной целевой программы «Принципиально новые технические средства и методы бурения направленных и многоствольных скважин, включая инклннометрическую, ориентирующую и другую аппаратуру», а тажжс по заданиям ПГО «Зансибгеология» и «Востказгеологпя» (№№ гос. регистрации 73029848; 76069242; 0183.0018705; 0186.0065420 и др.), по которым автор являлся сначала ответственным исполнителем, а затем научным руководителем научно-исследовательских и опытно-конструкторских тем.
ИДЕЯ РАБОТЫ — разработка основных вопросов теории процесса искривления скважин в анизотропных породах позволяет создать систему средств и способов управления искривлением скважин.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ — разработка теории и создание целостной системы средств и методов управления траекториями скважин для повышения эффективности направленного бурения в анизотропных породах.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие основные задачи:
исследование анизотропии горных пород как объекта приложения технологических процессов; характера взаимосвязей элементов анизотропных пород, показателей, характера изменения свойств;
экспериментальное исследование процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах;
теоретическое обоснование процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах;
разработка нетрадиционных средств и способов для управления искривлением скважин в анизотропных породах;
разработка традиционных средств направленного бурения скважин в той части, в которой это необходимо и воз-
можно для повышения его эффоктивности в анизотропных породах.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИИ. При подготовке программы научных исследовании использован метод «от частного к общему, а затем снова к частному на более высоком уровне». Общая методическая схема выполнения научно-производственных исследовании выглядит следующим образом:
обзор и анализ материалов научных и производственных исследований по проблеме;
решение вопросов, связанных с выбором цели, постановкой задач исследований и определением путей их решения;
создание экспериментальной базы для исследований, подбор коллекций анизотропных пород, породоразрушающе-го инструмента;
экспериментальные исследования процесса искривления скважин в анизотропных породах;
статистическая обработка результатов экспериментальных исследований на ЭВМ;
теоретические исследования вопросов искривления скважин в анизотропных породах;
разработка технических средств и методов управления процессом искривления скважин в анизотропных породах на основании знаний, полученных в результате экспериментальных и теоретических исследований;
— экспериментальная проверка технических средств и методов управления процессом искривления скважин в анизотропных породах, совершенствование и уточнение конструкции технических средств направленного бурения и технологии их применения;
— опытно-производственные исследования и проверка
работоспособности методов, технических средств и техноло
гии направленного бурения на плановых скважинах в раз
личных геологотехничсоких условиях, определение их рабо
тоспособности, точности и экономической эффективности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в том, что в итоге проведенных теоретических, экспериментальных и производственных исследований разработана теория и создана целостная система средств и методов управления траекториями скважин при алмазном бурении в анизотропных породах.
Это стало возможным вследствие того, что были решены следующие научные вопросы.
Исследована анизотропия пород, доказан приоритет показателя анизотропии по буримости применительно к кругу решаемых вопросов, исследован характер изменчивости показателен анизотропии пород по буримости и по твердости при различных углах встречи плоскости сланцеватости породы, определены адекватные уравнения для его описания, в широком диапазоне изучены закономерности изменения показателя анизотропии по буримости при различных параметрах режима бурения.
Создан уникальный электромеханический стенд, с помощью которого проведены исследования процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах, позволившие в чистом виде выделить поперечную отклоняющую силу, приводящую к искривлению скважин, разложить эту силу на составляющие, обуславливающие зенитное и азимутальное искривление, выявить закономерности изменения направления и величины этих сил при различных параметрах режима бурения, а также получить результаты, позволяющие предположить возможности управления естественным искривлением скважин за счет использования промывочных жидкостей с различной смазочной способностью.
Сформулированы и экспериментально подтверждены основные аспекты теории процесса естественного искривления скважин в анизотропных породах, показана природа и приоритет силовой теории естественного искривления скважин в анизотропных породах, в свете которой представлены причины зенитного и азимутального искривления скважин, объясняющие ранее спорные вопросы искривления скважин, в частности, интенсивное искривление скважин при бурении снарядами со съемными керноприемниками, которое связано с тем, что отклоняющая сила формируется на контакте каждого резца с горной породой и пропорциональна площади торца алмазной коронки.
Получены теоретические и экспериментальные результаты, позволяющие количественно оценить процесс трения алмазного породоразрушающего инструмента о горную породу, наличие которых сделало возможным создать методику расчета специального породоразрушающего инструмента для стабилизации скважин.
Проведенные научные исследования позволили разработать комплекс технических средств и методов направленного бурения нетрадиционного характера, предназначенных для стабилизации траекторий и регулирования темпа естественного искривления скважин.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ диссертации заключается в том, что на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны нетрадиционные средства, позволяющие управлять процессом естественного искривления скважин в анизотропных породах, а также разработаны технические средства из группы традиционных, в той части, в которой это необходимо для повышения эффективности направленного бурения скважин в анизотропных породах.
Для стабилизации траекторий скважин разработаны базированные алмазные коронки, позволяющие снижать интенсивность естественного искривления в среднем в 2—3 раза, а также создана шарнирная компоновка, позволяющая решать эту задачу.
Для управления естественным искривлением скважин разработаны балансированные алмазные коронки, позволяющие изменять интенсивность искривления на 20—50%, а в ряде случаев — направление азимутального искривления на противоположное.
Для установки отклонителеіі в наклонных скважинах в заданном направлении разработан дебалансный гидравлический ориентатор, обеспечивающий точность ориентации на уровне 0,95—0,98 при затратах времени 2—5 минут на эту операцию.
Разработаны методики расчета темпа пространственного искривления скважин для снаряда, работающего в режиме фиксированного перекоса и в стесненных условиях, позволяющие решать ряд вопросов по проектированию траектории скважин н управлению их естественным искривлением.
Разработана технология управления процессом естественного искривления скважин в анизотропных породах путем изменения параметров режима бурения.
Все разработанные технические средства направленного бурения выполнены на уровне изобретений и защищены авторскими свидетельствами.
ОБОСИОВАННОСЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, методов исследований, выводов и рекомендаций обусловлена результатами теоретических, экспериментальных и производственных исследований, выполненных в лабораторных условиях и в производственных организациях по разработанным автором методикам с использованием совершенной регистрирующей, контрольно-измерительной аппаратуры и электронно-вычислительной техники.
Объемы экспериментальных исследований определялись исходя из выборочных коэффициентов вариации таким образом, чтобы надежность результатов находилась на уровне 0,95—0,99.
Все вычислительные работы выполнены на ЭВМ ЕС-1033 и ЕС-1060 по программа, разработанным автором диссертации.
Обоснованность теоретических положений, изложенных в диссертации, подтверждается высокой сходимостью предполагаемых и полученных в результате экспериментальных и производственных работ данных.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИИ. Разработанные технические средства управления искривлением скважин изготовлены малыми сериями в цехе рекуперации алмазов Монгольской ГРЭ ПГО «Сосновгеология», на ЭЗТАБе ВПО «Союзгеотехника», в Тульском филиале ЦНИГРИ, а также в ЦРММ ПГО «Запсибгеология» и экспериментальных производственных мастерских Томского политехнического института.
Комплект технических средств для направленного бурения скважин опробован и применяется в Рудно-Алтайской и Шалымской ГРЭ ПГО «Запсибгеология», в Зыряповской ГРЭ ПГО «Востказгеология», в ГРП-47 и ГРЭ-41 ПГО «Стспгсология», в Монгольской ГРЭ ПГО «Сосновгеология».
Методическое руководство по направленному бурению геологоразведочных скважин, выполненное в соавторстве с Сулакшиным С. С, Рязановым В. И. и утвержденное Мингео РСФСР, в котором изложены вопросы проектирования скважин и решения других задач средствами направленного бурения, широко внедрено в отрасли.
ЛИЧНЫЙ НАУЧНЫЙ ВКЛАД автора в получении результатов заключается в том, что им выработаны практически все научные и технические идеи, реализованные в диссертационной работе, разработаны схемы экспернменталь-
ных стендов, подготовлены методики экспериментальных исследований и обработаны результаты. Автор принимал личное участие в экспериментальных исследованиях, часть из которых выполнена под его научным руководством Дсль-воіі В. А., Ненштетером И. А., Петуховым А. А. при участии Онищенко В. Л., Чубика П. С. Подготовка теоретической части и обработка статистических данных проведены лично Кривошеевым В. В.
ОБСУЖДЕНИЕ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались на совещаниях Экспертного координационного совета по направленному бурению и инклинометрии Мингео СССР (г.г. Ленинград, Усть-Каменогорск, Чита) в 1984, 1985, 1988, 1989 гг., на Всесоюзной научно-технической конференции по направленному бурению скважин (г. Чита) в 1988 г., на межвузовских научно-технических конференциях ТПИ (г. Томск) в 1984, 1989 гг., на международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (г. Ленинград) в 1989 г., на научно-технических совещаниях и советах геологоразведочных партий, экспедиции и объединений, освещены в трудах пятой Всесоюзной научно-технической конференции по разрушению горных пород при бурении скважин (г. Уфа) в 1990 г. Технические разработки КривошееваВ. В. демонстрировались на ВДНХ СССР в 1986, 1990—91 гг. и на международной выставке «Геология» в КНР в 1989 г.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации опубликовано 44 научных работы, в том числе 2 монографии, 6 брошюр, 15 статей, 6 тезисов докладов, 7 информационных листов и проспектов ВДНХ СССР, получено 2 авторских свидетельства об изобретениях и 2 положительных решения, зарегистрировано 4 научно-технических отчета.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения и шести глав и изложена на 323 стр. машинописного текста, включая 84 рисунка, 15 таблиц и список литературы из 11 наименований, а также 18 приложений.
Автор считает своим долгом выразить глубокую признательность своему наставнику профессору Сулакшину С. С, а также сотрудникам кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Томского политехнического института Дельве В. А., Нейштетеру И. А., Петухову А. А., принимавшим непосредственное участие в выполнении рабо-
ты, и доценту Боярко Ю. Л., с которым работа неоднократно обсуждалась.
