автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Теоретические и экспериментальные основы бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород

доктор технических наук
Чистяков,
Валерий Константинович
город
Санкт-Петербург
год
1995
специальность ВАК РФ
05.15.14
Автореферат по разработке полезных ископаемых на тему «Теоретические и экспериментальные основы бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород»

Автореферат диссертации по теме "Теоретические и экспериментальные основы бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород"

- 3 о ИТ 1995

На правах рукописи

ЧИСТЯКОВ ВАЛЕРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ ИЗМЕНЕНИЯ АГРЕГАТНОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

Специальность 05.15.14 - "Технология и техника геологоразведочных работ"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1995

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В. Плеханова (техническом университете)

Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

Козловский Евгений Александрович

доктор технических наук профессор : Сулакшин Степан Степанович

доктор технических наук, рофессор Ошкордин Олег Владимирович

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки (ВИТР) НПО "Геотехника"

Защита диссертации состоится г. вУ^Гчас.

30 мин. на заседании специализированного Совета Д.063.15.12 при Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2, в зале заседаний № 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан "

Ж" ССШ^РЬлК, 1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета Д.063.15.12, д.т.н., проф.

И.П. Тимофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 влаги 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 колойны и ее привода, резкое снижение энергетических, материальных to трудовых затрат за счет использования грузонесущего кабеля или шлангокабеля, возможность полной механизации и автоматизации процесса, повышение качественных показателей, высокая экологичность. Наиболее наглядным подткерждеиием 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, JI.K. 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, A.B. Марамзина, Р.И. Медведовского, Ю.М. Парийского, М.А. Пудовкина, А.Н. Са-ламатина, В.А. Чугунова, Г.А. Череменского, P.A. 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 эффективные 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 кафедре 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 фонда 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 тепломассопереноса в системе скважина - горные породы.

Цель исследований - разработка научных основ, методических положений, эффективных 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 общих 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 выбор эффективной низкотемпературной заливочной жидкости и разработать технологию и технику бурения глубоких скважин в ледяных толщах колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле;

- теоретически обосновать основные методические положения и перспективные направления разработки новых эффектив-

ных технологий 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 та 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 их эффективности и внедрения в практику бурения скважин с отбором керна в многолетнемерзлых породах, с одновременным замораживанием 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 математических моделей тепломассопереноса при бурении в условиях изменения агрегатного состояния горных пород и разработке методов 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 обосновашш 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;

- скважиниый 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 ежегодных, 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-

рии 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 конференции 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 конференции 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. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 380 наименований. Содержание диссертации изложено на страницах машинописного текста, сопровождается 63 рисунками и 33 таблицами.

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается ее актуальность, формулируются основная идея, цель, задачи и методика исследований, определяются основные защищаемые положения, научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, приводятся данные по ее обсуждению и структуре.

В главе 1 изложены результаты математического моделирования процессов тепломассопереноса при бурении скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород и обосновываются приближенные методы решения задач о температурном режиме скважин при бурении в этих условиях.

Глава 2 посвящена анализу и совершенствованию технологии и техники бурения скважин с продувкой охлажденным и осушенным воздухом в мерзлых породах.

Глава 3 содержит результаты исследований и разработок технологии и технических средств бурения скважин с одновременным замораживанием горных пород.

В главе 4 рассматриваются результаты теоретических исследований, экспериментальных разработок и практического бурения и опробования "сухих" и залитых жидкостью глубоких скважин в ледниках и ледниковых покровах колонковыми термобуровыми снарядами на грузонесущем кабеле.

Глава 5 посвящена перспективам бурения скважин в горных породах плаачением.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

Автор выражает искреннюю благодарность заведующему кафедрой ТТБС СПГГИ проф. Б.Б. Кудряшову за консультации, помощь и внимание, во многом предопределившими появление этой работы, а также глубокую признательность за поддержку и помощь в организации и проведении исследований коллегам по кафедре и научно-исследовательской лаборатории, преподавателям Казанского ГУ проф. А.Н. Саламатину и проф. В.А. Чугунову, сотрудникам ААНИИ и ВИТР, всем участникам совместных работ в антарктических и высокоширотных экспедициях.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Установленная на основе математического моделирования процесса нестационарного тепломассопереноса в системе скважи-на горные породы аналитическая связь между параметрами, определяющими температурный режим скважины при бурении в условиях изменения агрегатного состояния горных пород (формулы: 1,2,4,5), позволяет провести с достаточной для практических целей точностью анализ температурного фактора в конкретных горно-геологических условиях сооружения скважины.

Процессы тепломассопереноса, происходящие в скважине при ее бурении, исследовании и эксплуатации, разнообразны и подвержены влиянию большого количества различных по своему действию факторов. Их прогнозирование, регулирование и нормализация является весьма сложной задачей, успешное решение которой невозможно без привлечения для этой цели методов моделирования. Необходимо отметить, что в большинстве выполненных по этой проблеме исследований для описания температурного режима в системе скважина - горные породы использовались математические модели, справедливые лишь в частных случаях, а это далеко не исчерпывает всех возможностей в данном направлении.

Рассматривая скважину в процессе бурения как теплооб-менную систему с изменяющимися по глубине и во времени условиями и параметрами, в качестве исходной и наиболее общей ма-

тематической модели для изучения происходящих в ней процессов тепломассопереноса в работе исследуется распределение температуры во встречных потоках промывочной среды и в окружающих скважину горных породах, т. е. задача о ее температурном режиме. На основе общих уравнений переноса в материальных средах совместно с дополнительными соотношениями, устанавливающими связь между параметрами среды и процесса, и соответствующими краевыми условиями построена математическая модель для определения температуры промывочной среды и горных пород в процессе бурения скважины.

Структурный анализ решения общей задачи о температурном режиме скважины и переход к исследованию частных случаев с более полным отражением основных деталей реальных физических явлений, происходящих в отдельных частях системы скважина - массив горных пород, позволили упростить постановку задачи и свести ее к решению системы, состоящей из двух линейных однородных дифференциальных уравнений с двумя переменными. В работе обоснована возможность использования для расчета температурного реяшма бурящейся скважины понятий о коэффициентах нестационарного теплообмена и интенсификации теплообмена при агрегатных переходах влаги в горных породах кагр. Для практических расчетов и анализа температурного режима скважины при бурении в условиях отсутствия агрегатных изменений в проходимых горных породах получены в безразмерном виде следующие аналитические выражения, устанавливающие связь между распределением температуры в циркуляционных потоках промывочной среды ( 0|Н ®2) и основными технологическими параметрами процесса:

0, = Т0 /а + (®н + Т{/а)Х1 + (аЛв3 - Т0)Г1; (1)

&2 = (®н + Тс/а)Х2 + (а№3 - Т0)Г2, (2)

где Х1 = {82ехр[- 82 - (1 - -

= {-ехр[-81(7 - 2)] + ехр(Б2г - ЗД/2>;

Х2 = {Б2(1 + Б2/а)ехр[-52 - (1 -2)81]}/Б;

Г2 = {-ел- Ъ)) + (1+ 32/а)ехр(822 - ЗД/1);

И = 82ехр(82 - -

S},2 = (ЪЬ/2) ± /4 + bkt + Ь/Ct/ 6 - 2%R0KBH/Gc; fct = a«/p + Biln(l + 2<Fo); а = 2кг]кКпН/Gc; Bi = а^Л/ = KVcnPrßo-

= - *>/**; 03 = At/f*; Z = z/H; KH = Hf/II*; To = ГН/t*; H* = H0 + in*; k = //tf/а, + Ьт/Хт + l/a2), где P, f, с, X, G - соответственно плотность, температура, коэффициенты теплоемкости и теплопроводности, массовый рас- ход промывочной среды; Ray П - радиус и глубина скважины; rj, 5m -внутренний радиус и толщина стенки бурильных труб; Г - геотермический градиент; а - коэффициент теплоотдачи потока промывочной среды; индексы "о", "Г, "2", "а", "с", "л", "*" - относят значения параметров соответственно к начальному состоянию, нисходящему и восходящему потокам циркуляционной среды, забойной зоне, стенке скважины, породам и к характерным для нормирования величинам.

Расчетный и графический анализ, выполненный по формулам (1) и (2), позволяет определить характер и степень влияния на изменение температурного режима скважины при бурении таких параметров, как температура и теплофизические свойства горных пород, свойства и расход промывочной среды, время ее циркуляции, затраты энергии на работу породоразрушающего инструмента в зоне забоя и др.

Для расчета температурного режима скважины при бурении в условиях изменения агрегатного состояния влаги в окружающих ее горных породах обоснована возможность использования приближенных выражений (1) и (2), в которых при вычислении корней характеристического уравнения Sj и S2 для определения переменных значений векторов Xj, Х2, У/ и Y2 будет использоваться коэффициент нестационарного теплообмена в условиях агрегатных изменений горны пород кха

кт = кх кагр = аг/(1 + ВПп1агр), (3)

где 1агр - безразмерная граница зоны изменения агрегатного

v состояния пород вокруг скважины, 1агр = raiJ/Ro-

Так как 1агр в общем виде зависит от времени циркуляции и глубины скважины, решение задачи о температуре промывочной среды при бурении в условиях изменения агрегатного состояния торных пород может быть представлено в следующем виде

tj(Z,Fo) = tHXj(Z,la,p) + ддагЛгрЛ- (4)

t2(Z,Fo) = tHX2(Z,lazp) + MaY2(Z,

1агр)- (5)

Для определения 1агр можно использовать методику точного расчета, предложенную в работе [ 1 ], или воспользоваться следующим приближенным выражением:

Vv (liplnLp LP -i LP

ГО ----+----

cnpnt\ 2 2Bi 4 J

{77 \ (6)

Bi \Lp-i_Lr~i ln Lp _ln L, l+Bilnl^X 4Bi 4*4 2Bi ;

Здесь 4V - объемная теплота агрегатного перехода.

Алгоритм вычислений по формулам (4) и (5) состоит в следующем:

а) параметрически задается 1агр в необходимом по глубине скважины сечении, определяемом координатой Z = z/H;

б) по формуле (3) вычисляется соответствующий заданному значению 1агр коэффициент Лта;

в) с помохцыо выражений (4) и (5) определяется температура промывочной среды в заданном сечении и при заданном положении границы раздела фаз;

г) из выражения (6) определяется время, которому соответствует заданная граница агрегатных изменений пород вокруг рассматриваемого сечения скважины.

Для реализации этого алгоритма разработана программа в режиме диалога на языке BASIC для персональных ЭВМ. Для практических оценочных расчетов этот алгоритм можно значительно упростить, используя при определении кагр другие, менее сложные методы, например, выражение, полученное эмпирическим путем Ю.Д. Дядькиным •

кагр = 1 + 0,0042урп/( | £21 сп). {7)

2. Эффективное бурение и опробование скважины в мерзлых породах возможно только при нормализации ее температурного режима, обеспечивающего сохранность агрегатного состояния влаги как в циркулирующей промывочной среде, так и в окружающих скважину горных породах.

Как показал расчетный и графический анализ, проведенный по формулам (4) и (5), при бурении в мерзлых породах с использованием в качестве промывочной среды жидкости с положительной температурой растепление стенок скважины начинается в районе устья скважины и ее призабойной зоны спустя небольшой промежуток времени после начала циркуляции (0,2 0,3 ч) и уже через 3 часа происходит по всей ее глубине, что также подтверждается практикой. Применение в качестве промывочной среды сжатого воздуха, охлажденного до отрицательных температур, устраняет целый ряд специфических осложнений, связанных с бурением скважин в многолетнемерзлых породах, однако далеко не всегда исключает растепления ее стенок в призабойной зоне за счет теплоты, выделяющейся при работе породоразрушаю-щего инструмента. Кроме того, применение его в ряде случаев вызывает в скважине выпадение конденсата с образованием сальников и пробок в каналах циркуляционной системы, что влечет за собой осложнения и возможные аварии при бурении. Надежное средство предотвращения выпадения конденсата предварительное осушение сжатого воздуха до температуры точки росы ниже, чем возможные минимальные температуры пород в скважине.

Разработанная методика расчетов температурного режима скважин при бурении в мерзлых породах позволяет с достаточной для практических целей точностью обосновать в каждом конкретном случае необходимые начальные параметры сжатого воздуха, возможные режимы его циркуляции и допустимую продолжительность процесса теплового воздействия с окружающим массивом мерзлых пород для выбора, совершенствования и разработки технических средств и рациональных технологий бурения разведоч-

ных, инженерно-геологических и гидрогеологических скважинч в районах распространения многолетней мерзлоты.

Наиболее эффективным технологическим средством повышения производительности и качества бурения и опробования скважин в районах распространения многолетней мерзлоты является применение продувки сжатым воздухом, предварительно перед подачей в скважину охлажденного и осушенного до заданных параметров, что позволяет, как показали результаты экспериментальных исследований, полностью устранить все осложнения, связанные с температурным фактором.

Охлаждение выходящего из компрессора сжатого воздуха наиболее рационально осуществлять по двухступенчатой схеме, используя на первой ступени теплообмен с атмосферным воздухом, а на второй - системы охлаждения детандерного или парокомпресси-онного типа. В процессе проведения экспериментальных исследований было установлено, что эффективное охлаждение сжатого воздуха до отрицательных температур не возможно без предварительного его осушения до температуры точки росы содержащихся в нем паров влаги ниже минимальной температуры его охлаждения или минимальной температуры мерзлых пород в скважине. Это предотвращает выпадение конденсата как в системе охлаждения сжатого воздуха, так и в скважине, повышая эффективность работы холодильных установок и снижая возможность возникновения осложнений при бурении скважин особенно в летний период.

По предложению автора была усовершенствована воздушная олодильная машина ВХМ-1, в которой в качестве 2-ой ступени охлаждения использован серийный поршневой пневмодвигатель ДР-5У, и разработаны макеты и опытные образцы двухступенчатой системы охлаждения сжатого воздуха с блоком осушки и фреоновыми парокомпрессионными агрегатами холодопроизводитель-ностью от 4,0 до 14,0 квт. Стендовые и полевые испытания усовершенствованных и разработанных систем охлаждения сжатого воздуха, проведенные в лабораторных условиях и на объектах работы подразделений ГПИ "Дальстройпроект" и ПГО Севвостокгео-логия (Магаданская обл.), ПГО Приленскгеология (Якутия), показали их работоспособность и определили область их эффектив-

ного использования при бурении скважин вращательным и пнев-моударным способами с отбором и без отбора керна в мерзлых породах различных категорий по буримости.

При бурении скважин в зимний период может эффективно эксплуатироваться' лишь первая ступень охлаждения сжатого воздуха до температуры порядка -10°С за счет его интенсивного теплообмена с атмосферным воздухом в компактных ребристот-рубчатых воздухоохладителях с площадью теплообмена 25 30 м2. Установка ВХМ-1 эффективна только при бурении скваяшн глубиной до 20 + 30 м. Использование компактных фреоновых парокомпрессионных агрегатов обеспечивает эффективное охлаждение сжатого воздуха в широком диапазоне изменения его параметров (расхода, давления и температуры) при бурении с продувкой скважин различного назначения. Осушение сжатого воздуха при бурении в мерзлых породах не только в значительной степени повышает эффективность процесса его охлаждения до отрицательных температур, но и оказывает существенное влияние на качественные показатели самой промывочной среды, повышая ее активную роль в регулировании происходящих в скважине тепло-массообменных процессов. С этой точки зрения степень осушенно-сти поступающего в скважину сжатого воздуха (влагосодержание или температура точки росы) наряду с его расходом, давлением и температурой должна рассматриваться в качестве важного технологического параметра процесса бурения скважин с продувкой в мерзлых породах.

На основании полученных результатов было разработано Техническое задание на проектирование "Передвижной установки для выработки охлажденного сжатого воздуха", использование которой при разведочном бурении с продувкой в мерзлых породах позволяет, как показали расчеты, в 1,5 + 1,8 раза повысить производительность буровых работ, обеспечивая экономию материальных и трудовых затрат.

Решение принципиальных вопросов разработки и совершенствования технологии бурения скважин в мерзлых породах с продувкой охлажденным и осушенным сжатым воздухом проводилось автором в процессе продолжения начатых в 1963 г на кафедре ТТБС СПГГИ в этом направлении экспериментальных исследова-

ний, которые включали, в себя физическое моделирование технологических процессов бурения мерзлых пород в лабораторных условиях, испытание и отработку технических средств и технологических режимов при бурении опытных и плановых скважин на объектах работы различных производственных организаций.

Анализ результатов экспериментального бурения по искусственным блокам мерзлых пород различного гранулометрического состава на опытном стенде в лабораторных условиях подтверждает теоретические выводы о достаточности сравнительно неглубокого охлаждения сжатого воздуха (до -10°С) для нормализации температурных условий, устранения возможных осложнений, повышения производительности и получения высокого выхода керна с ненарушенными естественными особенностями строения при бурении скважин в многолетнемерзлых породах.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных автором в полевых условиях при бурении опытных и плановых скважин с продувкой охлажденным и осушенным воздухом на производственных объектах в Магаданской области и Якутии, а также накопленный практический опыт внедрения этой эффективной технологии показывают, что охлаждение сжатого воздуха до температуры -10° С во всех случаях достаточно для резкого повышения производительности и качества буровых работ в районах распространения многолетнемерзлых пород. Осушение воздуха до низких отрицательных температур точки росы содержащейся в нем влаги существенно повышает эффективность процесса охлаждения, позволяет своевременно удалять из воздуха конденсат, снижает требования к минимально необходимой температуре охлаждения и в отдельных случаях, например, при бурении в скальных морозных породах позволяет даже в летний период обходиться без второй ступени охлаждения. При слабых водопроявлениях в скважине, связанных с наличием в разрезе мерзлых пород таликовых зон, возможные осложнения в виде сальникообразования могут быть устранены за счет одновременного с бурением поверхностным подмораживанием интервалов талых пород продувкой морозным и осушенным до низкой отрицательной температуры точки росы сжатым воздухом.

В условиях, когда целью буровых работ является изучение состава, строения и физико-механических свойств мерзлых пород, использование охлажденного воздуха позволяет получить существенно более объективную информацию, чем широко применяемое бурение "всухую". Кроме того, этот способ позволяет в полном объеме использовать все разработанные для колонкового бурения технические средства и технологические приемы повышения качества кернового опробования.

Расчет экономической эффективности от внедрения способа бурения с продувкой охлажденным воздухом при инженерных изысканиях на объектах ГПИ Дальстройлроект показал, что производительность его по сравнению с применявшимся бурением "всухую" увеличилась в 3,3 раза, что позволило приблизительно в 2 раза снизить себестоимость 1 м бурения и добиться экономии около 40 тыс. руб. в год на один буровой агрегат (в ценах конца 60-х годов). Кроме того, выполнение объемов бурения минимальным количеством буровых агрегатов и бригад в значительной степени облегчает организацию работ в труднодоступных и малоосвоенных районах Крайнего Севера и позволяет существенно улучшить такие важные экономические показатели, как фонд заработанной платы, снижение расходов на выплату северных надбавок, полевого довольствия, а также сократить значительные для этих условий транспортные расходы.

3. Теоретически установленная и экспериментально подтвержденная связь между основными технологическими параметрами: механической скоростью бурения, глубиной промерзания пород забоя, свойствами и температурами пород и промывочной среды, условиями теплообмена в зоне забоя (формулы 8 и 9) определяет практическую возможность и область эффективного бурения скважин с одновременным замораживанием слабосвязных и несвязных влагонасыщенных пород.

Бурение с одновременным замораживанием горных пород один из новых прогрессивных способов проходки скважин в сложных гидрогеологических и горнотехнических условиях, позволяющий повышать механическую прочность и снижать проницаемость

неустойчивых слабосвязных, кавернозных и трещиноватых обводнен ных пород путем создания на забое и стенках скважины ледо-породного ограждения, способного в качестве временного крепления поддерживать устойчивость ствола скважины, предотвращать потери промывочной жидкости при циркуляции и предохранять! керн от разрушения. Надежной гарантией создания монолитного, прочного и водонепроницаемого ледопородного слоя является опережающее промерзание пород забоя на глубину, определяемую как условиями прочности, так и продолжительностью возможных перерывов в бурении или циркуляции промывочной среды - хладо-носителя. Отсутствие обоснованной методики определения параметров бурения, выбора технических средств и рациональных технологических режимов затрудняют разработку и внедрение исследуемого способа проходки скважин.

Смысл решения задачи о промерзании пород в процессе бурения сводится к отысканию условий, при которых на забое можно создавать и поддерживать в течение определенного периода уг-лубки скважины подвижный ледопородный слой заданной толщины. При математическом моделировании процессов тепломассопе-реноса, определяющих условия и скорость промерзания пород в зоне забоя, большую роль играет задача Стефана, методы решения которой достаточно разнообразны и сложны. Этим объясняется приближенный характер решения большинства прикладных задач, в т.ч. и для бурения с одновременным замораживанием проходимых пород (A.B. Марамзин, М.Я. Беркович, В.И. Метенин, Б.Б. Кудряшов).

В качестве математической модели процесса бурения скважины с одновременным замораживанием породы забоя автором обоснована и исследуется одномерная задача о распространении теплоты в двухфазной среде для полупространства, ограниченного поверхностью забоя скважины z — На, перемещающегося в направлении движения фронта промерзания z — Нагр с постоянной скоростью V — const, причем на границе промерзания породы соблюдается условие Стефана.

Анализ и упрощение поставленной задачи, выполненные с помощью методов теории подобия и анализа размерностей, позволили получить в безразмерном виде следующую зависи-

мость между основными параметрами процесса бурения с одновременным замораживанием пород: скоростью бурения Реагр, температурными ©агр и теплообменными Bi3 условиями в зоне забоя, теплофизическими свойствами горных пород Кх, Ка, Ко.

Bi3 --, (8)

ехр(-Реагр){1 + (J - <дагр)/[Ко + (К7/Ка)&агр]} - 1

Bi3 = aß/K, Реагр = vb/an, Кх = К/К, Ка = <Va„,

©агр = Осгр ~ t'„)/(t3 - t'J, Ко = 4V/cnPn | f, - t'n 1-

Анализ выражения (8) позволяет установить предельно допустимую скорость бурения, обеспечивающую при заданных температурных условиях в зоне забоя опережающее промерзание породы, в виде следующего соотношения

Реагр < 1п{1 + (1 - &агр)/[Ко + (К>/Ка)вагр]}. (9)

Выражение (9) может быть существенно упрощено для случая бурения с использованием жидких промывочных сред -хладоносителей, когда при большом значении коэффициента теплоотдачи на поверхности забоя аэ критерий Bi -» со, что позволяет считать температуру породы на поверхности забоя практически равной температуре промывочной среды. В этом случае:

• Реагр = 1п(1 + 1/Ко). (10)

При условии tagp = О выражение (10) переходит в известную зависимость, полученную Б.Б. Кудряшовым.

Как показали проведенные расчетный и графический анализы, бурение с одновременным замораживанием пород при тех незначительных температурах охлаждения промывочных сред хла доносителей, которые в настоящее время определяются реальными производственными условиями, характеризуется сравнительно низкими допустимыми скоростями бурения (не более 1 2 м/ч) и не-

большой глубиной опережающего промерзания пород забоя (до 0,01 0,001 м). Поэтому в условиях, когда механическая скорость бурения не является определяющим фактором, например, при проходке талмковых зон в разрезах, сложенных мерзлыми породами, при временном закреплении стенок скважин в слабосвязных и несвязных породах типа "плывуна", при отборе качественных проб в этих же породах и в других подобных случаях бурение с замораживанием проходимых пород будет возможно и эффективно даже при использовании в качестве промывочной среды охлажденных до низких отрицательных температур газообразных агентов - хладоносителей (сжатого воздуха, азота и пр.).

Результаты экспериментального бурения с замораживанием проходимых пород на опытном стенде в лабораторных условиях подтвердили справедливость полученных теоретических выводов и доказали практическую возможность и целесообразность использования как жидкостных, так и газообразных промывочных сред -хладоносителей, причем во всех случаях, когда необходимо замораживать влагонасыщенные породы с повышенной начальной температурой, предпочтительнее использовать специальные жидкостные промывочные среды (керосин, самолетные и дизельные топлива арктического класса). Так при бурении с замораживанием по блокам с влагонасыщенным песком с использованием для промывки охлажденного до температуры -25°С технического керосина и расходе последнего не менее 20 л/мин во всех опытах при механической скорости до 1 м/ч достигался полный выход керна и обеспечивалось надежное закрепление стенок скважины. Применение газообразных промывочных сред ограничивает допустимую скорость бурения с замораживанием талых зон в многолеггнемерз-лых породах до 0,4 м/ч с глубиной промерзания пород 1 + 3 мм.

Экспериментальная оценка бурения с одновременным замораживанием пород продуктивной толщи, проведенная при производстве опытных работ в процессе разведки Кингисеппского месторождения фосфоритов (Ленинградская обл.), подтвердила основные теоретические предпосылки исследуемого способа, практическую возможность использования при бурении углеводородных промывочных сред, охлаждаемых до низких отрицательных температур за счет сублимации твердой углекислоты, позволила уточ-

нить конструктивные параметры разрабатываемых технических средств и приобрести необходимый опыт для совершенствования технологических режимов бурения. Впервые были получены представительные керновые пробы из обводненных оболовых песков с включением слабых песчаников, данные химанализа которых практически совпали с результатами бороздового опробования.

Отечественный и зарубежный опыт применения холода на различных этапах сооружения скважин подтверждает справедливость полученных результатов теоретических и экспериментальных исследований и в связи с постоянным совершенствованием и созданием новых криогенных средств целесообразность дальнейших разработок в направлении развития техники и технологии бурения и опробования скважин с замораживанием горных пород.

4. Бурение скважин плавлением во льдах и горных породах обеспечивается установленными для конкретных условий аналитическими связями между основными геологическими, конструктивными и технологическими параметрами (формулы 11 - 18).

Отличительной особенностью технологиий бурения скважин контактным плавлением горных пород, включая снежно-фирновые и ледяные отложения, является высокая концентрация в специальном формирующим стенки скважины и керна рабочем органе бурового устройства (пенеггратора) тепловой энергии, эффективная ее передача породе через слой образующегося на забое расплава для обеспечения заданной скорости плавления, удаление расплава из зоны забоя с формированием из него при застывании на стенках скважины монолитного и прочного слоя.

С целью обоснованного выбора технологических параметров, определяющих процесс бурения скважин контактным плавлением во льду и горных породах, разработки технических средств и рациональных режимов их работы автором построена и исследована достаточно общая замкнутая модель процесса тепло-массопереноса при квазистационарном режиме контактного плавления. Анализ характерных масштабов физических величин и выбор определяющих параметров, описывающих исследуемый процесс, позволили привести уравнения модели к безразмерному ви-

ду, найти основные критерии подобия и оценить значимость и целесообразность учета тех или иных факторов в рассматриваемом классе задач.

После анализа и упрощений исходной модели получена система интегро-дифференциальных уравнений, которая позволяет при заданной форме рабочей поверхности нагревательного устройства с достаточной для практических целей точностью рассчитать все основные величины, характеризующие процесс бурения плавлением: скорость бурения (плавления) V, распределение температуры ©н или теплового потока QH на рабочей поверхности нагревательного устройства, толщину слоя расплава Н, его температуру ®ж, среднюю продольную скорость течения U* и давление в слое расплава Р. Для часто реализующейся в практике плавления льда конструкции нагревательных устройств с изотермической рабочей поверхностью решение системы было найдено в следующем удобном для практических расчетов виде:

0И = РежКуШ(1 + OJPe^MJ/fl 0,15РежКьН); (11)

Qn = РежВ(1 + OJSPeJKiJD/il - 0,15РежК,М); (12)

©Ж = 0,5РежКуД/(1 - 0,15РежН); (13)

U*(S) = 6(Rn - R*)/H; (14)

Hi = 6(1 + \i)/[RH2(Sj)(l - Pj) - RhI(S2)(1 - P2)J 4

4 ¡(R,, - R*)RH(dRH/dS)dS; (15)

V(S) = P + G\[(l + Vi)(RH - R*)/Hi]dS, (16)

Он = QudR/dS; R = r/l; S = s/l; QH = qjfkjt^ -W; Реж = Vlki/amKc; K%. = "к„/кж; Kc = с„/сж; В = Кагр + BKX; Кагр - Ц>Рт/с*ишр - |; В = Q^dR^dS) - const; Kh = (Pmliatpv/PvclG)1/3; H = HdR/dS; H = h/lKH;

®н,ж = (*н,ж - *агр)/(*агр " W/ U*(S)= (vp^/Vp^Ks;

Р = p/G; ц =

Расчетный и графические анализы, проведенные для четырех основных форм сечений рабочей поверхности нагревательных устройств: квадратной (плоский торец), треугольной, полукруглой и параболической, используемых при бурении скважин в ледяных толщах, показали, что 'наличие угловых точек на образующей рабочей поверхности нагревательных устройств будет приводить при малых значениях К^ к аномальному увеличению плотности теплового потока в их окрестностях, к нерациональному перегреву слоя расплава в промежуточных областях и, как следствие это- го, к снижению эффективности работы устройства.

Для сопоставления различных конструкций нагревательных устройств предложен в качестве меры эффективности их формы и конструкции коэффициент полезного действия {3, который определяется как отношение приведенной тепловой мощности минимально необходимой для проплавления твердой среды в ми-дел евом сечении нагревательного устройства, к приведенной мощности N,1, снимаемой с его рабочей поверхности

Р=ЛГ</ЛГН, (17)

ЛГ0 - %[ШН(Б)- Шн(5)](Кс + Кагр)Рен;

Результаты расчетов, выполненных при фиксированном объеме нагревательных устройств, т.е. при одной и той же их тепловой мощности, показали, что при прочих равных условиях максимальные значения КПД соответствуют нагревательным устройствам с параболической формой рабочей поверхности.

Анализ влияния удлиненности нагревательного устройства параболической формы, характеризующейся параметром А для параболоида вращения 7+ — А(Я - 0,25), где -0,5< Я <0,5, на эффективность процесса контактного плавления, т.е. на его КПД, показывает, что с увеличением параметра А уменьшается толщина слоя расплава, снижается его температура и, следовательно, снижаются потери, связанные с непроизводительным его перегревом. Однако при этом возрастают тепловые потери в твердой фазе, т.е. в массиве льпа или гооных повои, поэтому оптимальная (Ъопма на-

гревательного устройства цожет бьггь найдена при совместном рассмотрении процессов тепломассопереноса в слое расплава и рассеивания теплоты в окружающем ледяном массиве.

Анализ результатов выполненных для этих целей расчетов подтверждает справедливость' выводов о том, что при высоких скоростях контактного плавления (Ре >30) для кольцевых нагревателей) вытянутая форма устройств (А > I) является более предпочтительной, а при небольшой скорости плавления забоя (Ре < 15) оптимальная форма рабочей поверхности приближается к плоской (А < 1). Однако во всех рассмотренных случаях КПД для кольцевых нагревателей в форме параболоидов вращения при изменении параметра Л в интервале (2 < А < 10) остается достаточно высоким: 0,77 < Р < 0,92.

На основе полученных теоретических результатов, вариантных расчетов и экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях при непосредственном участии автора были усовершенствованы технические средства бурения "сухих" скважин с полным отбором керна в снежно-фирновых и ледяных толщах с использованием новой модификации термобурового снаряда на грузонесущем кабеле ТЭЛГА-14М и разработана эффективная технология бурения в низкотемпературных толщах ледникового покрова Антарктиды (ст. Восток, трасса обе. Мирный - ст. Восток), а также в умеренных по температуре толщах ледника Вавилова (о-в Октябрьской Революции, арх. Северная Земля). К настоящему времени термобуровыми снарядами типа ТЭЛГА-14М пробурено более 6000 м скважин с полным отбором керна снега, фирна и льда, в т. ч. и самая глубокая в мире "сухая" скважина во льду - 952,5 м на ст. Восток (1972 г). Разработанные комплекс технических средств и технология теплового способа бурения плавлением "сухих" скважин переданы для использования при проведении гляциологических исследований Арктическому и Антарктическому НИИ и Российской антарктической экспедиции.

Специфические особенности льда как нелинейной реологической среды, обладающей текучестью даже при небольших напряжениях, ограничивают глубины бурения "сухих" скважин и требуют для решения одной из главных проблем глубокого буре-

ния - обеспечение длительной устойчивости ствола скважины изучения деформационных явлений, происходящих в ледяной толще под действием возрастающих с глубиной горного давления и температуры.

В полной постановке задача о напряженном состоянии й устойчивости горных пород вокруг пробуренной скважины оказывается очень сложной. В результате исследования общей модели деформации стенок скважины с помощью методов теории подобия и анализа размерностей получено приближенное решение для оценки скоростей сужения ствола скважины, пробуренной в ледяном массиве. Использование этого решения при анализе результатов кавернометрии и деформометрии "сухой" скважины на ст. Восток позволило получить реологические параметры льда для глубин свыше 500 м, когда деформации ствола скважины даже в условиях крайне низких отрицательных температур (до -57"С) становятся существенными, и оценить эффективность заполнения скважины низкотемпературной жидкостью, гидростатическое давление которой на стенки будет полностью или частично компенсировать горное давление в течение всего времени сооружения и исследования глубокой скважины. Для расчета необходимой в этих условиях плотности заливочной жидкости получена следующая аналитическая зависимость

рж = {рЛ(Н - 32) - 106(а/ё)[Ы(По /Я)/А ]Ш}/(Н - Н0), (18)

где рл = 921 кг/м3, g = 9,825 м/с2 - соответственно средняя плотность льда в разрезе и ускорение силы тяжести на ст. Восток; Я и На - соответственно глубина скважины и уровень заливочной жидкости в ней, м; й0 и й - начальный и допустимый радиусы скважины, м; а = 3,0 и А = (1,2+2,0)10 2МПа агод1 - реологические параметры льда; т- время, год.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований в качестве низкотемпературной заливочной жидкости для бурения глубоких скважин с целью пересечения всей ледниковой толщи и внедрения в подледниковые породы в районе ст. Восток (-4000 м) разработан раствор на углеводородной основе (топливо ТС-1) с добавлением в качестве утяжелителя фреона-11, который

в полной мере удовлетворяет всем технологическим, санитарным, противопожарным и экономическим требованиям. Состав раствора защищен авторским свидетельством на изобретение.

В соответствии с технологическими особенностями бурения глубоких залитых жидкостью скважин тепловым способом разработан новый колонковый термобуровой снаряд на грузонесущем кабеле ТБЗС-152, в котором существенное изменение претерпели конструкция кольцевого нагревателя, системы удаления воды с забоя с использованием призабойной циркуляции заливочной жидкости, обогрева, управления работой снарядом и телеметрия. При разработке и конструировании нового снаряда большое внимание уделялось повышению надежности и эффективности его работы в условиях низких отрицательных температур и возрастающих с глубиной гидростатических давлений в скважине. Одновременно с созданием нового снаряда разработаны, изготовлены, доставлены и смонтированы на ст. Восток: новый комплекс поверхностных сооружений, оборудования, контрольно-измерительных приборов, и регулирующей аппаратуры; новый тип грузонесу-щего кабеля; вспомогательное оборудование и скважинные устройства; оборудованные гляциологическая, геофизическая лаборатории, кернохранилище для практического решения задачи бурения, опробования и исследования глубокой скважины.

В процессе многочисленных экспериментальных исследовании, выполненных за последние 20 лет в ежегодных антарктических экспедициях, а в период с 1975 по 1989 гг. одновременно еще и в высокоширотных экспедициях ААНИИ на леднике Вавилова (арх. Северная Земля), были испытаны и усовершенствованы технические средства и технологические приемы бурения плавлением с отбором керна глубоких залитых низкотемпературной жидкостью скважин в ледниковых толщах. Общий объем бурения к настоящему времени превысил 10000 м, глубины 3-х скважин на ст. Восток превысили 2000 м: скв. ЗГ-1 - 2202 м (1985 г), скв. 4Г -2546 м (1989 г), скв. 5Г - 2502 м (1991 г). В 1993 г глубина скв. 5Г-1 достигла отметки 2755 м и стала самой глубокой в мире скважиной, пробуренной тепловым способом. Дальнейшая ее проходка в настоящее время успешно осуществляется разрабатываемым в СПГГИ электромеханическим колонковым снарядом на гру-

зонесущем кабеле КЭМ.С-112, способным преодолеть переходную от ледника к породам зону и внедриться в коренные породы ложа.

Результаты математического моделирования и экспериментальных исследований в лабораторных и полевых условиях позволили разработать и успешно испытать устройство для отбора из расплавляемой в скважине каверны с заданными параметрами газовой пробы на изотопный углеродный анализ с целью определения абсолютного возраста льда.

Для обоснования области рационального применения способа бурения горных пород плавлением и определения основных закономерностей этого процесса в средах с нелинейными теплофи-зическими и реологическими характеристиками, к которым относятся большинство горных пород и их расплавов, исследованы математические модели тепломассопереноса при контактном плавлении пород забоя и условия формирования из расплава на стенках скважины остеклованного слоя заданной толщины. Анализ полученных приближенных решений и выполненных на их основе расчетов позволяет в каждом конкретном случае для различных типов горных пород выбрать режимы плавления, обеспечивающие минимальные потери тепловой энергии, и определить условия, при которых в процессе бурения плавлением на стенках скважины будет формироваться из застывающего расплава остеклованный слой с заданными параметрами и свойствами. Для проверки полученных теоретических результатов разработаны специальный стенд и методика экспериментальных исследований.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Одним из перспективных направлений повышения эффективности буровых работ в сложных геологических и горнотехнических условиях является разработка нетрадиционных и совершенствование существующих способов бурения и опробования скважин в многолетнемерзлых породах, с одновременным замораживанием слабосвязных и несвязных влажных и водонасыщен-ных пород, плавлением льда и горных пород.

2. При бурении скважин в условиях возможных или необходимых изменений агрегатного состояния горных пород, связан-

ных с полным или частичным, их оттаиванием-промерзанием, плавлением-твердением, испарением-сжижением или возгонкой, процессы тепломассопереноса играют важную роль, а их детальное изучение для последующего учета и регулирования является одной из первоочередных задач исследований.

3. Разработанная на основе общих законов переноса в материальных средах математическая модель процессов тепломассопереноса с фазовыми переходами в системе скважина - горные породы позволяет для каждого конкретного случая бурения в условиях изменения агрегатного состояния пород перейти к исследованию более простых моделей и найти замкнутое приближенное решение поставленной задачи в аналитическом виде или численным методом с помощью ЭВМ.

4. Полученные на основании использования методов теории подобия и анализа размерностей, а также полуэмпирических обобщений опытных данных приближенные аналитические зависимости позволяют определять температуру в любой точке системы скважина - горные породы и исследовать влияние на изменение температуры промывочной среды в процессе бурения таких факторов, как начальная температура и теплофизические свойства среды и породы, наличие и характер фазовых переходов в последних, расход промывочной среды, продолжительность процесса бурения, механическая скорость бурения и затраты энергии на ее реализацию.

5. Эффективное бурение и опробование скважин в мерзлых породах возможно только при нормализации ее температурного режима, обеспечивающего сохранность естественного агрегатного состояния влаги как в циркуляционной среде, так и в горных породах. С этой целью в результате выполненных исследований для бурения скважин в мерзлых породах:

- разработана и внедрена методика и программа расчетов на ЭВМ температурного режима скважины;

- теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены условия, исключающие агрегатные переходы влаги в циркуляционной системе скважины и в мерзлых породах;

- усовершенствованы существующие и разработаны новые технические средства охлаждения и осушки сжатого воздуха при бурении с продувкой;

- усовершенствована технология бурения и опробования скважин с продувкой охлажденным и осушенным сжатым воздухом на производственных объектах геологоразведочных и проектных организаций Магаданской обл. и Якутии.

6. Бурение с одновременным замораживанием проходимых горных пород - один из новых прогрессивных способов сооружения и опробования скважин в сложных гидрогеологических условиях, предусматривающий создание в призабойной зоне ледопо-родного ограждения на стенках скважины и керна, способного обеспечить их прочность и сохранность в течение определенного отрезка времени. Проведенные в этом направлении теоретические и экспериментальные исследования характеризуются следующими результатами:

- установлено, что необходимым условием бурения скважин с одновременным замораживанием пород является превышение начальной скорости их промерзания на забое над механической скоростью разрушения последнего на величину, обеспечивающую создание и поддержание на стенках скважины и керна ледопо-родного слоя, отвечающего требованиям прочности и водонепроницаемости;

- изучены закономерности тепломассопереноса в призабойной зоне скважины при подвижной границе фронта фазовых переходов в породе, позволившие получить приближенные аналитические зависимости для основных технологических параметров процесса: механической скорости бурения, теплофизических свойств и температур пород и промывочной среды - хладоносителя, расхода последней, глубины опережающего промерзания пород забоя и затрат энергии на их разрушение;

- разработаны и испытаны технические средства и основы технологии бурения и отбора керновых проб при разведке Кингисеппского месторождения фосфоритов, даны рекомендации по продолжению исследований в этом направлении.

7. На основе математического моделирования и анализа процессов тепломассопереноса в зоне забоя скважины установлена и экспериментально подтверждена связь между основными технологическими и конструктивными параметрами бурения контактным плавлением горных пород: тепловой мощностью нагревательного устройства, формой и площадью его рабочей поверхности, осевой нагрузкой на забой, теплофизическими свойствами, температурой пород и их расплавов, скоростью бурения. Разработан алгоритм, позволяющий найти распределение плотности теплового потока на рабочей поверхности нагревательного устройства, обеспечивающее заданную скорость бурения плавлением; с помощью сформулированного для исследуемого процесса понятия коэффициента полезного действия установлено существование оптимальной формы рабочей поверхности нагревателя, в частности, для нагревательных устройств с изотермической рабочей поверхностью оптимальной формой является параболическая.

8. Теоретически и экспериментально обоснованы и внедрены в практику гляциологических исследований комплекс технических средств и технология теплового способа бурения плавлением "сухих" скважин с отбором керна в снежно-фирновых и ледяных толщах термобуровыми снарядами на грузонесущем кабеле типа ТЭЛГА-14М и ТЭЛГА-152. На ст. Восток и в научных походах в Антарктиде пробурено с полным отбором керна более 6000 м "сухих" скважин, в том числе самая глубокая в мире "сухая" скважина, пройденная в низкотемпературном ледяном массиве до отметки 952,5 м.

9. Теоретически и экспериментально изучены вопросы обеспечения длительной устойчивости ствола скважины, пробуренной в ледяном массиве, обоснованы, разработаны и внедрены технические средства и технология бурения глубоких залитых жидкостью скважин в ледниках и ледниковых покровах, в том числе:

- методика расчета деформации ствола скважины в ледяном массиве в условиях изменяющихся с глубиной горного давления, температуры и реологических свойств льда;

- требования для выбора низкотемпературной заливочной жидкости и определения ее параметров при бурении скважин снарядами на грузонесущем кабеле;

- состав низкотемпературной заливочной жидкости на углеводородной основе для бурения глубоких скважин в центральной части восточной Антарктиды. и мероприятия для достижения. ее экологической безопасности;

- колонковые термобуровые снаряды на грузонесущем кабеле для залитых жидкостью скважин ТБЗС-152М, ТБЗС-152-2М, ТБЗС-132 и комплекс поверхностных сооружений, оборудования, аппаратуры, приборов и устройств для бурения и исследования глубоких скважин в низкотемпературном ледяном массиве;

- технологические режимы бурения плавлением глубоких залитых жидкостью скважин в ледниках и ледниковых покровах колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле;

- опытное бурение тепловым способом более 10000 м залитых жидкостью скважин с полным отбором керна в Арктике и в Антарктиде, в том числе самой глубокой в мире пробуренной этим способом скважины ЛЬ 5Г-1 на ст. Восток глубиной 2755 м.

10. Проанализированы первые результаты экспериментальных исследований по разработке и внедрению механического способа бурения скважин в ледниках и в подледниковых горных породах с помощью колонковых электромеханических снарядов на грузонесущем кабеле типа КЭМС-112, показана та перспективность и эффективность при бурении глубоких скважин в переходных от ледника к породам зонам и при внедрении в подледнико-вые породы.

11. Теоретически и экспериментально обоснован способ отбора газовой пробы из глубоких горизонтов ледяной толщи; разработан и успешно испытан в Арктике и в Антарктиде опытный образец скважинного газового пробоотборника СГПУ для отбора углекислого газа из воздушных включений глубоких горизонтов ледника с целью определения абсолютного возраста последних с помощью изотопного анализа углерода; отработаны технологические приемы обора газовой пробы и получены первые данные по датированию абсолютного возраста ледяных толщ.

12. На основе математического моделирования процесса контактного плавления скважин в средах с нелинейными тепло-физическими и реологическими характеристиками, к которым относится большинство горных пород и их расплавов, разработан

алгоритм численного расчета основных его технологических параметров; выполнен расчетный и графический анализ влияния характера изменений вязкости и теплопроводности расплава горных пород на распределение температуры, давления, составляющих вектора скоростей и суммарного тёплового потока в слое расплава под рабочей поверхностью нагревательного устройства.

13. В результате исследования и анализа математической модели образования остеклованного слоя на стенках скважины (керна) при бурении плавлением горных пород изучена динамика твердения расплава, позволившая обосновать выбор оптимальных размеров кристаллизатора-формователя бурового снаряда и разработать эффективный режим его охлаждения с целью получения заданной толщины остеклованного слоя, контроля и регулирования его характеристик и свойств.

14. Первоочередными задачами дальнейших исследований являются:

- совершенствование теоретических методов исследования гидродинамических и теплообменных процессов, определяющих эффективность бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород;

- разработка новых рецептур эффективных промывочных сред, методов и технических средств регулирования их основных технологических параметров для бурения скважин в мерзлых породах и льдах, с одновременным замораживанием слабосвязных пород и плавлением;

- совершенствование существующих и разработка новых конструкций термобуровых снарядов на грузонесущем кабеле как для бурения плавлением льда, так и горных пород, повышение эффективности и надежности работы их нагревательных устройств, систем удаления расплава из зоны забоя и формирования при застывании последнего на стенках скважины временного крепления;

- разработка методов и средств автоматизации и оптимизации бурения скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород термобуровыми и электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле;

- решения комплекса научно-технических задач, связанных с практическим внедрением разрабатываемых технологий и тех-

нических средств бурения скважин и с расширением области их эффективного применения.

В целом, результаты проведенных исследований отражают попытку рассмотреть в комплексе - теоретически, экспериментально и практически; - основные составляющие явлений, процессов и технологий, определяющие специфику и особенности бурения и опробования скважин в условиях изменения агрегатного состояния проходимых горных пород. Практическая направленность работы связана в каждом конкретном случае с постановкой и исследованием математической модели характерного явления или процесса для обоснования эффективных решений прикладных технических и технологических задач бурения скважин в мерзлых породах, с одновременным замораживанием проходимых горных пород, плавлением в ледяных массивах и в горных породах. Результаты исследований внедрены при разработке новых технических средств и технологий бурения, а также при практическом бурении скважин для проведения геологоразведочных работ, инженерных изысканий и гляциологических исследований.

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в следующих работах:

Монографии, брошюры, статьи

1. Тепломаесоперенос при контактном плавлении. - Казань: Изд. Казан. ун-та, 1984. - 176 с. (Соавторы: Саламатой А.Н., Фомин С.А., Чугунов В.А.).

2. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. - Л.: Недра, JI.O., 1991. - 295 с. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Лит-виненко B.C.).

3. Бурение скважин тепловым способом в ледниковом покрове Антарктиды// Обзор ВИЭМС. - "Техн. и технол. геол.-развед. работ; орг. производства", - М.: ВИЭМС, 1977. - 58 с. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Бобин Н.Е.).

4. Математическое моделирование процессов тепломассопереноса при бурении скважин. - Л.: ЛГИ, 1988. - 107 с. (Соавтор Чугунов В.А.).

5. Бурение скважин в снежно-фирновых и ледовых толщах за рубежом/ Техн., технол. и орган, геол.-развед. работ: Обзор. - М.: ВИЭМС, 1991. - 57 с. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Талалай П.Г.).

6. Исследование процесса бурения с одновременным замораживанием влагонасыщенного песка. В сб. "Новые исследования в геололш", - JI.: ЛГИ, 1969. - G. 237-246.

7. Принципы расчета параметров бурения с одновременным замораживанием проходимых пород// Зап. ЛГИ. - 1969. - Т.57. - Вып. 2. - С. 70-79. (Соавтор Кудряшов Б.Б.).

8. Эффективный способ повышения выхода и качества керна в мерзлых породах// Зап. ЛГИ. - 1969. - Т.57 - Вып. 2 - СЛОЗ - 109. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Коваленко В.И. и др.).

9. Оценка экономической эффективности применения продувки охлажденным воздухом при колонковом бурении// Зап. ЛГИ. - 1969. - Т.57. -С. 139-141. (Соавторы: Головкин A.B., Коваленко В.И.).

10. Приближенное решение задачи о промерзашш пород забоя при бу-решш скваяшн/ Тез. докл. Всес. конф. "Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Севера". - Л.: ЛГИ. - 1970. - С. 43-44.

11. К определению коэффициента теплоотдачи в призабойной зоне бурящейся скважине// Проблемы разработки месторождений полезных ископаемых Севера. - Л.: ЛГИ. - 1972. - С. 96-98. (Соавтор Кудряшов Б.Б.).

12. Теплообменные процессы в призабойной зоне бурящейся скважине/ Тез. докл. Всес. конф. "Проблемы горной теплофизики". - Л.: ЛГИ. - 1973. -С. 19-21.

13. Теория и практика бурения-протаиваиия в Антарктиде// Материалы гляц. иссл.. Хроника, обсуждения. - М., 1973. - Выл. 22. - С. 71-77. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Бобин Н.Е. и др.).

14. О повышении качества опробования на основе бурения с замораживанием (применительно к месторождениям фосфоритов Эстонии и Ленинградской обл.)// Зал. ЛГИ. - 1973. - Т.66. Вып. 1. - С. 72-78. (Соавторы Афанасьев И.С., Береснева Д.И.)

15. Осложнения и аварии при глубоком бурении-протаивании, их ликвидация и предупреждение// Антарктика. - М.: Наука, 1974. - Вып. 13. - С. 161-166. (Соавторы: Фисенко В.Ф., Бобин Н.Е. и др.).

16. Результаты исследований и разработок по глубокому буреншо-про-таиванию во льдах Антарктиды. В сб. "Физические процессы горного производства". - Л.: ЛГИ. - 1975. - Вып. 1. - С. 11-116. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Вартыкян В.Г.).

17. Экспериментальный стенд для исследования устойчивости ствола скважины при бурении в ледниковом покрове/ Зап. ЛГИ. - 1976. - Т.71. -Вып.2. - С. 42-45. (Соавтор Пашкевич В.М.).

18. Исследование влияния формы нагревателя на скорость бурения-плавления горных пород/ Зап. ЛГИ. - 1976. - Т.71. Вып. 2. - С. 59-68. (Соавтор Чугунов В.А.).

19. Особенности теплообмена и регулирование температуры при бурении в многолегнемерзлых породах// Нефтяное хозяйство. - 1976. - № 3. - С. 13-17. (Соавторы: Дядьюш Ю.Д., Кудряшов Б.Б.).

20. Основные направления борьбы с осложнениями при разведочном бурении в условиях Северо-Востока. В сб. "Техническая политика СВТГУ на X пятилетку в области геологоразведочного производства. - Магадан, 1976. - С. 80-88. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Яковлев А.М.).

21. Термобуровой снаряд для получения ориентированного ледяного керна// Инф. бюлл. САЭ. - Л., 1977. - № 94. - С. 6062. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Вартыкян В.Г.).

22. Исследование процесса бурения плавлением горных пород. В сб. "Физические процессы горного производства. - Л.: ЛГИ.- 1977. - Вып. 4. - С. 97-103. (Соавтор Чугунов В.А.).

23. Совершенствование технологии бурения и отбора проб в мерзлых породах и льдах// Общее мерзлотоведение. - Материалы 3-й Межд. конф. по мерзлотоведению. - АН СССР. - Новосибирск: Наука, 1978. - С. 112-123. (Соавтор Кудряшов Б.Б.).

24. Исследование влияния формы поверхности нагревателя на скорость бурения-плавлешм горных пород. В сб. "Физические процессы горного производства". - Л.: ЛГИ, 1978. - С. 123-127. (Соавторы: Соловьев Г.Н., Фомин С.А.).

25. О влиянии формы рабочей поверхности термобура на показатели бурения льда проталваш»ем. В сб. "Исследования по прикладной математике". -Казань: КГУ, 1979, вып. 7. - С. 117- 130. (Соавторы: Пудовкин М.А., Салама-тин А.Н., Фомин С.А.).

26. Анализ тепломассообмена при колонковом бурении скважин плавлением// Антарктика. - М,: Наука. 1979. - Вып. 18. - С. 106-112. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Саламатин А.Н.).

27. Исследование устойчивости ствола глубокой скважины в ледовом массиве/ Зап. ЛГИ, 1981. - Т.86. - С. 16-21. (Соавтор Пашкевич В.М.).

28. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния проходимых пород/ Зап. ЛГИ, 1981. - Т.86. - С. 71-75. (Соавтор Пашкевич В.М.).

29. Теоретический анализ и экспериментальные исследования деформации стенок ствола скважины в ледовом массиве// Антарктика. - М.: Наука, 1981. - Вып. 20. - С. 135-143. (Соавторы: Саламатин А.Н., Дмитриев Д.Н., Пашкевич В.М.).

30. Бурение-плавление горных пород/ Зап. ЛГИ, 1982. - Т.93. - С.

31. О разработке специальных буровых растворов для бурения ледникового покрова Антарктиды/ Зап. ЛГИ, 1982. Т.93. - С. 72-78. (Соавтор Пашкевич В.М.).

32. The results and future prospects for development of ice core drilling equipment and technology// Third symposium SCAR, Leningrad, 1982. - Part 3, pp. 574-583. (Co-authors: Kudryashov B.B., Morev V.A.).

33. Бурение ледникового покрова Антарктиды тепловым способом. В сб. "25 лет Советской антарктической экспедиции" - Л.: Гидрометеоиздаг, 1983. - C.I49-158. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Морев В.А.).

34. Особенности технологии буреюш-плавлешш глубоких залитых низкотемпературной жидкостью скважин в центральных районах Антарктиды. В сб. "Физические процессы горного производства". Л.: ЛГИ, 1983. - С. 59-68. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Бобин Н.Е., Шкурко A.M.).

35. Математическое описаиие и расчет процесса контактного плавления// Инженерно-физический журнал. - Минск, 1984. - Т.Х1. № 3. - С. 439445. (Соавторы: Саламатин А.Н., Фомин С.А., Чугунов В.А.).

36. Скважинный газовый пробоотборник дяя изучения абсолютного возраста ледовых толщ с помощью изотопного углеродного анализа// Антарктика. - М.: Наука, 1984. - Вып. 23. - С. 72-78. (Соавторы: Земцов А.А., Кудряшов Б.Б., Шкурко A.M.).

37. Проблемы бурения глубоких скважин в цетральных районах Антарктиды// Материалы гляц. иссл.. - М, 1984. Вып. 51. - С. 168-172. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Бобин Н.Е.)

38. Экспериментальные исследования скважинных устройств доя отбора газовых проб с глубоких горизонтов ледовых толщ. В сб. "Физические процессы горного производства". - Л.: ЛГИ, 1984. - С. 120-126. (Соавторы: Земцов А.А., Шкурко A.M.).

39. Preliminary results of deep drilling at Vostoc Station Antarctica 19811982. CRREL Spec. Rep., 1984, 84-34, pp. 123-124. (Co-authors: Rudryashov B.B., Zagrivny E.A., Liponkov V.Y.).

40. Selection of low temperature filler for deep holes in Antarctica ict sheet. CRREL Spec. Rep., 1984, 84-34, pp. 137-138. (Co-authors: Kudryashov

B.B., Pashkevich V.M., Petrov V.N.).

41. Математическая модель процессов тепломассопереноса при бурении горных пород плавлением/ Зал. ЛГИ, 1985. Т.105. - С. 86-93.

42. Обоснование методики экспериментальных исследований электротеплового способа бурения/ Зал. ЛГИ, 1985. - Т.105. С. 94-97. (Соавторы: Лит-виненко B.C., Бродов Г.С.).

43. Об оптимальном распределении температуры на рабочей поверхности термобура при бурении плавлением// Проблемы Арктики и Антарктики. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. - Вып. 59. С. 11-113. (Соавтор Фомин С.А.).

44. Бурение скважин в ледниках и подледниковых породах колонковыми электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле. В сб. "Пути повышения эффективности алмазного бурения". - Л.: ВИТР, 1986. - С. 106115. (Соавторы: Васильев Н.И., Кудряшов Б.Б.).

45. Исследование процесса формирования стенок скважины при бурении плавлением. В сб. "Создайте и совершенствование съемного инструмента для геологоразведочного бурения". - Л.: ВИТР, 1986. - С. 105-114. (Соавторы: Литвиненко B.C., Чугунов В.А.).

46. Исследование процесса формирования каверны в ледовом массиве для отбор пробы жидкости или газа// Антарктика. - М.: Наука. - Вып. 26. -

C. 107-112. (Соавторы: Чугунов В.А., Земцов А.А.).

47. Экспериментальные буровые работы на Северной Земле В 1975 -1985 гг. В сб. "ГепгтеиЪичтгие и гляциологические шглеловатгия в поляпных

странах". - Л.: Гидрометеотодат, 1988. - С. 33-42. (Соавторы: Шкурко A.M., Земцов А.А. и др.)

48. Обеспеченно устойчивости ствола скважины при глубоком бурении в ледниковых покровах// Антарктика. - М.: Наука, 1989. - Вып. 28. - С. 39-50. (Соавтор Пашкевич В.М.).

49. Особенности технологии бурения скважш* в условиях изменения агрегатного состояния горных пород/ Тез. докл. Ме:к,\уиар. снмп. по бурению разв. скв. в осложн. усл.. - Л.: ЛГИ, 1989. - С. 73.

50. Оценка достоверности приближенного решения задачи о скорости бурения горных пород плавлением. В сб. "Физические процессы горного производства. - Л.: ЛГИ, 1990. - С. 44-48. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Литвинен-ко B.C.).

51. Бурение скважин с отбором керна электромеханическими снарядам! на грузонесущем кабеле в ледниках и в подледннковых породах// Матер, гдя-циод. иссл. - М., 1991. - Вып. 71. - С. 165-170. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Васильев Н.И., Тала лай П.Г.).

52. Core drilling by electromtchanical drill. Polar Record, 1993, v7, No.179, pp. 235-237. (Co-authors: Vasilvev N.I., Kudryashov B.B., Talalay P.G.).

53. Behavior of a deep hole drilled in ice at Vostoc Station. Memoris of National Institute of Polar Research (Japan). - 1994. - Spec. Issue No.49, pp. 247-255. (Co-authors: Krasilev A.V., Lipenkov V.Y., Balestrieri J.Ph., Rado C.and Petit J.R.).

Авторские свидетельства:

54. Газоотборник. A.c. № 945720, 1982, БИ № 27. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Пуннинг Я.-М. К.н др.).

55. Промывочная жидкость для бурения скважин в ледовых отложениях. А.с. ЛЬ 992562, 1983, БИ 4. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Пашкевич В.М.).

56. Устройство для получеши пробы газа. А.с. № 1019267, 1983, БИ № 19. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Шкурко A.M. и др.).

57. Способ получения пробы газа из ледяного массива. А.с. № 10780486, 19846 БИ Ло 9. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Щкурко A.M. и др.).

58. Коронка для бурения-плавления льда. А.с. ЛЬ 1109513, 1984, БИ ЛЬ 31. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Соловьев Г.Н. и др.)

59. Устройство для получения пробы газа из ледяного массива. А.с. ЛЬ 1126689, 1984, БИ № 44. (Соавторы: Цыганков О.А., Мигин С.В. и др.).

60. Устройство для электротермического бурения-плавления скважин во льду с отбором керна. А.с. Л& 1149670, 1985, БИ № . (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Шкурко A.M., Земцов А.А.).

61. Устройство для получения пробы газа. А.с. Ла 1142754, 1985, БИ ЛЬ 8. (Соавторы: Митин С.В., Цыганков О.А.).

62. Способ получения пробы газа из ледяного массива. A.c. № 1201716, 1985, БИ Ла 48. (Соавторы: Мигни C.B., Цыганков O.A.).

63. Буровой снаряд. A.c. ЛЬ 1314053, 1987, БИ № 20. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Соловьев Г.Н., Литвиненко B.C.).

64. Колонковый электромеханический буровой снаряд. A.c.

№ 1472613, 1989, БИ № 14. (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Васильев Н.И., Уфа-ев В.В.).

65. Устройство для электротермического бурения твердых сред плавлением. A.c. № 1475187, 1989, БИ № 15 (ДСП). (Соавторы: Кудряшов Б.Б., Соловьев Г.Н., Литвиненко B.C.).

66. Устройство для электротермического бурения-плавления скважин во льду. A.c. № 1513981, 1990, БИ № 37. (Соавторы: Земцов A.A., Кудряшов Б.Б., ШкуркоА.М.).

67. Буровой снаряд. A.c. № 1716067, 1992, БИ JSq 8. (Соавторы: Васильев Н.И., Талалай П.Г.).

68. Буровой снаряд. A.c. № 1761934, 1992, БИ № 34. (Соавтор Талалай П.Г.).