автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Научно-методические основы оптимизации качества буровых промывочных жидкостей

РГ Б ОД

Ч с А1:г Иьд

На правах рукописи

ЧУБИК ПЕТР САВЕЛЬЕВИЧ

НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА БУРОВЫХ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

Специальность 05.15.14 «Технология и техника геологоразведочных работ»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск - 2000

Работа выполнена в Томском политехническом университете Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ошкордин Олег Владимирович доктор технических наук, доцент Рожков Владимир Павлович доктор технических наук, профессор Яковлев Ариан Михайлович

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский

институт методики и техники разведки (ВИТР)

Защита состоится 5 апреля.2000 года в 14 часов в 111 аудитории 1 корпуса на заседании диссертационного совета Д 063.80.08 при Томском политехническом университете по адресу: 634034, Россия, г. Томск, пр. Ленина, 30.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан 29 февраля 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационногоЛ.А.Саруев

Ц1 37.030.1 'Я,О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Повышение эффективности буровых работ, характерной чертой которых является высокая капиталоемкость, всегда было одной из приоритетных задач нашего общества. Сегодня, в связи с кризисными явлениями в экономике России, эта задача стала еще более актуальной.

Собственно бурение скважин, как известно, заключается в разрушении горных пород на забое, удалении продуктов разрушения с забоя на поверхность, спуске и подъеме бурового снаряда.

Самый распространенный способ удаления продуктов разрушения - гидравлический, который осуществляется путем принудительной циркуляции в скважине жидкости, называемой промывочной (ПЖ). Однако роль ПЖ не сводится только к удалению из скважины разрушенной породы. Как среда, в которой протекают практически все процессы, связанные с бурением скважин, она во многом определяет степень использования потенциальных возможностей и ресурс работы бурового оборудования и инструмента, механическую скорость бурения, вероятность возникновения различного рода осложнений (нарушений устойчивости горных пород в околоствольном пространстве скважин, поглощений, флюидопроявлений и т.д.); качество вскрытия продуктивных пластов, качество геологической и геофизической информации, затраты всех видов ресурсов и др. Не случайно ПЖ называют «кровью» скважины.

В силу многокомпонентное™, многофункциональности и многообразия свойств ПЖ является чрезвычайно сложной системой. Ее сложность обусловлена и другими факторами. В частности, ввод в ПЖ различных химических реагентов делает ее химической продукцией, представляющей потенциальную опасность для окружающей природной среды (ОПС). Отличительной особенностью ПЖ является и очень короткий «жизненный цикл», в конце которого она, как правило, вся превращается в чуждые для ОПС отходы, загрязнив при этом транспортируемую на поверхность разрушенную горную породу (РПП), а нередко, в результате ухода в поглощающие пласты, и недра.

Анализ показывает, что объемы сверхнормативных буровых отходов, а также вероятность повышении экотоксичности ПЖ в процессе бурения, под которой понимают ее токсичность по отношению к биологическим объектам ОПС, в значительной мере определяются функциональными свойствами ПЖ.

Таким образом, в данном случае подход к достижению технократических целей: бурить быстрее, лучше, дешевле и гуманистических целей: минимизировать объемы отходов и их экотоксичность, общий - оптимизация качества ПЖ, в основе которой лежит возможность его всесторонней количественной оценки.

К сожалению, при всей важности этой задачи многие предпосылки для хотя бы удовлетворительного ее решения пока отсутствуют. Достаточно сказать, что о качестве ПЖ до сих пор судят по весьма ограниченному числу показателей (плотности, условной вязкости, показателю фильтрации, статическому напряжению сдвига и водородному показателю). Показатели же других, не менее важных и реально существующих свойств, из рассмотрения исключают, поскольку отсутствуют узаконенные методики их определения, нет единого подхода к комплексной (обобщенной) количественной оценке качества ПЖ и не существует какой-либо

иной, кроме умозрительной, процедуры выбора их наиболее предпочтительных компонентных и долевых составов. В результате рассматриваемая область знания развивается преимущественно экстенсивно, т.е. через лавинообразное увеличение числа предлагаемых к использованию рецептур ПЖ, а не через целенаправленное повышение их качества на основе эффективного использования имеющихся материальных ресурсов.

Данная работа направлена на ликвидацию обозначенных выше проблем. Так, в ней впервые ПЖ рассмотрены с позиций системного анализа и квалиметрии -науки о количественной оценке качества; предложены новые методы определения не только ряда их функциональных, но и экологических свойств; обобщены подходы к регламентированию значений показателей этих свойств; разработаны оригинальные методики и алгоритмы проектирования и оптимизации составов ПЖ, в том числе с использованием современных информационных технологий.

В своих исследованиях автор опирался на труды таких известных отечественных и зарубежных специалистов в области ПЖ, как Аветисов А.Г., Аветисян Н.Г., Агабальянц Э.Г., Ангелопуло O.K., Баранов B.C., Белкин O.K., Булатов А.И., Вой-тенко B.C., Гайдуков Ю.И., Глебов В.А., Городнов В.Д., Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г., Дедусенко Г.Я., Демихов В.И., Евецкий В.А., Есьман Б.И., Жигач К.Ф., Жуховиц-кий С.Ю., Зарипов С.З., Иванников В.И., Ивачев Л.М., Кистер Э.Г., Конесев Г.В., Косаревич И.В., Круглицкий H.H., Крысин Н.И., Кудряшов Б.Б., Леонов Е.Г., Лип-кес М.И., Литяева З.А., Мавлютов М.Р., Маковей Н., Мамаджанов У.Д., Марамзин

A.B., Мариампольский H.A., Мирзаджанзаде А.Х., Михеев В.Л., Паус К.Ф., Пеньков А.И., Проселков Ю.М., Ребиндер П.А., Резниченко И.Н., Ржепка A.B., Роджерс

B.Ф., Рябченко В.И., Рязанов Я.А., Сеид-Рза М.К., Сидоров H.A., Фигурак A.A., Филатов Б.С., Шарипов А.У., Шептала Н.Е., Шищенко Р.И., Щеголевский Л.И., Яковлев A.M., Ятров С.Н. и др.

Идея работы заключается в интенсификации развития теории и практики квалиметрии, оптимизации качества н экологизации ПЖ за счет создания современного научно-методического, приборного и программного обеспечения, пригодного для решения как научно-исследовательских, так и производственных задач.

Цель работы - расширение, углубление, систематизация (упорядочивание) представлений о ПЖ и разработка научно - методических основ оптимизации их качества, обеспечивающих повышение эффективности и экологической безопасности буровых работ.

Задачи исследований. В результате анализа современных представлений о квалиметрии и системного анализа ПЖ как объекта квалиметрии установлено, что для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически и экспериментально обосновать общую совокупность свойств и показателей, необходимых и достаточных для всесторонней оценки качества ПЖ;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать принципиально новые и усовершенствовать существующие методы и технические средства измерения показателей важнейших функциональных, а также экологических и других свойств ПЖ, всесторонне характеризующих их качество;

- изучить, обобщить и обосновать наиболее перспективные пути решения экологических проблем, связанных с использованием ПЖ;

- исследовать факторы, определяющие объемы основных буровых отходов и

интоксикацию ГШ в процессе бурения, и на этой основе разработать методику оценки уровня экотехнологии промывки (бурения) скважин;

- разработать общие принципы, критерии и алгоритмы комплексной (обобщенной) оценки и оптимизации качества ПЖ;

- разработать минимально трудоемкую технологию проектирования ПЖ и программное обеспечение для автоматизированного выбора их оптимальных составов;

- создать научно-методические основы отраслевого (межотраслевого) методического руководства по оценке и оптимизации качества ПЖ.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использованием комплекса методов, включающего в себя методы эмпирического уровня (сравнение, измерение, метод проб и ошибок), методы экспериментально - теоретического уровня (эксперимент, в том числе активный; анализ и синтез, аналогия и моделирование, гипотетический и логический методы), методы теоретического уровня (абстрагирование, формализация, анализ и синтез, обобщение) и методы метатео-ретического уровня (системный анализ).

Обработка экспериментальных данных, а также их статистический и корреляционно-регрессионный анализ осуществлялись с помощью ПЭВМ с использованием пакета стандартных и разработанных автором программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании методологии целенаправленного повышения качества ПЖ, обеспечивающей возможность сравнивания различных ПЖ между собой; выбора из них наиболее предпочтительных; объективной оценки достигнутого технического уровня разработки ПЖ; определения наиболее рациональных путей совершенствования их качества; выявления характера и степени влияния на него различных факторов; сокращения номенклатуры компонентов ПЖ до некоторого рационального минимума и т.д., в основу которой положено следующее:

- количественная оценка качества ПЖ как мера соответствия фактических значений показателей их регламентируемых свойств эталонным значениям, задаваемым для конкретных условий бурения исходя из требований эффективного выполнения ПЖ необходимых функций, рационального расходования ресурсов на ее приготовление и эксплуатацию, безопасности труда, охраны ОПС;

- всесторонняя оценка качества ПЖ на стадии ее проектирования по всей совокупности функциональных свойств, включающей в себя помимо традиционно используемых реологические и триботехническме свойства, ингибирующую, консолидирующую и закупоривающую способность, определяемые по разработанным под руководством автора методикам;

- комплексная (обобщенная) оценка качества ПЖ, формируемая как среднее геометрическое частных функций желательности значений показателей свойств, однозначность и объективность которой достигаются с помощью оригинальной методики расчета частных функций желательности;

- оценка экотоксичности ПЖ с помощью специально разработанного инструментального биотеста;

- оценка уровня экотехнологии промывки скважин и технологии их бурения в целом по величине отношения суммы ущерба, причиняемого ОПС буровыми отходами, к номинальному плановому объему горной породы, разрушаемой в процессе

бурения;

- постоянное совершенствование трудно формализуемой процедуры регламентирования, заключающейся в установлении образцово правильных (желательных) пределов изменения значений показателей свойств ПЖ для конкретных геолого-технических условий бурения;

- создание и постоянное пополнение компьютерного банка технических характеристик, представляющих собой получаемую по минимальному числу опытов информацию, характеризующую связь значений показателей свойств ПЖ различного компонентного состава с концентрацией составляющих их компонентов;

- применение информационных технологий (автоматизированных систем), обеспечивающих оперативный выбор из компьютерного банка технических характеристик ПЖ таких их компонентных и долевых составов, которые максимально удовлетворяют требованиям задаваемого регламента на значения показателей свойств.

Практическая ценность работы заключается в создании приборно - методического комплекса для проектирования ПЖ применительно к сложным геолого-техническим условиям бурения; инструментальной методики оценки экотоксично-сти ПЖ, их компонентов и отходов бурения путем биотестирования; автоматизированного рабочего места (АРМ) «Раствор» для оперативного выбора оптимальных составов ПЖ по задаваемым пользователями технологически необходимым значениям показателей свойств, а также основы отраслевого (межотраслевого) методического руководства по проектированию, оценке и оптимизации качества ПЖ в виде опубликованной по результатам исследований монографии «Квалиметрия буровых промывочных жидкостей».

Реализация результатов исследований:

- опытные образцы разработанных приборов для оценки ингибирующей и консолидирующей способности ПЖ (ПОИКС, пресс для формирования модельных образцов пород), закупоривающей способности наполнителей (ПНД, ППД) н три-бометра изготовлены в экспериментально-опытных мастерских ТПУ; техническая документация на перечисленные приборы передана Ижевскому электромеханическому заводу для проведения маркетинговых исследований;

- созданный приборно-методический комплекс для проектирования ПЖ апробирован в процессе разработки компьютерного банка технических характеристик ПЖ для бурения скважин на объектах работ ОАО «Томскнефтегазгеология»; первая версия АРМ «Раствор» со сформированным банком данных внедрена в практику работ ОАО «Томскнефтегазгеология»; выбранные из этого банка оптимальные составы ПЖ внедрены в Александровской НГРЭ, где за период с 1993 по 1999 г.г. с их использованием пробурено 27 скважин, что обеспечило рост механической скорости бурения с 0,7 до 1,2+1,3 м/ч; увеличение проходки на породоразрушающий инструмент с 5,2 до 6,5+6,8 м; снижение коэффициента кавернозности ствола с 1,10 до 1,024-1,03;

- монография «Квалиметрия буровых промывочных жидкостей» распространена среди вузов стран СНГ, осуществляющих подготовку специалистов по бурению скважин: научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием ПЖ, а также производственных организаций Министерства природных ресурсов и Минтопэнерго Российской Федерации;

- СТП 5753526-056-94 «Методика оценки показателей реологических свойств ' буровых растворов» и компьютерная программа «Реология» в 1994 г. внедрены и по настоящее время используются в практике работ ООО «Бурение-1»;

- разработанный способ определения токсичности химических веществ в водной среде (патент РФ № 2112977) в 1997 г. прошел апробацию в Испытательном научно-производственном центре «Том-Аналитика» при ТПУ и внедрен в практику мониторинга подземных и поверхностных вод, осуществляемого территориальным центром «Томскгеомониторинг»;

- научные и практические результаты исследований используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Удаление продуктов разрушения при бурении», «Буровые промывочные и тампонажные растворы», «Химия промывочных жидкостей» и «Научные методы планирования экспериментов в бурении» для студентов специальностей 080700 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» и 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин», подготовке студентами этих специальностей выпускных квалификационных работ, а также для подготовки аспирантов по научным специальностям 05.15.14 «Технология и техника геологоразведочных работ» и 05.15.10 «Бурение скважин».

Исходные материалы и личный вклад соискателя. Диссертация базируется на материалах, полученных в результате НИР, выполненных по хоздоговорам с ПГО «Новосибирскгеология», «Запсибгеология», «Востказгеология», «Томск-нефтегазгеология»; трестом «Кузбассуглеразведка», специализированным управлением «Томскбурнефть» ОАО «Томскнефть»; по госбюджетным программам «Прогресс и регион», «Нефтегазовые ресурсы Западной Сибири» и грантам в области геологии, а также на инициативной основе (№№ госрегистрации 76002450, 80060498, 01830018705, 01830069726, 01870007178, 01900066522, 01930005260, 01930010612, 01940005677 и др.). В большей части перечисленных НИР автор выступал в качестве научного руководителя. При выполнении диссертационной работы кроме собственных материалов использованы и заимствованные материалы, опубликованные как в отечественной, так и в зарубежной печати.

Лично соискателю принадлежат практически все реализованные в диссертационной работе научные и технические идеи, им разработаны методики планирования экспериментов и обработаны их результаты, проведены теоретические исследования, обоснованы математические модели, разработаны алгоритмы решения задач и др. Автор лично участвовал в проведении экспериментальных исследований, в лабораторной апробации разработок (методик, приборов, СТП, АРМ), а также в их внедрении в практику работ буровых предприятий и научно - исследовательских организаций.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались та Всероссийских научно - технических конференциях «Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин» (Томск, 1979, 1984, 1989, 1994, 1999); отраслевом семинаре «Творчество молодежи - Томской нефти» (Стрежевой, 1986); V краевой молодежной конференции НТО «Горное» (Шушенское, 1987); IV региональной научно-технической конференции «Научные и практические проблемы геологоразведки» (Санкт-Петербург, 1990); Всесоюзной конференции «Оптимизация бурения сква-

жин в осложненных условиях» (Донецк, 1991); 2, 3 и 4 Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1992, 1995, 1998); научной конференции, посвященной 100 - летию со дня рождения Ф.А.Шамшева (Санкт-Петербург, 1993); Межреспубликанской научной конференции «Проблемы физико-химии и технологии дисперсных систем в бурении» (Екатеринбург, 1994); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1995); научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях» (Донецк, 1996); 3 Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997); III Международной конференции по химии нефти (Томск, 1997); НТС ПГО «Запсибгеология» (Новокузнецк), «Востказгеология» (Усть-Каменогорск), «Томскнефтегазгеология» (Томск), Рудно - Алтайской ГРЭ (Змеино-горск), научных семинарах кафедр техники разведки месторождений полезных ископаемых и бурения нефтяных и газовых скважин ТПУ.

Разработки по теме диссертации экспонировались на выставке-ярмарке «Товары народного потребления, промышленная и научно-техническая продукция» (Томск, 1993); выставке, посвященной 100 - летию ТПУ (Томск, 1996); Первой международной специализированной выставке «Газ. Нефтехимия. Топливная энергетика» (Томск, 1997); выставке-ярмарке «Интеграция-97» (Томск, 1997); выставке-ярмарке научно-технической продукции и учебно - методических разработок, посвященной 50 - летию УГНТУ (Уфа, 1998); выставке «Интеграция науки, образования, производства», посвященной XXXII заседанию Совета Межрегиональной Ассоциации «Сибирское соглашение» (Томск, 1999). Они также включены в сборник научно-технических достижений ученых ТПУ, базу инвестиционно - привлекательных проектов ТПУ и во второй выпуск каталога научно-технических достижений организаций высшей школы России.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе монография, 2 брошюры, 2 учебных пособия, 21 статья, тезисы 10 докладов, стандарт предприятия (СТП); получено 1 авторское свидетельство и 5 патентов на изобретения, а также 2 свидетельства на полезные модели.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 370 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 66 таблиц и состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 159 наименований и 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации; излагаются идея, цель, задачи и методика исследований; формулируются научная новизна, основные защищаемые положения и практическая ценность работы; приводится информация о реализации результатов исследований, исходных материалах, личном вкладе автора, об апробации (обсуждении) диссертационной работы, ее объеме и структуре.

В первой главе даются общие понятия о квалиметрии, обосновывается актуальность количественной оценки и повышения качества ПЖ как промышленной

продукции, рассматриваются свойства и классификация продукции как объекта квалиметрии, приводится обзор существующих показателей и методов оценки качества, излагается сущность системы управления качеством, дается оценка современного состояния области знания о ПЖ и на основе системного анализа - их характеристика как объекта управления, формулируются основные проблемы квалиметрии и оптимизации качества ПЖ.

Во второй главе анализируются современное состояние и проблемы рео-метрии ПЖ и приводятся результаты исследований по обоснованию комплекса показателей для оценки их реологических свойств; описывается сущность ингиби-рующих, диспергирующих, консолидирующих свойств ПЖ и дается критический анализ наиболее широко используемых показателей и методик их оценки; освещается роль триботехнических свойств ПЖ в повышении эффективности буровых работ и недостатки существующих трибометров; рассматриваются потенциальные возможности изоляции каналов поглощения ПЖ вводом в них закупоривающих материалов (наполнителей), критически анализируются известные методики испытаний закупоривающих материалов, излагается суть разработанной методики оценки закупоривающей способности и основные результаты ее экспериментальной апробации; приводятся результаты теоретических, экспериментальных исследований и опытно-конструкторских работ по созданию приборно-методического комплекса для проектирования ПЖ применительно к бурению скважин в сложных геолого-технических условиях.

В третьей главе рассматриваются существующие и новые подходы к измерению и регламентированию значений основных показателей функциональных свойств ПЖ: плотности, условной вязкости, показателя статической и динамической фильтрации, проницаемости фильтрационной корки, статического напряжения сдвига, водородного показателя и удельного электрического сопротивления.

В четвертой главе обосновывается актуальность и анализируются пути экологизации ПЖ, приводится обзор существующих биотестов с позиций их пригодности для оценки экотоксичности ПЖ, рассматривается сущность разработанной методики инструментального биотестирования ПЖ и их компонентов, а также результаты ее экспериментальной апробации; излагаются научно - методические основы оценки уровня экотехнологии промывки скважин и описывается алгоритм расчета объемов основных отходов бурения.

В пятой главе анализируются недостатки существующих методик и излагается суть предлагаемой методики проектирования и обобщенной оценки качества ПЖ; описываются алгоритм оптимизации качества ПЖ, структура и возможности АРМ «Раствор».

В заключении приводятся основные выводы и рекомендации.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам ТПУ, принимавшим участие в выполнении данной работы, дававшим конструктивные советы, благожелательно критиковавшим автора и оказывавшим ему поддержку в организации и проведении исследований, и персонально - доцентам кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Годунову Е.Б. и Брылину В.И., ассистенту кафедры бурения нефтяных и газовых скважин Нечаевой Л.Н., доцентам факультета автоматики и вычислительной техники Воловоденко В.А. и Вылегжанину О.Н. - за активную помощь в проведении экспериментальных

исследований, конструировании приборов, разработке алгоритмов и компьютерных программ; а также инженерно-техническому персоналу производственных организаций за содействие в апробации разработок и их внедрении в практику бурения.

Автор особо благодарен своему учителю профессору Сулакшину С.С., который не только инициировал его интерес к проблемам повышения качества ПЖ, но и способствовал выполнению данной работы ценными консультациями, своей энергией и просто человеческой доброжелательностью.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Положение I. Переход от экстенсивного к интенсивному развитию области знания о промывочных жидкостях базируется на количественной оценке их качества, являющейся мерой соответствия фактических значений показателей свойств промывочных жидкостей эталонным значениям, которые должны устанавливаться для конкретных условий бурения с позиций эффективного выполнения промывочной жидкостью требуемых функций, обеспечения безопасности обслуживающего персонала и недопустимости вредных воздействий на окружающую природную среду.

В соответствии с Международным стандартом (ISO) 8402:1994 «качество - это совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности». Данное определение в полной мере относится и к ПЖ, характеристиками которой являются значения показателей ее свойств, определяющие способность и эффективность выполнения ею своих функций.

Известные к настоящему времени функции ПЖ можно разделить на основные, которые она обязана выполнять в любых условиях, и дополнительные, обязательность выполнения которых определяется геолого - техническими условиями бурения. Нередко последние таковы, что ПЖ обязана выполнять все, без исключения, основные и дополнительные функции. При этом в любых условиях ПЖ должна удовлетворять еще и целому ряду требований. Требования, предъявляемые к ПЖ, являющейся системой, и ее дополнительные функции, определяются окружающей промывочную жидкость средой, и, прежде всего, геолого - техническими условиями бурения скважины или ее отдельного интервала, которые, как подсистема включают в себя следующие подподсистемы:

1) подподсистему геологических элементов - минералогический состав разбуриваемых горных пород и их физико-технические свойства, степень и состав минерализации подземных (поровых) вод, градиент пластового давления, градиент гидроразрыва пластов, геотермический градиент и др.;

2) подподсистему технических элементов - способ бурения, глубина скважины (интервала залегания разбуриваемых пород), диаметр скважины, зенитный и азимутальный углы скважины, зазор между бурильными трубами и стенками скважины, техническое состояние бурильных труб и др.;

3) подподсистему технологических элементов -параметры режима бурения, тип породоразрушающего инструмента, механическая скорость бурения; величина проходки за рейс и др.

В мировой практике 95 % всего объема буровых работ выполняется с использованием ПЖ на водной основе. В качестве ПЖ чаще всего используют суспензии, дисперсная фаза которых представлена глиной, существенно реже мелом, торфом, сапропелем и др. Для придания ПЖ требуемых свойств на этапе приготовления, регулирования (регенерации) свойств ПЖ в процессе бурения, а также защиты их от воздействия высоких и низких температур, солей, выбуренных глинистых частиц и бактерий применяют различные химические реагенты.

Общее число веществ, используемых в качестве компонентов ПЖ, трезпы-чайно велико. Так, в 1994 году 98 фирм США выпускали компоненты ПЖ 1900 наименований. Очевидно, что при столь широком ассортименте компонентов можно получить множество различных вариантов 2, 3, 4, 5 и т.д. - компонентных составов ПЖ, отличающихся хотя бы одним компонентом. Число же долевых составов при этом практически не ограниченно.

С позиций квалиметрии свойства ПЖ, проявляющиеся при ее воздействии на окружающую среду, которое сопровождается формированием ствола скважины, изменением свойств горных пород, передачей энергии и т.п., являются функциональными. При не целевом и, как правило, негативном воздействии ПЖ на окружающую среду, проявляются ее экологические свойства, а при воздействии на человека - свойства, характеризующие ее опасность для его здоровья и жизни (пожа-роопасность, взрьшоопасность и др.).

При противодействии ПЖ влиянию окружающей среды проявляются свойства, которые могут быть названы толерантностью (устойчивостью к внешним воздействиям). В противодействии ПЖ влиянию окружающей среды и человека проявляются ее ресурсопотребляющие свойства, характеризующие расход ресурсов окружающей среды (материалов, энергии, времени) на приготовление и эксплуатацию ПЖ поддержание и восстановление ее свойств, а также утилизацию.

В настоящее время для прямой или косвенной оценки даже далеко не всех из названных выше групп свойств ПЖ используется множество различных показателей (рис. 1). Поэтому совокупность показателей, с которой необходимо иметь дело при оценке качества ПЖ, в силу своей многочисленности очень плохо обозрима для того, чтобы по ней можно было сравнивать различные ПЖ между собой и выбирать из них наиболее предпочтительные. В связи с этим очевидна необходимость агрегирования отдельных показателей в один обобщенный показатель. Идеальным обобщенным показателем качества является отношение суммарного полезного эффекта от использования продукции по назначению к суммарным затратам на ее создание и эксплуатацию. Однако для ПЖ величину суммарного полезного эффекта сложно определить даже по результатам ее использования по назначению. На стадии же проектирования, которая примерно на 70 % обеспечивает качество любой продукции, сделать это из-за отсутствия каких - либо формул, преобразующих качество в полезный эффект, невозможно.

По этой причине для оценки качества ПЖ и, соответственно, для оптимизации их составов, наиболее предпочтительным представляется использование обобщенной функции качества, формируемой как среднее геометрическое частных функций желательности значении показателей свойств

£> = (<*,•¿г-... -4:.. (1) где О - обобщенная функция (критерий оптимизации) качества ПЖ; йи с/?.....<1},

с! . частные функции желательности показателей у,, у,.....})■■■■' Ут

свойств ПЖ; т - число регламентируемых показателей свойств, т.е. показателей, на значения которых устанавливаются ограничения.

Свойства ПЖ н характеризующие и» показатели

Плотность

Реологические свойства

условная вязкость динамическая вязкость (вязкость) пластическая вязкость динамическое напряжение сдвига коэффициент пластичности показатель нсньютоновского поведения показатель консистенции эффективная вязкость

при скорости сдвига 100 с' при полностью разрушенной структуре и др _

Структурно-механические свойства

статическое напряжение сдвига

через 1 мин через 10 мин

коэффициент тиксогропии

фильтрационно-коркообратощие свойства

показатель (статической) фильтрадии динамическая фильтрация мгновенная фильтрация толщина фильтрационной корки проницаемость фильтрационной корки прихватоопаскость фильтрационной корки

напряжение сдвига корки липкость корки коэффициент трения корки коэффициент сдвига корки и др.

Электрохими<

ческие свойства

удельное электрическое сопротивление

элекгростабилькость

водородный показатель_

Седимектационная устойчивость

стабильность

суточный отстой (показатель седиментации)

ИнгиСшрующая способность

обобщенный показатель устойчивости показатель увлажняющей способности коэффициент устойчивости и др._

Консолидирующая способность

Устойчивость к внешним воздействиям

термостойкость

неднепергируюшая способность флокулирующая способность микробиологическая устойчивость

Теплофизические

свойства

температура

коэффициент температуропроводности коэффициент теплопроводности удельная теплоемкость и др.__

Коррозионная активность

Поверхностное натяжение фильтрата (ПЖ)____

на границе с газом

на границе с углеводородной жидкостью

Закупоривающая спосооность

Триботехнические

свойства

коэффициент трения скольжения коэффициент трения качения интенсивность износа материала продолжительность работы пары трения без заедания

диаметр пятна износа

нагрузка заедания и др.__

Рис. 1. Перечень основных свойств промывочных жидкостей и наиболее широко используемых показателей их оценки

Из сравниваемых компонентных и долевых составов наиболее предпочтительным будет тот состав ПЖ, которому соответствует наибольшее значение

обобщенной функции качества (Дно*).

Значения частных функций желательности Ц) определяются с учетом харак-

тера ограничений, накладываемых на

значения того или иного показателя (у,) рег-

ламентом. Регламент на значения показателей может быть односторонним (у, < Утя* ИЛИ у} > >'„,„) и двухсторонним (утт ^ }>1 ^ У-™*)- где Упии - соответственно нижний и верхний пределы значения; - го показателя, задаваемые регла-

ментом.

Для нахождения частных функций желательности различных показателей, т.е. для приведения их к сопоставимому безразмерному виду, в бурении и многих других сферах человеческой деятельности наиболее широко используют приведенные ниже уравнения Харринггона:

- при одностороннем регламенте с!у = ехр [- ехр (-у*)]; (2)

- при двухстороннем регламенте с/у = ехр [- (1у*[)"], (3) где у'/* - безразмерное (кодированное) значение У - го показателя; п - постоянный показатель степени п = [1п 1п (1/ с1)] / 1п /)';*/, который вычисляется с использованием какого-либо промежуточного значения с/у (обычно с/у = 0,80) и соответствующего ему значения У).

Общим недостатком уравнений (2) и (3) при регламентировании значений показателей свойств ПЖ на трех уровнях, когда необходимо задавать значения у - го показателя, одно из которых должно соответствовать плохому (с1} - 0,2), второе - удовлетворительному Щ = 0,37), а третье - хорошему (с/у = 0,80) уровням желательности в психофизической шкале Харрингтона или же задавать значения У - го показателя, два из которых (ут,„ и Утл) должны соответствовать удовлетворительному (с/у = 0,37), а третий - обязан соответствовать хорошему (с/у = 0,80) уровням желательности, является субъективный подход к регламентированию значений у - го показателя соответственно на удовлетворительном (с/у = 0,37) и хорошем (с/у = 0,80) уровнях желательности. Между тем разным регламентируемым значениям у - го показателя на удовлетворительном уровне при одинаковых его значениях на плохом и хорошем уровнях, соответствуют существенно отличающиеся друг от друга зависимости между значениями этого показателя и частными функциями его желательности. Таким образом, субъективизм в регламентировании У - го показателя на удовлетворительном уровне (с/у = 0,37) может привести к тому, что одинаковые значения показателя будут характеризоваться разными значениями частных функций желательности. Следствием субъективного подхода к регламентированию у -го показателя на хорошем уровне желательности (с/у - 0,80) являются разные значения показателя степени п в уравнении (3) и, соответственно, разные частные функции желательности для одинаковых по величине показателей.

Кроме этого, при использовании уравнения (2) частные функции -желательности могут иметь одинаковые значения для показателей как находящихся в заданных пределах от «плохого» = 0,2) до «хорошего» (с/у = 0,80), так и выходящих за эти пределы, что делает выбор альтернатив (вариантов) по величине обобщенной функции качества весьма неоднозначным.

Регламентирование значений показателей свойств ПЖ на двух уровнях, когда достаточно задать лишь, например, «плохой» - «хороший» или «очень плохой» -«очень хороший» уровни желательности в случае расчета частных функций по уравнению (2), или же>>„т и ути, среднее арифметическое которых соответствует максимально желательному значению у -го показателя, при расчете по формуле (3), ведет к крайне слабой «чувствительности» в области, близкой «к хорошей» или «очень хорошей», в результате чего заключения о качестве анализируемой ПЖ могут быть абсурдными.

Таким образом, при использовании любого из рассмотренных выше вариантов определения частных функций желательности однозначная и объективная обоб-

шейная оценка качества ПЖ невозможна.

Для обеспечения этой возможности разработан собственный алгоритм расчета частных функций желательности, суть которого заключается в следующем.

Для каждого из регламентируемых показателей свойств ПЖ (у,) необходимо задать наиболее предпочтительное значение (лучшее) - у,(луч) и предельно допустимое значение (худшее) - у/худ).

При этом лучшее у/луч) и худшее у/худ) значения не должны выходить за пределы минимального у/пип) и максимального у/тах) значений регламентируемого показателя, установленные в процессе проектирования ПЖ или, что предпочтительнее, по соглашению.

Предлагаемый алгоритм расчета единичных оценок качества имеет два варианта!, один из которых реализуется в случае, когда у/луч) > у/худ), а второй - когда у/луч) < у ¡(худ).

При расчете по любому из этих вариантов вначале необходимо установить диапазон, в пределах которого значения ] - го показателя будут считаться равнозначными лучшему значению - у/луч).

Нижнюю (у]1) и верхнюю (у,2) границы этого диапазона рекомендуется находить по следующим формулам

У)1 - у/луч) - 0,01-Ау//у/луч)-у/худ)/; (4)

ур = у/луч) + 0,01-Аур¡у/луч) - у/худ) I, (5)

где Ау;1, Ау}2 - величина шагов соответственно в меньшую и большую стороны от у/луч), определяющая диапазон, в пределах которого значения у - го показателя равнозначны у/луч), %.

По мнению автора, желательно, чтобы шаги Ау/ и Ау/> были равными между собой, и вполне достаточно, чтобы их величина составляла 5 %.

Значения частных функций желательности для случая, когда у/луч) > у/хуО),

рассчитываются по следующим формулам

dfyji) = 0,2 fyj, - y/min)J/¡у/худ)-y/min)], y/min) < yjt < y/xyd); (6)

dfyj = [0,8 yjl + 0,2yjl -y/xyd)]/[yjl -у/худ)], y/xyd) < yM< yjl; (7)

d(y,ù = i. yj < yP * yj; (g)

d(yjù =0,2 ¡(yj, - у/тах)! / [У]2 - у/тах)], у fi < ур < у/тах), (9) где у}1 - значение j • го показателя в / - м опыте (на /' - м шаге расчета).

В случае, когда у/луч) < у/худ), значения частных функций желательности находят по приведенным ниже формулам

dfyj) - 0,2 [yj,-y/min))/[у/-y/mm)], y/min) < yJt < y/; (10)

d(yj)-l,yil<yji<yi2-, (П)

dfyj) = [0,8yj, + 0,2yj2-y/xyd)]/[yfi-y/xyd)], y>2 < yM < y/xyd); (12)

d(yj) = 0,2[yJt-у/тах)]/[y/xyd)-у/тах)], у/худ) < y„ < y/max). (13)

Рассмотренный алгоритм расчета частных функций желательности значений показателей свойств ПЖ и обобщенной функции их качества положен в основу АРМ «Раствор», возможности которого описаны в последнем из защищаемых автором положений.

Таким образом, обобщенная количественная оценка качества ПЖ является относительной характеристикой, получаемой путем сравнения фактических значений показателей ее свойств с регламентируемыми лучшим и худшим значениями. Оче-

видно, что эти значения должны регламентироваться нормативно - техническими документами. Однако разработка прогрессивных требований к значениям показателей как функциональных, так и экологических свойств ПЖ является достаточно сложной и пока не решенной задачей. Поэтому в настоящее время основой для регламентирования значений показателей свойств ПЖ служат не научно обоснованные стандарты, а, главным образом, практические рекомендации.

В создание предпосылок к переходу от рекомендательной к законодательной практике регламентирования значений ряда показателей, в частности, условной вязкости, показателя фильтрации и др., свой вклад сделал и автор. Однако, несмотря на новизну и важность полученных решений, в автореферате они сознательно не приводятся. Тем самым особо подчеркивается то, что в рамках разработанной методологии отставание с переходом от рекомендательной практики регламентирования значений показателей свойств к законодательной препятствием для целенаправленного повышения качества ПЖ не является, поскольку при актуализации регламента на значения показателей свойств имеется возможность оперативно пересмотреть все ранее принятые решения.

Положение 2. При бурении в осложненных условиях эффективность выполнения промывочной жидкостью требуемых функций, вероятность ее интоксикации и образования излишних объемов буровых отходов в значительной мере определяется реологическими и триботехническими свойствами, а также ингибирутщей, консолидирующей и закупоривающей способностью, разработанные методики оценки которых пригодны не только для решения задач квалиметрии, но и для производства новых знаний об этих свойствах, обеспечивая тем самым дальнейшее развитие теории и практики промывочных жидкостей.

Известно, что реологические свойства ПЖ в значительной мере определяют степень очистки забоя скважины от шлама, транспортирующую способность потока, величину гидравлических сопротивлений в циркуляционной системе скважины, амплитуду колебаний давления при выполнении СПО, интенсивность обогащения ПЖ шламом и др.

Перечень показателей, которыми характеризуют реологические свойства ПЖ, определяется выбором реологической модели, описывающей связь между возникающими в жидкости напряжениями г и скоростью ее сдвига у.

В настоящее время в мировой буровой практике наиболее широко используемыми являются реологические модели Бингама - Шведова: г = го + / г], где Тд -динамическое напряжение сдвига, г/ - пластическая вязкость; и Оствальда - де Ваале: г = к(у)", где к - показатель консистенции, п - показатель неньютоновского поведения.

Однако единый подход к выбору этих моделей и, следовательно, к выбору перечня показателей реологических свойств, отсутствует. Одни без каких-либо обоснований используют или модель Бингама - Шведова или модель Оствальда - де Ваале. Другие берут на вооружение ту из двух рассматриваемых моделей, которая более точно описывает реологическое поведение исследуемой ПЖ хотя оно в зависимости от долевого состава, температуры и скорости сдвига даже для ПЖ одного и того же компонентного состава может адекватно описываться то той, то дру-

гой моделью. Третьи одновременно оперируют показателями модели Бингама -Шведова и модели Оствальда - де Ваале. При этом кроме четырех основных показателей этих моделей (га п, к и п) широко используют и ряд дополнительных показателей: коэффициент пластичности (КП), эффективную вязкость при скорости сдвига равной 100 с"1 (ЭВюо), эффективную вязкость при полностью разрушенной структуре (ЭВмооо)- Вместе с тем очевидно, что одновременно контролировать и регулировать семь показателей только реологических свойств чрезвычайно затруднительно.

Таким образом, обоснование комплекса показателей, необходимых и достаточных для оценки качества ПЖ с позиций реологии, по-прежнему остается актуальной задачей.

Известно, что в определенном диапазоне скоростей сдвига между параметрами реологических моделей Бингама - Шведова и Оствальда - де Ваале должна существовать функциональная связь

rj = kny""'; 04)

го = (1-п) к у"; (15)

к = (т0~ ЧУ') У'"; (,6>

п = rjy.(r0- ПУ'У'' <17)

где У' - скорость сдвига, выше которой зависимость г = г (у) практически линейная.

Однако анализ как собственных, так и заимствованных результатов реометрии показал, что уравнения (14) - (17) справедливы только при одной и строго определенной для каждого типа ПЖ скорости сдвига, зависящей от степени ее псевдопластичности, т.е. от конкретных значений показателей консистенции и неныотонов-ского поведения.

В то же время результаты корреляционного анализа этих же данных свидетельствуют о том, что между г0 и ЭВюо, г0и к, КП и п, ц и ЭВ,оооо существует тесная линейная связь: значения коэффициентов парной корреляции соответственно равны 0.971; 0,966; - 0,965 и 0,913.

Поскольку любой из двух взаимо.лррелируемых показателей может быть исключен из рассмотрения, то очевидно, что в данном случае оставшиеся после исключения показатели должны принадлежать одной реологической модели, число этих показателей должно быть минимальным, а их определение - по возможности оперативным, например, на реометрах с прямым отсчетом. Всем этим требованиям максимально удовлетворяет комплекс из трех показателей, включающий в себя пластическую вязкость (г;), динамическое напряжение сдвига (г0) и коэффициент пластичности (КП), которые и предлагается повсеместно использовать для характеристики реологических свойств ПЖ на водной основе.

Ингибирующая способность характеризует способность ПЖ предупреждать или замедлять деформационные процессы в околоствольном пространстве скважин, представленном легкогидратируюпшмися, набухающими и размокающими глинистыми и глиносодержащимн породами. В связи со сложностью механизма их взаимодействия с ПЖ единый показатель оценки ингибирующей способности до сих пор отсутствует. Ее характеризуют показателями, по меньшей мере, трех различных групп: набухания, влажности и деформации естественных и искусствен-

ных образцов глинистых пород контактирующих с исследуемой средой.

Наибольшие перспективы повсеместного применения имеют показатели деформации, которые выгодно отличаются от показателей набухания и влажности не только экспрессностью определения, но и тем, что они являются функцией времени. Идея оценки ингибирующей способности ПЖ по деформированию (устойчивости) в них модельных образцов глинистых пород принадлежит сотрудникам ЗапСибБурНИПИ. Однако, если говорить о коэффициенте устойчивости глинистых пород X* - тр / г„ где тр г„ - время воздействия на образцы до их разрушения соответственно ПЖ и дистиллированной воды, предложенном ими в качестве показателя ингибирующей способности, то следует признать его несостоятельность, поскольку значения этого коэффициента определяются величинами показателя фильтрации (Ф) и статического напряжения сдвига {СНСц10) ПЖ.

Так, в ходе апробации методики ЗапСибБурНИПИ ее авторами были получены данные, средняя погрешность аппроксимации которых любым из приведенных ниже уравнений, не превышает 6,3 %.

Х*расч = ¡,2435 - 0,0161 Ф + 2,940 Iff3 СНС,, (18)

Х*^ = 0,9411 - 1,933 КГ1 Ф + 0,0058 СНС10. (19)

Между тем давно известно, что показатель фильтрации ПЖ не может служить критерием оценки ее влияния на устойчивость глинистых пород в околоствольном пространстве скважин. Достаточно сказать, что специфические свойства глинистых пород обусловливают активное поступление в них свободной дисперсионной среды ПЖ даже при отсутствии перепада давления в системе «ствол скважины -пласт», т.е. при отсутствии процесса фильтрации.

Таким образом, становится очевидным, что ингибирующую способность следует оценивать по разупрочняющему воздействию на глинистые породы свободной дисперсионной среды (фильтрата) ПЖ. Этот вывод и был положен в основу запатентованной (патент РФ № 2073227) методики оценки ингибирующей способности (Ис) ПЖ

И с = Тф / г., (20)

где Тф, г, - время воздействия на модельные образцы до их разрушения соответственно фильтрата испытуемой ПЖ и дистиллированной воды, с.

К сожалению, нарушения устойчивости стенок скважин приурочены не только к глинистым, но еще и к генетически слабосвязанным или тектонически разрушенным горным породам, в которые ПЖ поступает практически беспрепятственно. Очевидно, что в таких случаях она должна обладать способностью хотя бы временно связывать, упрочнять и укреплять потенциально неустойчивые породы. Эту способность ПЖ называют консолидирующей способностью.

В качестве показателя консолидирующей способности вначале ВНИИКРнеф-тью, а позже и Иркутским отделением ВИТРа, было предложено использовать сгсж модельных образцов потенциально неустойчивых пород, сконсолидированных испытуемой ПЖ Однако в соответствии с этими методиками сформированные модельные образцы испытывают на воздухе. По этой причине оценка консолидирующей способности не может быть достоверной, особенно при наличии в составе ПЖ компонентов, обладающих на воздухе хорошими связующими свойствами.

В ТПУ с целью повышения достоверности оценки консолидирующей способности ПЖ разработана защищенная патентом методика, суть которой сводится к

определению продолжительности нахождения в устойчивом состоянии в исследуемой ПЖ сконсолидировакного ею модельного образца потенциально неустойчивой породы, на который воздействуют фиксированной осевой нагрузкой.

Для оценки ингибирующей (Ис) и консолидирующей (Кс) способности ПЖ разработан прибор ПОИКС (рис. 2), принцип работы которого заключается в следующем. При поднятом в . крайнее верхнее положение штоке модельный образец породы помещают в камеру прибора, плавно опускают шток вниз до контакта его опоры с верхним торцом образца и осторожно устанавливают на подставку грузы, не вызывающие разрушения образца в воздушной среде. После этого в камеру вровень с верхним торцом образца заливают испытуемую жидкость и одновременно тумблером включают электронно-механические часы. В момент разрушения образца шток и жестко связанная с ним подставка с грузами практически мгновенно

Рис. 2. Универсальный прибор для оценки ингибирующей и консолидирующей способности промывочных жидкостей (ПОИКС)

1 - камера; 2 - основание; 3 - исследуемая жидкость; 4 - направляющая обойма; 5 - шток; 6 - грузы; 7 - модельный образец породы; 8 - концевой выключатель; 9 - тумблер; 10 - электрическая цепь; 11 - электронно - механические часы

перемещаются вниз, утапливая кнопку концевого выключателя и останавливая часы. Тем самым фиксируется время воздействия на образец до его разрушения испытуемой среды.

Оценка ингибирующей и консолидирующей способности ПЖ проводится на идентичных по составу, свойствам и размерам модельных образцах при одинаковой нагрузке на них.

Для получения модельных образцов пород разработан специальный пресс, который по сравнению с прессом аналогичного назначения фирмы «Рагг instrument» (США) обеспечивает одновременное формирование двух образцов с одинаковыми и строго заданными геометрическими размерами, а также легко осуществляемую их выпрессовку.

Закупоривающая способность. Наряду с нарушениями устойчивости стенок скважин бурение в сложных геолого-технических условиях нередко сопровождается и поглощением ПЖ. Все мероприятия по предупреждению и ликвидации поглощений сводятся к снижению перепада давления или репрессии на поглощающие пласты и, что более радикально, к изоляции каналов поглощения.

Среди многочисленных способов изоляции каналов поглощения наиболее простым, доступным, дешевым, весьма оперативным и достаточно высокоэффективным является их закупоривание вводимыми в промывочную жидкость наполнителями, например, резиновой крошкой, торфом, опилками и т.д. Однако широкое применение различных наполнителей для предупреждения и ликвидации поглоще-

ний ПЖ характерна в основном для зарубежной практики. Достаточно сказать, что в 1989 году на канадский рынок материалов для приготовления и обработки ПЖ было представлено 52 различных наполнителя.

В отечественной же практике этот способ ликвидации поглощений применяется лишь эпизодически. На наш взгляд, основной причиной такого положения дел является отсутствие стандартной методики испытаний наполнителей, т.е. отсутствие возможности обоснованного выбора наиболее эффективного наполнителя и оптимальной концентрации его в ПЖ для изоляции каналов поглощения с определенными качественными (поровые, трещинные) и количественными (интенсивность поглощения, удельная приемистость, величина раскрытия трещин и т.д. ) характеристиками.

В США и других зарубежных странах испытания наполнителей проводят по методике Американского нефтяного института. Главным недостатком этой методики является то, закупоривающая способность наполнителей характеризуется большим числом различных показателей, реально возможные комбинации значений которых могут быть какими угодно, в связи с чем выбрать наиболее эффективный наполнитель чрезвычайно сложно.

В защищенной патентом методике ТПУ в качестве показателя, характеризующего эффективность того или иного наполнителя (композиций наполнителей), предложено использовать его концентрацию, при которой обеспечивается закупоривание каналов поглощения без потерь ПЖ.

Суть этой методики заключается в следующем. В камеру с модельным образцом поглощающего пласта заливают промывочную жидкость, содержащую исследуемый наполнитель, создают перепад давления и фиксируют объем жидкости, прошедшей через модельный образец до момента его полного закупоривания (V, В идентичных условиях проводят ряд испытаний, меняя в них только концентрацию исследуемого наполнителя (С,).

Полученную экспериментальным путем совокупность значений [С;, К/] аппроксимируют зависимостью, наиболее адекватно описывающей связь С, = / (У^, значения коэффициентов которой определяют методом наименьших квадратов. Минимально необходимую концентрацию наполнителя, обеспечивающую полное закупоривание модельного образца без потерь ПЖ, рассчитывают по найденной зависимости, приняв в ней V = 0.

Установлено, что связь меящу концентрацией наполнителя С,- и объемом жидкости прошедшей через модельный образец до момента его полного закупоривания, чаще всего описывается зависимостью C^ = I /(аУ1 1- Ь).

В ТПУ для проведения испытаний наполнителей разработан целый ряд приборов: прибор непрерывного действия (ПНД), в котором репрессия на модельный образец поглощающего пласта создается за счет центробежных см; прибор периодического действия (ПОЗС), в котором избыточное давление на модельный образец поглощающего пласта создается инертным газом; прибор циклического действия (ПЦД).

Триботехнические свойства характеризуют способность ПЖ снижать силу трения между контактирующими в ней поверхностями, что особенно важно при сложной пространственной конфигурации ствола скважины. Основным показателем триботехнических свойств является коэффициент триады трения «бурильные

трубы - исследуемая ПЖ - стенка ствола скважины», величину которого определяют с помощью специальных приборов - трибометров.

Главным недостатком известных трибометров (например, трибометра УСР-1, разработанного ОАО НПО «Бурение» совместно с заводом «ЗИП -Спецтехника»; EP/Lubricity Tester фирмы FANN Instrument; трибометра конструкции Красноярской государственной академии цветных металлов и золота и др.) является то, что величина коэффициента трения оценивается не по прямым, а по косвенным показателям, точность определения которых зависит от целого ряда факторов, в частности, колебаний напряжения в сети, точности балансировки и т.д.

В защищенном патентом ^ . т-™,

г- ttw Рис. 3. Схема трибометра конструкции ШУ

трибометре конструкции ТПУ ,. изгого1нньй J™ дк.т цилиндриче-

(рис. 3) коэффициент трения ОП- ский ^¡„^ 2 . стальной или выполненный из горной породы

ределяется непосредственно ПО юнтробразеи: 3 - вал; 4 - редуктор: 5 - электродвигатель:

величине силы трения. . 6. 7 - соответственно верхняя и нижняя части держателя:

Попел нячаппм нгпытаний К « -ось; 9 - подшипник 10 - кольцо; 11 - тросик; 12 - механизм

Перед началом испытании к ^^ 13. д шамомстр.. 14. емкость с исследуе-

тросику крепят груз, обеспечи- моапрош^ой жидкостью вающий создание необходимого

усилия прижатия контробразца к образцу, после чего включают электродвигатель. За счет возникающей силы в паре трения контробразец поворачивается вокруг вертикальной оси в направлении вращения образца. Величина силы трения фиксируется динамометром. Значение коэффициента трения находят как частное от деления силы трения на усилие прижатия трущихся поверхностей.

Положение 3. Промывочная жидкость, содержащая химические реагенты и добавки, представляет для ОПС потенциальную опасность, масштабы и степень которой определяются объемом промывочной жидкости, поступающей в ОПС в процессе бурения скважин, объемом образующихся при их промывке отходов, размещаемых в ОПС по окончании буровых работ, а также экотоксичностью промывочной жидкости и указанных отходов, интегральная оценка которой может быть дана лишь путем биотестирования, в частности, с помощью специально разработанного для этой цели биотеста.

Известны два пути решения экологических проблем, связанных с использованием ПЖ. Первый из них базируется на минимизации объемов буровых отходов и их экотоксичности, а второй, более радикальный, предусматривает использование экологически чистых ПЖ. Для реализации любого из этих путей нужно иметь возможность контроля экотоксичности ПЖ на всех этапах ее «жизненного цикла» (от

разработки рецептуры до размещения отходов бурения в ОПС). И прежде всего, это касается этапа разработки, поскольку анализ возможных причин интоксикации (усиления экотоксичности) и детоксикации (ослабления экотоксичности) ПЖ и РГП (рис. 4) свидетельствует о том, что сохранить начальный уровень экотоксичности ПЖ в течение всего периода бурения скважины вполне реально.

В нашей стране основным показателем токсикологического нормирования содержания вредных веществ в компонентах ОПС является предельно допустимая концентрация (ПДК). При этом о степени опасности для ОПС ПЖ и их отходов предлагается судить по кратности превышения содержания в них отдельных компонентов над установленной для каждого из этих компонентов ПДК.

Однако применительно к ПЖ, которые, как правило, являются многокомпонентными, такой подход имеет ряд принципиальных недостатков. Достаточно сказать, что он не учитывает того, что ПЖ как всякая система обладает такими свойствами, которых нет и не может быть у составляющих ее частей. Иными словами, он не учитывает способности химических веществ в комбинациях и различных сочетаниях друг с другом усиливать (синергизм) или ослаблять (антагонизм) вредное воздействие на объекты природной среды.

Анализ показывает, что наиболее реальным путем преодоления этого и других недостатков является переход на биотестирование непосредственно ПЖ. Суть биотестирования заключается в оценке суммарного действия содержащихся в исследуемых средах токсичных веществ на живые организмы, называемые тест-объектами. При этом показатель экотоксичности исследуемой среды, называемый тест - реакцией, связывают с изменением характеристик тест - объекта в целом или его отдельных частей.

В США постановление, предусматривающее проведение обязательного токсикологического биотестирования ПЖ и их компонентов, действует с 1985 года. При этом стандартным тест - объектом являются мизидовые креветки, продолжительность тестирования одной среды достигает 96 часов, а его стоимость - полутора тысяч долларов. Критерием экотоксичности служит £Cjo - концентрация в пробе испытуемой среды (средней части отстоявшейся смеси ПЖ с морской водой), при которой за 96 часов испытаний погибает 50 % креветок.

С целью многократного снижения затрат средств и времени на такого рода испытания автором была инициирована разработка не визуальной, как в США, а инструментальной методики токсикологического биотестирования на базе серийно выпускаемого отечественного прибора «Биотеетер-2» (ТУ 401-51-005-91). Тест -объектом в этом приборе служат инфузории туфельки (Paramecium caudalum). Это, как известно, высокоорганизованные простейшие, которые сочетают в себе свойства отдельной клетки и целостного организма. Важно и то, что они являются наиболее широко распространенными обитателями пресноводных бассейнов - главных объектов негативного воздействия ПЖ.

В результате теоретических и экспериментальных исследований было установлено, что в качестве тест - реакции необходимо использовать двигательную активность инфузорий в токсичной среде, измеряемую при таких концентрациях токсиканта, которые соответствуют стадии «угнетение», т.е. вызывают снижение их двигательной активности.

В этом случае зависимость двигательной активности инфузорий от концентрации самых разных токсикантов имеет явно выраженный линейный характер и выходит из начала координат.

Эти положения и составляют основу защищенной патентом методики биотестирования, в которой в качестве показателя, характеризующего экотоксичность исследуемой среды, используется коэффициент экотоксичности

Кт = (21)

где Кт - коэффициент экотоксичности, мг/л (млн"1) / %; Ст - концентрация токсиканта во взвеси клеток тест - объекта, мг/л (млн"1); - степень снижения двигательной активности тест - объекта, %.

Суть рассматриваемой методики сводится к следующему. В процессе подготовки к испытаниям отмытую взвесь инфузорий доводят до концентрации 1200 -2000 клеток/мл. Затем с помощью дозатора переменного объема 1,2 мл концентрированной взвеси тест - объекта вносят в кювету, помещают кювету в юоветопри-емник и фиксируют контрольные показания прибора (Я,). После этого с помощью дозатора фиксированного объема вводят во взвесь клеток 0,05 мл исследуемого

токсиканта и фиксируют двигательную активность тест - объекта в присутствии токсиканта (Пт). По найденным таким образом значениям Пк и Пт рассчитывают степень снижения двигательной активности тест - объекта в исследуемой среде

Ба = (1-Пт/П^-100, (22)

где Пк - показания прибора для исходной взвеси клеток (контрольные), усл. ед.; Лот - показания прибора при введении в исходную взвесь клеток токсиканта, усл.ед.

Концентрацию токсиканта в испытаниях желательно выбирать такой, чтобы степень снижения двигательной активности тест - объекта (Яа) находилась в пределах от 20 до 80 %. При < 20 % и > 80 % возможно искажение результатов из-за явлений, обусловленных соответственно стимуляцией двигательной активности и плазмолизом клеток тест - объекта.

Результаты токсикологического биотестирования по методике ТПУ некоторых химических реагентов, используемых для обработки ПЖ и имеющих нормированные значения ПДК доя водоемов рыбохозяйственного назначения при токсикологическом (т) и санитарно - токсикологическом (с-т) лимитирующем показателе вредности (ЛПВ), приведены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты токсикологического биотестирования химических реагентов

Название (марка) химического реагента (ХР) Среднее значение Кт (МГ/Л) / % ПДК ХР по результатам биотссгирования. мг/л № = 20 %) ПДК ХР для рыбсио-зяйствеиных водоемов, мг/л (ЛПВ)

Сульфонол НП-3 2,543-Ю3 0,05 0,1 (т)

ГЮК-11 23,75-Ю'3 0.4« 1,0 (с-т)

УЩР 216.4.10"' 4,33 3,7 (с-т)

КМЦ-500 618,3'10'3 12. 37 12.0 (т)

Ыа-ШЦ (КМЦ-700) 1072-Ю-3 21.44 20.0 (с-т)

Анализ экспериментальных данных, приведенных в табл. 1, позволяет сделать вывод о том, что при допускаемой степени снижения двигательной активности, принимаемой равной 20 %, ПДК исследованных химических реагентов, установленные путем биотестирования на инфузориях туфельки, близки к значениям ПДК, установленным Минздравом России.

Результаты экотоксикологических исследований по этой же методике ряда ПЖ различного компонентного и долевого состава приведены в табл. 2. Они свидетельствуют о том, что по величине коэффициента экотоксичности протестированные ПЖ отличаются почти на порядок, при этом их экотоксичностъ существенно ниже экотоксичности отдельных компонентов.

Разработанный в ТПУ биотест пригоден для оперативного нормирования ПДК и контроля экотоксичности не только отдельных химических реагентов, их композиций и ПЖ в целом, но и различных отходов бурения. Главными источниками последних являются ПЖ и загрязняемая ею при транспортировании на поверхность РГП. При этом негативное воздействие на ОПС буровых отходов обусловлено как их экотоксичностью, так и значительным объемом.

Для оценки уровня экотехнологии промывки скважин, сравнения ее возможных альтернативных вариантов, выбора из них наиболее предпочтительного и решения ряда других задач предлагается использовать отношение суммы ущерба, причиняемого ОПС основными буровыми отходами, к номинальному плановому

объему горной породы, разрушаемой в процессе бурения

Кт = аг&тиш (У Уп"), (23)

где Кэт - критерий, характеризующий уровень экотехнологии промывки скважин, руб/м3; У„" - номинальный плановый объем горной породы, разрушаемой в процессе бурения, м3; У - ущерб, причиняемый ОПС основными отходами бурения, руб.

Таблица 2

Результаты токсикологического биотестирования ПЖ

Тип ¡Ж Состав ПЖ, кг (л*) / м3 Среднее значение К., (млн-'У% ПДКПЖпо результатам био-тесгорования, млн' (5.= 20 %) Необходимая кратность разбавления ПЖ

алюмофосфоиовая 80 ПЕГ + 4 КМЦ-700 + 5 КАКЗО^Ь + 3 НТФ + + ЗЫаОН + пола (ло 1 м5) 3297,6 65952 15

полимерглинистая 90 ПЕГ+5 КМ11-700 + 5* ПОК-11 + вода (ло 1 \г ) 2133,3 42666 23

малосилшстш 60 ПЕГ + 30 У1ЦР + 5 КМЦ-700 + 50« №£¡0, + + вола (до 1 м5) 680,6 13612 73

пмапгая 80 ПЕГ + 40 У1Ц1'+ 30 СМАД-1 + вода (до 1 580,5 11612 «6

полимерная 80* пшаи + 4 спринт + вода (до 1 м1) 421,3 8426 119

Номинальный плановый объем породы, разрушаемой при сооружении отдельной скважины, может быть определен по формуле

У,," = 0,785 [ЕИнГГм, - Юк/Ьк^, (24)

¡-1 j-I

где т - число интервалов скважины, разбуриваемых породоразрушаюшим инструментом (ПРИ) разного диаметра; £>н,- - диаметр ПРИ в г - ом интервале бурения, м; Ьн[ - длина / - го интервала бурения, м; к - число интервалов отбора керна разного диаметра: Оку - диаметр керна на } - ом интервале керноотбора, м; Лк, - длина _/ - го интервала керноотбора, м.

Ущерб, наносимый ОПС отходами бурения, предлагается оценивать по следующей формуле

У = {[£ V, ■ ЭТ, (ЭТ(/ЭТЛ-(Уф0ПЖ У"Ж)' ■ (УФРГП / К"/}' (25)

где Пу,, - плата за размещение в ОПС 1м3 отходов бурения с соответствующей норме экотоксичностью, руб.; п - число отдельно собранных компонентов отходов бурения, например, ОПЖ; ОПЖ, загрязненная углеводородами; ОПЖ, загрязненная минерализованными подземными водами; ОПЖ, загрязненная продуктами разрушения цементного камня; жидкая фаза ОПЖ; твердая фаза ОПЖ; продукты сжигания или отверждения отходов бурения; РГП, загрязненная ПЖ; РГП, отмытая от ПЖ; обезвоженная РГП и др.; К, - фактический объем / - го компонента отходов, м3; Э7'/ - фактическая экотоксичность /' - го компонента отходов бурения, усл.ед.; Э7'„ - нормируемая начальная экотоксичность исходной ПЖ, усл.ед.; Уф"1 - фактический объем отходов ОПЖ, м3; У„пж - номинальный потребный объем ПЖ, м3; Уф'гп - фактический объем отходов извлеченной из горного массива РГП, м3; У„" -номинальный плановый объем горной породы, разрушаемой в процессе бурения, м3; а, в, с - коэффициенты значимости (весомости) соответственно экотоксично-

сти, объема отходов ОПЖ и объема отходов РГТГ в общем ущербе, наносимом ОПС, значения которых, по мнению автора, следует принимать равными соответственно 2; 1,5 и 1.

Алгоритм расчета всех составляющих формул (24) и (25) приведен в диссертационной работе. Экотоксичность любого из возможных компонентов отходов бурения может быть определена путем токсикологического биотестирования по рассмотренной выше методике ТПУ.

Таким образом, до конца не решенными пока остаются вопросы, связанные с установлением допустимой начальной экотоксичности ПЖ (ЭГ„) и платы (Пу,) за размещение в ОПС 1м3 отходов бурения с экотоксичностью равной ЭТ„. При этом принципиально важным является лишь установление единой величины ЭТН. Мировая практика показывает, что это вполне возможно. Так, в США разрешается сбрасывать в море ПЖ, которая будучи разбавленной в 30 раз, в течение 96 часов испытаний не приводит к гибели более чем 50 % мизидовых креветок.

Что же касается норматива платы за сброс в ОПС отходов бурения, то очевидно, что он должен учитывать и место их захоронения (на поверхности, в недрах), и качество гидроизоляции хранилища отходов, и их агрегатное состояние, и экологическую ситуацию в районе ведения буровых работ. Однако в рамках отдельных буровых предприятий для сравнения возможных альтернативных вариантов экотехнолопш промывки скважин и выбора из них наиболее предпочтительного при отсутствии законодательно установленных нормативов платы за размещение отходов бурения в ОПС можно ориентироваться на условно принятые.

Анализ влияния различных факторов на формирование объема основных отходов бурения (рис. 5) свидетельствует о том, что предлагаемая концепция может быть положена в основу не только оценки уровня экотехнолопш промывки скважин, но и буровых работ в целом, поскольку она прямо или косвенно охватывает практически все составляющие оценки их эффективности.

Положение 4. Целенаправленное повышение качества промывочных жидкостей базируется па создании и регулярном пополнении банка их технических характеристик, на постоянном совершенствовании процедуры регламентирования значений показателей свойств и создании автоматизированных систем, обеспечивающих оперативный выбор из банка технических характеристик промывочных жидкостей таких их компонентных и долевых составов, которые максимально удовлетворяют требования.и задаваемого регламента на значения показателей свойств.

Область возможных значений показателей свойств ПЖ определяется, главным образом, ее компонентным и долевым составом. Широкий ассортимент компонентов, используемых для получения ПЖ, обусловливает множество возможных вариантов их компонентных составов даже в рамках отдельного бурового предприятия. Например, всего лишь из пяти компонентов можно получить пять четырехкомпо-нентных и девять трехкомпонентных составов, отличающихся хотя бы одним компонентом. Число же долевых составов при этом практически не ограниченно и только один из этого множества составов в наибольшей степени соответствует заданному регламенту на значения показателей свойств, а также эколого - экономическим и другим требованиям общества. Поиск этого предпочтительного по отношению ко всем другим, т.е. оптимального состава представляет собой весьма

сложную задачу. Обусловлено это тем, что в силу многообразия показателей свойств, компонентов, геолого-технических условий бурения и ряда других причин физико-химическая теория ПЖ, позволяющая с удовлетворительной точностью прогнозировать значения показателей их свойств в зависимости от концентрации компонентов и воздействия возмущающих факторов отсутствует и надеяться на ее скорое появление пока нет оснований.

В такой ситуации единственным путем решения проблемы выбора из множества составов ПЖ оптимального является путь, основанный на эксперименте.

Известно, что для решения этой задачи каждый из возможных компонентных составов ПЖ должен иметь техническую характеристику. Таковой может служить набор экспериментальных данных о долевых составах и соответствующих им значениях показателей свойств, либо совокупность математических моделей показателей свойств.

Учитывая многовариантность компонентных составов чрезвычайно важно, чтобы число опытов, необходимое для получения технической характеристики ПЖ было минимальным и в то же время вполне достаточным для решения рассматриваемой оптимизационной задачи.

Выполнить эти требования можно только с использованием активных экспериментов, из которых для проектирования ПЖ обычно применяют эксперименты, спланированные по методу комбинационных квадратов. Применение этого метода позволяет получать нелинейные модели показателей свойств в виде произведения отдельных функций Г, = а0 •/(X,) • /(Хт) -/(Х}) ■. .. - /(ЛУ, где а0- постоянная; ]'(Х) - уравнение регрессии, наиболее адекватно описывающее связь У, - го показателя свойств ПЖ и производных от него величин с концентрацией каждого компонента X,; к - число компонентов ПЖ.

Для построения математических моделей подобного вида наиболее широко используют метод Брандона. Существенным недостатком этого метода является необходимость последовательно к раз осуществлять трансформацию массива экспериментальных значений с целью получения производных от них величин, что существенно увеличивает трудоемкость обработки результатов эксперимента, процедуру которой к тому же трудно формализовать.

Автором разработан собственный метод получения нелинейных моделей, который в отличие от метода Брандона, какой-либо трансформации массива исходных данных не требует. В этом случае искомая модель того или иного показателя свойств представляет собой произведение функций, наиболее адекватно описывающих связь данного показателя У, с каждым из влияющих на него факторов X], с постоянной а0, рассчитываемой по с;

где к* - число факторов, влияющих на выходной параметр.

Накопленный опыт обработки результатов экспериментов, спланированных по методу комбинационных квадратов, свидетельствует о том, что по предложенному автором методу нелинейные модели показателей свойств ПЖ можно получать без особого труда.

В то же время нельзя не признать, что представление технических характеристик ПЖ не только в виде совокупности моделей показателей свойств, но и в виде

(26)

матриц планирования с результатами опытов, выполненных по методу комбинационных квадратов, не носит массового характера. Единственной объективной причиной такого положения дел является чрезвычайно высокая трудоемкость экспериментов, обусловленная необходимостью выполнения большого числа опытов.

Кардинально уменьшить число опытов, можно лишь ориентируясь на получение линейных моделей. Сравнительный анализ точности нелинейных и линейных моделей показателей свойств свидетельствует о том, что точность последних является вполне допустимой для решения большинства практических задач. В этой связи с целью существенного снижения объема экспериментальных работ целесообразно ограничиться представлением технических характеристик ПЖ линейными моделями.

Многофакторные линейные модели обычно получают по результатам дробного факторного эксперимента. Однако, например, в соответствии с планами дробного факторного эксперимента 24"1, 25"2, 26* и24 восемь опытов нужно выполнить, независимо от того, равно число факторов семи или четырем.

Предельно возможная минимизация числа опытов может быть обеспечена планированием эксперимента по разработанным автором насыщенным матрицам, в соответствии с которыми для получения технической характеристики ПЖ определенного компонентного состава достаточно провести (к + 1)-опыт, где к - число компонентов ПЖ. Ядром таких матриц являются строки, в которых все факторы, за исключением одного, изменяются на разных уровнях, число которых на единицу меньше числа варьируемых факторов, при этом уровень одного из факторов в ядре матрицы остается постоянным и наибольшим. Кроме ядра, формирующегося по приведенной выше схеме и являющегося особым для каждого числа факторов, во все матрицы входят еще две строки. В одной из этих строк все факторы находятся на первом уровне, а в другой - все, за исключением одного фактора, - на наибольшем уровне. При этом в последней строке тот фактор, уровень которого в ядре матрицы является постоянным, находится на первом уровне. В качестве примера ниже приведена насыщенная матрица планирования опытов для 6 факторов (табл. 3).

Таблица 3

Насыщенная матрица планирования и результаты опытов

Номера опытов Уровни факторов Значения факторов, кг/и1 Значения показателей свойств

X, х2 Х3 X, х5 X* X, х2 Х3 х5 Х6 Р. кг/м3 П. мПас Ф. см3/30 мин рн УЭС, Ом-м КС, мин

1 I 1 1 1 1 1 1 2 0 2 0 0 1095 5.1 12 7.15 2.55 9.5

2 5 5 3 I 4 2 5 6 2 2 3 25 1100 11,5 6 7.22 1,28 40

3 1 5 4 2 5 3 1 6 3 3 4 50 1120 18.5 7.5 11.85 0.98 39,5

4 2 5 5 3 1 4 2 6 4 4 0 75 1125 22,1 8.5 6.32 1.48 19

5 3 5 1 4 2 5 3 6 0 5 1 100 1150 15.8 6.2 6.35 1.44 34

6 4 5 2 5 3 1 4 6 1 6 2 0 1090 9.6 6.8 7.08 1.12 23.5

7 5 1 5 5 5 5 5 2 4 6 4 100 1150 10,7 8.8 7.85 1.16 23

Отличительной особенностью насыщенных матриц является то, что они обеспечивают получение линейных моделей, связывающих входные факторы и выходные параметры функционально. Так, по данным табл. 3 могут быть получены следующие линейные модели, например, пластической вязкости и показателя фильт-

рации, для которых мера идентичности у = 1:

77 - 2,62 - 1,11X1 + 1,9X2 + 1,54Х3- 0,1Х4 - 0,44X5 + О.ОбШь (27) Ф = 14,16 - 0,46X1- 0,85X2 ~ 0,ЗХ3 - 0,36Х5- 0,()112Х& (28)

При выборе оптимальных составов по строкам технической характеристики ПЖ, например, по стокам табл. 3, число принципиально возможных оптимальных решений равно числу опытов. Вместе с тем очевидно, что в исследованной при проектировании датой ПЖ области факторного пространства число возможных решений или долевых составов равно не семи, оно практически неограниченно.

В ТПУ разработан оригинальный алгоритм, базирующийся на теории точечно-векторных аффинных многомерных пространств, который позволяет осуществлять поиск оптимальных составов в исследованном факторном пространстве, оперируя техническими характеристиками ПЖ в виде, представленном в табл. 3, т.е. без получения и использования математических моделей показателей их свойств.

Суть этого алгоритма заключается в следующем. В общем случае в технической характеристике ПЖ выделяется базовое множество В - {В/, В2, В3, ..., Вь,, ¡}, где к - число компонентов ПЖ. Как геометрический объект базовое множество В представляет собой стандартный к - мерный симплекс .V с опорными вершинами

В1, В2, В}...../. При этом каждая опорная вершина симплекса в свою очередь

представлена массивом В/ = (Хц, Х2„ Х3„ . .., Хш; Уп, ¥21, Уц, ■ ■ ■ , содержащим информацию о концентрациях компонентов (Х^ и соответствующих им значениях показателей свойств ПЖ (7д). Вершины этого симплекса - это строки технической характеристики ПЖ, которым соответствуют наибольшие значения обобщенной функции качества для заданного регламента на значения показателей свойств.

Основываясь на сформулированных выше выводах и принципе разумной приблизительности, сделано допущение, что все опорные вершины симплекса влияют на каждую из возможных точек внутри него по линейному закону. Принятие лдн-ного допущения за основу делает возможным определение любых текущих точек Б(Л) внутри симплекса 5 по следующей формуле

Б(Л) = (29)

к+1

где Л = (Л/, Я-2, Л3, . . ., Лк+0; X= 1; 1[>0, VI; Л, - весовые коэффициенты,

характеризующие степень влияния опорных вершин симплекса на текущую точку $(Л) или барицентрические координаты точки Я(Л) относительно системы точек опорного множества В.

Как следует из (29) и приведенного выше материала, текущая точка &(Л) представляет собой точку замкнутого симплекса с вершинами из опорного множества В и является их линейной комбинацией.

Б(Л) = (Л,В, + Л2В2 -Л3В3+. . ,^Лк1 ,Вк +,), (30)

к+1

где Л 6 [0, //; ХЛ,^1.

,=1

В каждой текущей точке рассчитываются концентрации компонентов ПЖ, значения показателей ее свойств, частных функций желательности регламентируемых показателей и обобщенной функции качества.

Поиск оптимума обобщенной функции качества производится с изменением шага поиска по X, путем растяжения (сжатия) симплекса по методу Нелдера -Мида. Отражение симплекса с растяжением до момента выхода в околооптимальную область значений обобщенной функции качества обеспечивает существенное сокращение затрат времени на вычислительный процесс. Так, продолжительность расчета одного варианта оптимизационной задачи при числе регламентируемых показателей равном 15 составляет не более 10 с.

О допустимости принятой в данном алгоритме линейной зависимости точек внутри симплекса от его опорных вершин свидетельствует то, что средняя относительная ошибка прогноза значений показателей свойств ПЖ не превышает 8 % (табл. 4).

Таблица 4

Результаты оценки точности прогноза значений показателей свойств ПЖ

Состав ПЖ. кг/м3 ПБН - 207.5 ПБН - 182.5 ПБН-210

КМЦ-4,3 КМЦ- 5.5 КМЦ-4.6

АКК - 5.1 КССБ - 30 АКК-2

НТФ - 2.9 Са(ОН): - 2.7 НТФ-3.6

№ОН - 2,7 Са(504Ь-2Н:0-4.5 ЫаОН - 3.7

КС1 - 21 спринт - 1.3

Показатели свойств Значении показателен свойств

фактические прогнозные фактические прогнозные фактические прогнозные

р. кг/м' 1110 . 1123 1125 1126 ИЗО 1128

УВ. с 34,3 36.5 35.3 33.7 35.9 36.5

Ч. мПз-с 12,4 11.4 10.3 11.1 13.1 14,0

т... дПа 32.4 29.0 28.0 30,3 30.4 31.5

Ф. сч'/?0 мин 7.2 7.6 7.0 6.2 7.0 6.7

6. мч 2.1 2.3 2.6 2.7 1.8 1.9

РН 7.65 7.99 10.6 10.7 9.1 8.98

УЭС. Ом м 1.28 1.25 0.30 0.34 1.37 1,25

Ис 14.7 13.0 6.1 5.4 12.2 12.7

Кс. мин 28,5 28.0 10.5 8.4 33.6 27,0

0.25 0.28 0.20 0.22 0.26 0.30

бср = 6.6 % 6с,, = 8.0 % 6Ф= 6,6 %

В целом рассматриваемая оптимизационная задача решается в следующей последовательности:

- задаются лучшее и худшее значения регламентируемых показателей;

- формируется исходный к - мерный симплекс, для чего по строкам технической характеристики анализируемой ПЖ в соответствии с заданным регламентом на значения показателей ее свойств рассчитываются значения обобщенной функции качества и по наибольшим из них выбирается (к + 1) - опыт, где к - число компонентов ПЖ (в частном случае, когда число опытов в технической характеристике Г1Ж лишь на единицу превышает число ее компонентов, вершинами исходного симплекса становятся все опыты без исключения);

- внутри сформированного к - мерного симплекса с использованием метода

Нелдера - Мида осуществляется поиск точки с максимальным значением обобщенной функции качества

- при поиске состава ПЖ, оптимального не только по качеству, но и по стоимости, на каждом из шагов поиска, осуществляемого в околооптимальной области значений обобщенной функции качества, ограниченной пределами от Опах до (Отгх - 0,05), определяется стоимость 1 м3 ПЖ и находится точка, которой соответствует мшпшум стоимости 1 м3 ПЖ (СШп), т.е. выбирается самый дешевый состав из всех лучших с позиций качества.

Эта задача точно также, но последовательно, решается и в многоальтернативной ситуации, когда оптимальный состав для заданного регламента на значения общих показателей свойств выбирается из двух или большего числа технических характеристик ПЖ

Рассмотренный алгоритм положен в основу АРМ «Раствор». Оно предназначено для формирования и постоянного пополнения компьютерного банка технических характеристик ПЖ и оперативного выбора из него оптимальных составов по задаваемым пользователями технологически необходимым значениям показателей свойств.

АРМ «Раствор» обеспечивает оперативный поиск оптимальных решений при любых изменениях перечня и числа анализируемых ПЖ, стоимости компонентов, перечня и числа регламентируемых показателей, а также желательных пределов их варьирования. В процессе бурения пользователь может осуществлять выбор оптимальных составов с учетом наличия химических реагентов и добавок, а также оперативно пересматривать ранее принятые решения, меняя регламент на значения показателей свойств ПЖ в соответствии с изменениями геолого-технических условий бурения или в связи с актуализацией регламента.

В свою очередь, возможность оперативного выбора оптимальных составов из множества альтернатив при различных регламентах на значения показателей свойств позволяет объективно оценивать достигнутый уровень разработки ПЖ, определять направления совершенствования их качества и, самое главное, уже на стадии проектирования предупреждать возможные проблемы в процессе бурения. Естественно, что для этого найденные оптимальные составы должны быть достаточно устойчивыми к воздействию выбуренных пород, пластовых флюидов, высоких температур, бактерий и т.п.

Возможны два подхода к обеспечению устойчивости оптимальных решений. Один из них связан с включением в технические характеристики ПЖ показателей их толерантности к воздействию выбуренных пород, солей, температуры и последующим регламентированием значений этих показателей на стадии решения оптимизационной задачи, что однако влечет за собой увеличение числа опытов при получении технических характеристик ПЖ.

В этой связи более целесообразным представляется другой подход, базирующийся на оценке устойчивости уже найденных оптимальных решений моделированием для них конкретных возмущающих воздействий. Например, если после прогрева в течение 6 ч при температуре 80 °С исходное значение обобщенной функции качества ПЖ равное 0,471 для того же регламента на значения показателей свойств снизилось до 0,280, то ее толерантность к воздействию данной температуры может быть оценена как (0,280 / 0,471) -100 = 59,4 %.

Аналогично можно оценивать толерантность оптимальных составов ПЖ к воздействию различных солей, шлама, а также к совокупному воздействию различных возмущающих факторов и в итоге из ряда приемлемых оптимальных решений находить для конкретных условий бурения наиболее устойчивое.

Таким образом, в результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований заложены основы одного из новых научных направлений - ква-лиметрии, оптимизации качества н экологизации ПЖ, обеспечивающие потенциальную возможность перехода от экстенсивного к интенсивному развитию области знания о ПЖ и значительного ускорения научно-технического прогресса в области промывки скважин.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Одним из наиболее мощных резервов дальнейшего повышения эффективности буровых работ, особенно в сложных геолого-технических условиях, является оптимизация качества ПЖ, которая невозможна без его количественной оценки.

2. Количественная оценка и оптимизация качества ПЖ особенно актуальны на этапе их проектирования и, в свою очередь, невозможны без соответствующего научно-методического, приборного и программного обеспечения, с целью создания которого в результате выполненных исследований разработаны приборно-методические основы для оценки ряда важнейших функциональных (реологических, триботехнических, ингибирующих, консолидирующих и закупоривающих) и экологических свойств ПЖ, минимально трудоемкие планы экспериментов для их проектирования, а также алгоритмы и программы для автоматизированного выбора оптимальных составов ПЖ.

3. Для всесторонней оценки качества ПЖ с позиций реологии достаточно использовать комплекс из трех показателей, включающий в себя пластическую вязкость, динамическое напряжение сдвига и коэффициент пластичности.

4. Разработанный приборно-методический комплекс для оценки ингибирую-щей и консолидирующей способности ПЖ (патенты РФ № 2073227 и № 2073841, свид-во № 2307 РФ на пол. модель) позволяет, используя один и тот же прибор и пресс, но разный материал для получения модельных образцов пород и разные подходы к их изготовлению, находить наиболее предпочтительные составы ПЖ с позиций обеспечения устойчивости стенок скважин как в глинистых, так и в генетически слабосвязанных или тектонически разрушенных породах.

5. Получение реальных значений коэффициента триады трения «бурильные трубы - исследуемая ПЖ - стенка ствола скважины» с помощью трибометра конструкции ТПУ (патент РФ № 2044301) обеспечивается за счет более полной имитации скважинных условий и определения величины коэффициента трения не косвенным, а прямым путем - по величине силы трения.

6. В качестве критерия оценки эффективности наполнителей, вводимых в ПЖ с целью предупреждения или ликвидации их поглощения, наиболее целесообразно использовать концентрацию наполнителя (смеси наполнителей), при которой обеспечивается закупоривание каналов поглощения без потерь ПЖ. Этот критерий положен в основу разработанной методики испытаний наполнителей (пат. РФ № 2062452), для проведения которых создан ряд оригинальных приборов (а.с.

№ 1835503, свид-во № 1147 РФ на пол. модель).

7. Актуальность экологизации ПЖ обусловлена их весьма непродолжительным «жизненным циклом», в конце которого они, как правило, полностью превращаются в отходы, а также тем, что ПЖ и связанные с ними отходы бурения содержат различные химические вещества, попадание которых в ОПС чревато нанесением ей серьезного ущерба.

8. Снижение остроты экологических проблем, связанных с использованием ПЖ, требует минимизации объемов буровых отходов и экотоксичности той их части, которая подлежит размещению в ОПС, а решение этих проблем - применения экологически безопасных ПЖ.

9. Разработка и использование экологически безопасных ПЖ базируются на возможности контроля их экотоксичности на всех этапах «жизненного цикла» от проектирования до размещения отходов в ОПС и предупреждении интоксикации ПЖ в процессе бурения.

10. Интегральная и экспрессная оценка экотоксичности ПЖ на всех этапах их «жизненного цикла» может быть дана только путем инструментального биотестирования, в частности, с помощью разработанного на уровне изобретения (пат. РФ № 2112977) биотеста, который пригоден не только для оперативного контроля экотоксичности, но и нормирования ПДК как отдельных химических веществ и их композиций, так и ПЖ в целом.

11. Достигнутый уровень экотехнологии промывки скважин наиболее полно характеризует величина отношения суммы ущерба, причиняемого ОПС основными отходами бурения, к номинальному плановому объему горной породы, разрушаемой в процессе бурения. По этому показателю можно судить и об уровне буровых работ в целом, поскольку он прямо или косвенно охватывает практически все составляющие оценки их эффективности.

12. Перспективы повсеместного применения активного эксперимента для проектирования ПЖ связаны с минимизацией числа опытов, которую обеспечивают оригинальные насыщенные матрицы планирования с числом опытов равным (к + 1), где к - число компонентов ПЖ.

13. На современном этапе развития для количественной характеристики качества ПЖ наиболее предпочтительно использовать обобщенную функцию качества, формируемую как среднее геометрическое частных функций желательности значений показателей свойств, предлагаемая методика расчета которых делает обобщенную количественную оценку качества ПЖ однозначной и объективной.

14. В исследуемой при проектировании ПЖ определенного компонентного состава области факторного пространства число возможных долевых составов практически неограниченно и только один из этих составов для заданного регламента на значения показателей свойств является наиболее предпочтительным по отношению ко всем другим. Предложен алгоритм, который позволяет, оперируя непосредственно экспериментальным материалом, находить оптимальный состав по максимуму обобщенной функции качества или по минимуму стоимости 1 м3 ПЖ в околооптимальной области значений обобщенной функции качества.

15. Оперативный поиск оптимальных составов ПЖ возможен только при использовании современных информационных технологий. Созданное с этой целью автоматизированное рабочее место инженера-технолога по промывочным жидко-

стям (АРМ «Раствор») позволяет формировать и постоянно пополнять компьютерный банк технических характеристик ПЖ различного компонентного состава, оперативно выбирать из него оптимальные составы по задаваемым пользователями технологически необходимым значениям показателей свойств, оперативно пересматривать ранее принятые решения, меняя регламент на значения показателей свойств ПЖ в соответствии с изменениями геолого-технических условий бурения и др. При этом средняя относительная ошибка прогноза значений регламентируемых показателей свойств не превышает 8 %, что вполне удовлетворяет требованиям практики.

16. К требующим своего дальнейшего решения проблемам квалиметрии и оптимизации качества ПЖ, прежде всего, следует отнести типизацию геолого-технических условий бурения с позиций требований к качеству ПЖ; формирование групп показателей свойств ПЖ, подлежащих обязательному регламентированию в каждом из типов геолого-технических условий бурения; разработку научно-методических основ регламентирования значений показателей различных свойств ПЖ; исследование взаимосвязи между качеством и стоимостью 1 м3 ПЖ, качеством ПЖ и стоимостью 1 м бурения; создание и актуализацию отраслевых (межотраслевых) руководящих и методических материалов по оценке качества ПЖ и др.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии и брошюры

1. Чубик П.С. Квалиметрия буровых промывочных жидкостей. - Томск: Изд-во НТЛ, 1999. - 298 с.

2. Годунов Е.Б., Чубик П.С. Применение твердых горючих ископаемых для регулирования свойств промывочных жидкостей // Обзор. Серия «Техника, технология и организация геологоразведочных работ». - М.: Изд-во ЗАО «Геоинформ-марк», 1997. - 36 с.

3. Сулакшин С.С., Чубик П.С. Способы удаления продуктов разрушения и их теоретические основы. - Томск: Изд-во ТПИ, 1980. - 88 с.

4. Чубик П.С. Практикум по промывочным жидкостям. - Томск: Изд - во ТПИ, 1991. - 100 с.

5. Чубик П.С. Состояние разработок промывочных жидкостей и пути совершенствования их качества при алмазном бурении в осложненных условиях // Обзор. Серия «Техника и технология геологоразведочных работ; организация производства». - М.: Изд-во ВИЭМС, 1989. - 36 с.

Статьи и тезисы докладов

6. Нечаева Л.Н., Чубик П.С. Токсикологическое биотестирование в решении экологических проблем бурения II3 Междунар. конф. «Новые идеи в науках о Земле» / Тез. докл. пленар. засед. - М., 1997. - Том 4. - С. 62.

7. О механизме кавернообразования при бурении скважин на Корбалихинском месторождении (Рудный Алтай) / Чубик П.С., Сулакшин С.С., Кривошеев В.В., Борисенхов С.И. Л Геология и разведка. - М., 1983. - № 7. - С. 99 - 104.

8. Чубик П.С., Ахмадеев И.А., Годунов Е.Б. Перспективы применения торфо-

содержащих промывочных жидкостей в разведочном бурении // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. -Екатер1шбург: Изд-во УГИ, 1992. - С. 75 - 79.

9. Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б. Методика оценки консолидирующей (крепящей) способности промывочных жидкостей // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: Изд-во УГИ, 1993. - С. 50 - 56.

10. Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б. Методы оценки качества промывочных жидкостей при бурении в осложненных условиях // Тез. докл. 3-го Меж-дунар. симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. - СПб.: Изд-во СПбГГИ, 1995.-С. 36.

11. Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б. Оценка ингибирующей и диспергирующей способности промывочных жидкостей // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 1995. - С. 31 - 37.

12. Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б. Лриборно-методический комплекс для проектировать буровых растворов применительно к сложным геолого-техническнм условиям бурения // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М., 1998. - № 6. - С. 16-20.

13. Чубик П.С., Вылегжанин О.Н., Глинкин В.В. Автоматизированный выбор оптимальных составов буровых растворов // Нефтегазовые технологии. - М., 1998. - № 4. - С. 15-17.

14. Чубик П.С., Годунов Е.Б., Брылин В.И. Методика выбора промывочных жидкостей для бурения скважин в глинистых и глиносодержащих породах // Геология и разведка. - М., 1998. - № 5. - С. 109 - 118.

15. Чубик П.С. Классификация промывочных жидкостей // Техника и технология геологоразведочных работ в Сибири. - Томск: Изд-во ТЛИ, 1981. - С. 50 - 54.

16. Чубик П.С., Липин Г.В. Методика реометрических исследований псевдопластичных промывочных жидкостей // Новые данные по геологии и полезным ископаемым Красноярского края и Тувинской АССР. - Красноярск, 1987. - С. 117 -119.

17. Чубик П.С., Медведев Ю.Д., Харьковский В.И. Совершенствование методики определения выхода глинистого раствора по нормированной величине эффективной вязкости // Матер. 6 Всерос. студ. науч. конф. им. акад. М.А.Усова «Геология, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых». - Деп. в ВИЭМС 16.11.92, № 1046-мг92. - С. 44 - 47.

18. Чубик П.С. Методика выбора компонентного состава промывочных жидкостей для предотвращения кавернообразования в скважинах // Техника и технология бурения разведочных скважин. - Свердловск: Изд-во СГИ, 1985. - С. 75 - 81.

19. Чубик П.С. Методика выбора оптимальной рецептуры промывочной жидкости с использованием ЭВМ // Технология и техника геологоразведочных работ. -М.: Изд-во МГРИ, 1985. - С. 134 - 141.

20. Чубик П.С. Методика комплексной инженерной реометрии буровых растворов // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. - М., 1997. - № 5. - С. 12 - 15.

21. Чубик П.С. Методика расчета эффективной вязкости промывочных жидкостей II Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях. - Донецк: Изд-во ДЛИ, 1991.-С. 65-67.

22. Чубик П.С. Методологические аспекты оптимизации составов промывочных жидкостей // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. - Екатеринбург: Изд-во УГ7ТА, 1995. - С. 37 -40.

23. Чубик П.С. Метод расчета констант нитей прибора СНС-2 // Геологическое изучение и использование недр. - М.: Изд-во Геоинформмарк, 1995. - № I. -С. 66 - 68.

24. Чубик П.С., Нечаева Л.Н. Биоконтроль степени химического загрязнения окружающей среды при бурешш скважин на нефть и газ // Материалы III Между-нар. конф. по химии нефти. - Томск: Изд-во МГРИП «РАСКО», 1997. - Том 2. - С. 221 -222.

25. Чубик П.С., Нечаева Л.Н., Халецкий С.И., Годунов Е.Б. Биоконтроль токсичности буровых растворов // Тез. докл. Междунар. конф. «Фундаментальные и прикладные проблемы охрани окружающей среды - ПООС - 95». - Томск: Изд-во ТГУ, 1995.-Том3.-С. 121-122.

26. Чубик П.С. Новые концептуальные и практические решения в области буровых растворов // Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы нефтегазового комплекса России». - Уфа: Изд-во УГНТУ, 1995. - С. 23.

27. Чубик П.С. Оптимизация выбора промывочных жидкостей Л Тез. докл. 2-го Междунар. симпозиума по бурению разведочных скважин в осложненных условиях.-СПб., 1992.-С. 70.

28. Чубик П.С. Перспективы комплексной оптимизации составов промывочных жидкостей // Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы науч.-техн. прогресса в бурении геологоразведочных скважин». - Томск: Изд-во ТГУ, 1994. - С. 63 - 64.

29. Чубик П.С. Проблемы и пути совершенствования качества промывочных жидкостей // Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин. - Томск: Изд-во ТПИ, 1991. - С. 46 - 52.

30. Чубик П.С. Промывочные жидкости: новые подходы и решения // Тез. докл. 4-го Междунар. симпозиума по бурению скважин в осложненных условиях. -СПб: Изд-во СПбГГИ, 1998. - С. 36.

31. Чубик П.С. Пути совершенствования алгоритма оптимизации составов промывочных жидкостей // Тез. докл. Юбилейной научной конф., посвященной 100 - летаю со дня рождения Ф.А.Шамшева. - СПб.: Изд-во СПбГГИ, 1993. - С. 35.

32. Чубик П.С. Структура и возможности АРМ «Раствор» И Проблемы физико - химии и технологии дисперсных систем в бурении. - Екатеринбург: Изд-во УПТА, 1994. - С. 59 - 60.

33. Чубик П.С., Сулакшин С.С. Методика оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей // Геология и разведка. - М., 1986. - № 12. - С. 71 - 74.

34. Чубик П.С., Трикоз В.Н. Методика оценки показателей реологических свойств буровых растворов (СТП 5753526-056-94). - Томск: ТомскНИПИнефть, 1994. - 15 с.

35. Чубик П.С., Халецкий С.И., Годунов Е.Б. Экспресс-методика оценки токсичности промывочных жидкостей и их компонентов путем биотестирования // Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. «Проблемы науч.-техн. прогресса в бурении геологоразведочных скважин». - Томск: Изд-во ТГУ, 1994. - С. 64 - 66.

36. Чубик П.С. Экспертная оценка влияния различных факторов на выбор состава и свойств промывочных жидкостей при бурении скважин снарядами со съемными керноприемниками в условиях Кузбасса // Технология и техника геологоразведочных работ. - М.: Изд-во МГРИ, 1987. - С. 147 - 154.

37. Tchubik P.S., Vylegzhanin O.N., Glinkin V.V. Informational system for optimization of quality of complex products // Abstracts the Third Russian - Korean International Symposium on Science and Teclmology. - Novosibirsk: Novosibirsk State Technical University, 1999. - Vol. 1. - P. 281.

Авторские свидетельства, патенты, свидетельства па полезные модели

38. Способ определения закупоривающей способности промывочной жидкости и устройство для его осуществления: А.с. 1835503 СССР, МКИ5 G01N 15/08 / Брылин В.И., Чубик П.С., Годунов Е.Б.; Томский политехи, ун - т. - № 4921396 / 25; Заявл. 28.03.91; Опубл. 28.08.93, Бюл. № 31.

39. Способ определения влияния бурового раствора на консолидацию горных пород: Пат. 2073841 РФ, МКИ6 G 01 N 3/00 / Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б.; Томский политехи, ун-т. - № 5056883 / 28; Заявл. 28.07.92; Опубл. 20.02.97, Бюл. № 5.

40. Способ определения влияния бурового раствора на разупрочнение глинистых и глиносодержащих пород: Пат. 2073227 РФ, МКИ6 G 01 N 3/00 / Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б.; Томский политехи, ун - т. - № 93028581 / 28; Заявл. 26.05.93; Опубл. 10.02.97, Бюл. №4.

41. Способ определения закупоривающей способности бурового раствора с наполнителем: Пат. 2062452 РФ, МКИ6 G 01 N 15/08 / Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б.; Томский политехи, уи-т. - № 94011407 / 25; Заявл. 01.04.94; Опубл. 20.06.96, Бюл. № 17.

42. Способ определения токсичности химических веществ в водной среде: Пат. 2112977 РФ, МКИ6 G 01 N 33/18 / Чубик П.С., Нечаева Л.Н., Брылин В.И.; Томский политехи, ун-т. - № 96111278 / 13; Заявл. 04.07.96; Опубл. 10.06.98, Бюл. № 16.

43. Устройство для определения смазочной способности промывочной жидкости: Пат. 2044301 РФ, МКИ6 G 01 N 19/02 / Чубик П.С., Брылин В.И.; Томский политехи, ун-т. - № 5006929 / 28; Заявл. 22.07.91; Опубл. 20.09.95, Бюл. № 26.

44. Устройство для определения закупоривающей способности бурового раствора с наполнителем: Свид-во 1147 РФ на пол. модель, МКИ6 G 01 N 15/08 / Чубик П.С., Брылин В.И., Годунов Е.Б.; Томский политехи, ун - т. - № 94011408 / 25; Заявл. 01.04.94; Опубл. 16.11.95, Бюл. № 11.

45. Устройство для формирования модельных образцов: Свид-во 2307 РФ на пол. модель, МКИ6 G 01 N 1/28 / Чубик П.С., Брылин В.И.; Томский политехи, унт. - № 95106518/20; Заявл. 24.04.95; Опубл. 16.06.96, Бюл. № 6.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ШЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ И ОШИМИЗ/ШЦИ КАЧЕСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖВДЮС1ЕЙ

1.1. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ КВАЛИМЕТРИИ

1.1.1. Общие понятия о квалиметрии.

1.1.2. Свойства продукции как объекта квалиметрии

1.1.3. Актуальность количественной оценки и повышения качества продукции.

1.1.4. Взаимосвязь квалиметрии с метрологией, стандартизацией и сертификацией.

1.1.5. Классификация продукции с позиций квалиметрии

1.1.6. Виды показателей качества продукции.

1.1.7. Методы оценки качества продукции.

1.2. МЕТОДОЛОГИЯ И ПРОБЛЕМЫ ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА

1.2.1. Актуальность и основные проблемы оптимизации качества продукции.

1.2.2. Сущность системы управления качеством.

1.2.3. Характеристика промывочной жидкости как объекта управления.

1.2.4. Основные проблемы квалиметрии и оптимизации качества промывочных жидкостей.

1.2.5. Цель и задачи исследований.

Глава 2. ИООВДЖШИЕ И РАЗРАГОЖ4 МЕТОДИК ОЦЕНКИ ВАЖНЕЙШИХ ФУНКЦИОНАЛЬНА СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖВДЮСТЕЙ ДЛЯ БУРЕНИЯ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГО-ТЕХНИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ.

2.1. РЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

2.1.1. Состояние и проблемы реометрии промывочных жидкостей

2.1.2. Приборно-методические основы реометрии промывочных жидкостей.

2.1.3. Обоснование комплекса показателей для оценки реологических свойств промывочных жидкостей

2.2. ИНГИБИРУЮЩАЯ, ДИСПЕРГИРУЮЩАЯ И

КОНСОЛИДИРУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ.

2.2.1. Основные понятия об ингибирующей способности промывочных жидкостей.

2.2.2. Показатели и методики оценки ингибирующей способности промывочных жидкостей.

2.2.3. Диспергирующая способность промывочных жидкостей

2.2.4. Консолидирующая способность промывочных жидкостей

2.3. ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

2.3.1. Роль триботехнических свойств промывочных жидкостей в повышении эффективности буровых работ.

2.3.2. Способы измерения коэффициента триады трения «бурильные трубы - промывочная жидкость - стенка ствола скважины»

2.4. ЗАКУПОРИВАЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ.

2.4.1. Потенциальные возможности изоляции каналов поглощения промывочных жидкостей вводом в них закупоривающих материалов

2.4.2. Анализ методов испытаний закупоривающих материалов

Выводы по главе 2.

Глава 3. ШЖМШ1ИРОВДНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ОСНОВНЫХ ПЖЛЗАТЕЖЙ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПРОМЫВОЧНЫХ ШдаХЛЕЙ: СУЩЕСГОУЮЩНЕ И НОВЫЕ ПОДХОДЫ И РЕШЕНИЯ

3.1. ПЛОТНОСТЬ.

3.2. УСЛОВНАЯ ВЯЗКОСТЬ.

3.3. ФИЛЬТРАЦИОННО - КОРКООБРАЗУЮЩИЕ СВОЙСТВА 183 3.3.1. Общая характеристика процесса фильтрации промывочных жидкостей в околоствольное пространство скважин и образования на их стенках фильтрационной корки.

3.3.2. Измерение проницаемости фильтрационной корки

3.3.3. Регламентирование значений показателя фильтрации

3.4. СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

3.5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

Выводы по главе

Глава 4. РАЗРАБОТКА НАУЧНО - МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ЭКШООШЦЩИ ПРОМЫВОЧНЬ1Х ЖВДСОС1ЕЙ.

4.1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПУТИ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ " ЖИДКОСТЕЙ

4.1.1. Актуальность экологизации промывочных жидкостей

4.1.2. Анализ путей экологизации промывочных жидкостей

4.2. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК ОСНОВА РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В БУРЕНИИ

4.2.1. Краткий обзор биотестов с позиций их пригодности для оценки экотоксичности промывочных жидкостей.

4.2.2. Сущность инструментальной методики токсикологического биотестирования промывочных жидкостей и их компонентов

4.3. ОСНОВЫ ЭКОТЕХНОЛОГИИ ПРОМЫВКИ СКВАЖИН

4.3.1. Критерий оценки уровня экотехнологии промывки скважин

4.3.2. Алгоритм расчета объемов основных отходов бурения

Выводы по главе 4.

Глава 5. РАЗРАБОТКА НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ ПГОЖШРОВДНИЯ И ОТШМШАЦИИ СОСТАВОВ ПРОМЫВОЧНЫХ

ЖВДГОС1ЕЙ.

5.1. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

5.1.1. Общие понятия о технической характеристике промывочной жидкости

5.1.2. Планирование экспериментов по методу комбинационных квадратов.

5.1.3. Обработка результатов экспериментов с получением нелинейных моделей

5.1.4. Обработка результатов экспериментов с получением линейных моделей . 2^

5.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ОПТИМИЗАЦИИ КАЧЕСТВА ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

5.2.1. Методика обобщенной оценки качества промывочных жидкостей.

5.2.2. Алгоритм поиска оптимальных составов промывочных жидкостей во всей исследованной при проектировании области факторного пространства.

5.2.3. Возможности и перспективы автоматизированного выбора оптимальных составов промывочных жидкостей.

Выводы по главе

Актуальность проблемы. Скважины являются самым надежным источником информации о наличии в недрах полезных ископаемых и их запасах, а также единственно возможным каналом связи между глубокозалегающими га-зонефтеводосодержащими пластами и дневной поверхностью.

Бурение скважин всегда было и сегодня остается чрезвычайно капиталоемким. По этой причине поиск резервов повышения эффективности буровых работ - важнейшая задача, которая в связи с кризисными явлениями в экономике России стала еще более актуальной.

Собственно бурение скважин, как известно, заключается в разрушении горных пород на забое, удалении продуктов разрушения с забоя на поверхность, спуске и подъеме бурового снаряда. ;

Самый распространенный способ удаления продуктов разрушения - гидравлический, который осуществляется путем принудительной циркуляции в скважине жидкости, называемой промывочной. В мировой практике 95 % всего объема буровых работ выполняется с использованием промывочных жидкостей на водной основе. Основными компонентами таких промывочных жидкостей являются вода, глина, химические реагенты и значительно реже - утяжелители и закупоривающие материалы (наполнители).

Однако роль промывочной жидкости не сводится только к удалению из скважины разрушенной породы. Как среда, в которой протекают практически все процессы, связанные с бурением скважин, она во многом определяет степень использования потенциальных возможностей и ресурс работы бурового оборудования и инструмента, механическую скорость бурения, вероятность возникновения различного рода осложнений (нарушений устойчивости горных пород в околоствольном пространстве скважин, поглощений, флюидопроявлений и т.д.); качество вскрытия продуктивных пластов, качество геологической и геофизической информации, затраты всех видов ресурсов и др. Не случайно промывочную жидкость называют «кровью» скважины. И, как показывает накопленный опыт, это образное сравнение вполне справедливо, особенно при бурении в сложных геолого-технических условиях, которые характеризуются наличием в разрезе слабоустойчивых и высокопроницаемых пород, высокими температурами и давлениями, электролитной агрессией, сложной пространственной конфигурацией ствола скважины и т.п. Таким образом, несомненно, что повышение качества промывочных жидкостей действительно является мощным резервом дальнейшего роста эффективности буровых работ.

Осознание необходимости повышения качества промывочных жидкостей наступило не сегодня. Достаточно сказать, что к настоящему времени опубликовано поистине огромное число работ, так или иначе посвященных этой проблеме, наибольший вклад в решение которой внесли Аветисов А.Г., Аветисян Н.Г., Агабальянц Э.Г., Ангелопуло O.K., Баранов B.C., Белкин O.K., Булатов А.И., Войтенко B.C., Гайдуков Ю.И., Глебов В.А., Городнов В.Д., Грей Дж.Р., Дарли Г.С.Г., Дедусенко Г.Я., Демихов В.И., Евецкий В.А., Есьман Б.И., Жигач К.Ф., Жуховицкий С.Ю., Зарипов С.З., Иванников В.И., Ивачев Л.М., Кистер Э.Г., Конесев Г.В., Косаревич И.В., Круглицкий H.H., Крысин Н.И., Кудряшов Б.Б., Леонов Е.Г., Липкес М.И., Литяева З.А., Мавлютов М.Р., Маковей Н., Ма-маджанов У.Д., Марамзин A.B., Мариампольский H.A., Мирзаджанзаде А.Х., Михеев В.Л., Паус К.Ф., Пеньков А.И., Проселков Ю.М., Ребиндер П.А., Рез-ниченко И.Н., Ржепка A.B., Роджерс В.Ф., Рябченко В.И., Рязанов Я.А., Сеид-Рза М.К., Сидоров H.A., Фигурак A.A., Филатов Б.С., Шарипов А.У., Шептала Н.Е., Шищенко Р.И., Щеголевский Л.И., Яковлев A.M., Ятров С.Н. и др.

Однако многокомпонентность, многофункциональность, многообразие свойств и геолого-технических условий бурения делают промывочную жидкость весьма сложной системой. Ее сложность обусловлена и другими факторами. В частности, поскольку качество промывочной жидкости на водной основе в значительной мере определяется видом и концентрацией вводимых в нее химических реагентов, ассортимент которых чрезвычайно широк, то промывочная жидкость - это химическая продукция, представляющая потенциальную опасность для окружающей природной среды (ОПС). Отличительной- особенностью промывочной жидкости является и очень короткий «жизненный цикл», в конце которого она, как правило, вся превращается в отходы.

Указанные обстоятельства действительно существенно осложняют решение проблем, связанных с повышением качества промывочных жидкостей. Вместе с тем возможность их успешного решения сдерживается и из-за отсутствия необходимого научно-методического, приборного и программного обеспечения.

Данная работа призвана отчасти ликвидировать все эти пробелы. Так, в ней впервые промывочные жидкости рассмотрены с позиций системного анализа и квалиметрии - науки о количественной оценке качества; предложены новые методы определения не только ряда их функциональных, но и экологических свойств; обобщены подходы к регламентированию значений показателей этих свойств; разработаны оригинальные методики и алгоритмы проектирования и оптимизации составов промывочных жидкостей, в том числе с использованием современных информационных технологий.

Идея работы заключается в интенсификации развития теории и практики квалиметрии, оптимизации качества и экологизации промывочных жидкостей за счет создания современного научно-методического, приборного и программного обеспечения, пригодного для решения как научно - исследовательских, так и производственных задач.

Цель работы - расширение, углубление, систематизация (упорядочивание) представлений о промывочных жидкостях и разработка научно - методических основ оптимизации их качества, обеспечивающих повышение эффективности и экологической безопасности буровых работ.

Задачи исследований. В результате анализа современных представлений о квалиметрии и системного анализа промывочных жидкостей как объекта, ква-лиметрии установлено, что для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- теоретически и экспериментально обосновать общую совокупность свойств и показателей, необходимых и достаточных для всесторонней оценки качества промывочных жидкостей с позиций известных и перспективных их функций, расхода ресурсов на их приготовление и эксплуатацию, выполнения ими требований безопасности труда и охраны ОПС;

- на основе теоретических и экспериментальных исследований разработать принципиально новые и усовершенствовать существующие методы и технические средства измерения показателей важнейших функциональных, а также экологических и других свойств промывочных жидкостей, всесторонне характеризующих их качество;

- изучить, обобщить и обосновать наиболее перспективные пути решения экологических проблем, связанных с использованием промывочных жидкостей;

- исследовать факторы, определяющие объемы основных буровых отходов и интоксикацию промывочных жидкостей в процессе бурения, и на этой основе разработать методику оценки уровня экотехнологии промывки (бурения) скважин;

- разработать общие принципы, критерии и алгоритмы комплексной (обобщенной) оценки и оптимизации качества промывочных жидкостей;

- разработать минимально трудоемкую технологию проектирования промывочных жидкостей и программное обеспечение для автоматизированного выбора их оптимальных составов;

- создать научно-методические основы отраслевого (межотраслевого) методического руководства по оценке и оптимизации качества промывочных жидкостей.

Методы исследований. Поставленные задачи решались с использовани ем комплекса методов, включающего в себя методы эмпирического уровня (сравнение, измерение, метод проб и ошибок), методы экспериментально-теоретического уровня (эксперимент, в том числе активный; анализ и синтез, аналогия и моделирование, гипотетический и логический методы), методы теоретического уровня (абстрагирование, формализация, анализ и синтез, обобщение) и методы метатеоретического уровня (системный анализ).

Обработка экспериментальных данных, а также их статистический и корреляционно-регрессионный анализ осуществлялись с помощью ПЭВМ с использованием пакета стандартных и разработанных автором программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в создании методологии целенаправленного повышения качества промывочных жидкостей, обеспечивающей возможность сравнивания различных промывочных жидкостей между собой; выбора из них наиболее предпочтительной; объективной оценки достигнутого технического уровня разработки промывочных жидкостей; определения наиболее рациональных путей совершенствования их качества; выявления характера и степени влияния на него различных факторов; сокращения номенклатуры компонентов промывочных жидкостей до некоторого рационального минимума и т.д., в основу которой положено следующее:

- количественная оценка качества промывочных жидкостей как мера соответствия фактических значений показателей их регламентируемых свойств эталонным значениям, задаваемым для конкретных условий бурения исходя из требований эффективного выполнения промывочной жидкостью необходимых функций, рационального расходования ресурсов на ее приготовление и эксплуатацию, безопасности труда, охраны ОПС;

- всесторонняя оценка качества промывочной жидкости на стадии ее проектирования по всей совокупности свойств, определяющих способность промывочной жидкости выполнять требуемые функции, вероятность ее интоксикации в процессе бурения и образования излишних объемов буровых отходов, которая включает в себя реологические и триботехнические свойства, ин-гибирующую, консолидирующую и закупоривающую способность, определяемые с помощью новых и усовершенствованных методов и технических средств;

- комплексная (обобщенная) оценка качества промывочных жидкостей, формируемая как среднее геометрическое единичных оценок качества, рассчитываемых по оригинальной методике, которая обеспечивает однозначность и повышает объективность обобщенной оценки;

- оценка экотоксичности промывочных жидкостей с помощью специально разработанного инструментального биотеста;

- оценка уровня экотехнологии промывки скважин и технологии их бурения в целом по величине отношения суммы ущерба, причиняемого ОПС буровыми отходами, к номинальному плановому объему горной породы, разрушаемой в процессе бурения;

- постоянное совершенствование трудно формализуемой процедуры регламентирования, заключающейся в установлении образцово правильных (желательных) пределов изменения значений показателей свойств промывочной жидкости для конкретных reo лого-технических условий бурения;

- создание и постоянное пополнение компьютерного банке, технических характеристик, представляющих собой получаемую по минимальному числу опытов информацию, характеризующую связь значений показателей свойств промывочных жидкостей различного компонентного состава с концентрацией составляющих их компонентов;

- применение информационных технологий (автоматизированных .систем), обеспечивающих оперативный выбор из компьютерного банка техниче ских характеристик промывочных жидкостей таких их компонентных и долевых составов, которые максимально удовлетворяют требованиям задаваемого регламента на значения показателей свойств.

В работе защищаются следующие научные положения .

1) переход от экстенсивного к интенсивному развитию области знания о промывочных жидкостях базируется на количественной оценке их качества, являющейся мерой соответствия фактических значений показателей свойств промывочных жидкостей эталонным значениям, которые должны устанавливаться для конкретных условий бурения с позиций эффективного выполнения промывочной жидкостью требуемых функций, обеспечения безопасности обслуживающего персонала и недопустимости вредных воздействий на' окружающую природную среду;

2) при бурении в осложненных условиях эффективность выполнения промывочной жидкостью требуемых функций, вероятность ее интоксикации и образования излишних объемов буровых отходов в значительной мере определяются реологическими и триботехническими свойствами, а также ингиби-рующей, консолидирующей и закупоривающей способностью, разработанные методики оценки которых пригодны не только для решения задач квалимет-рии, но и для производства новых знаний об этих свойствах, обеспечивая тем самым дальнейшее развитие теории и практики промывочных жидкостей;

3) промывочная жидкость, содержащая химические реагенты и добавки, представляет для ОПС потенциальную опасность, масштабы и степень которой определяются объемом промывочной жидкости, поступающей в ОПС в процессе бурения скважин, объемом образующихся при их промывке отходов, размещаемых в ОПС по окончании буровых работ, а также экотоксичностью промывочной жидкости и указанных отходов, интегральная оценка которой может быть дана лишь путем биотестирования, в частности, с помощью специально разработанного для этой цели биотеста;

4) целенаправленное повышение качества промывочных жидкостей базируется на создании и регулярном пополнении банка их технических характеристик, на постоянном совершенствовании процедуры регламентирования значений показателей свойств и создании автоматизированных систем, обеспечивающих оперативный выбор из банка технических характеристик промывочных жидкостей таких их компонентных и долевых составов, которые максимально удовлетворяют требованиям задаваемого регламента на значения показателей свойств.

Практическая ценность работы заключается в создании приборно - методического комплекса для проектирования промывочных жидкостей применительно к сложным геолого-техническим условиям бурения; инструментальной методики оценки экотоксичности промывочных жидкостей, их компонентов и отходов бурения путем биотестирования; автоматизированного рабочего места (АРМ) «Раствор» для оперативного выбора оптимальных составов промывочных жидкостей по задаваемым пользователями технологически необходимым значениям показателей свойств, а также основы отраслевого (межотраслевого) методического руководства по проектированию, оценке и оптимизации качества промывочных жидкостей в виде опубликованной по результатам исследований монографии «Квалиметрия буровых промывочных жидкостей».

Реализация результатов исследований:

- опытные образцы разработанных приборов для оценки ингибирующей и консолидирующей способности промывочных жидкостей (ПОИКС, пресс для формирования модельных образцов пород), закупоривающей способности наполнителей (ПНД, ППД) и трибометра изготовлены в экспериментально-опытных мастерских ТПУ; техническая документация на перечисленные приборы передана Ижевскому электромеханическому заводу для проведения маркетинговых исследований; .

- созданный приборно-методический комплекс для проектирования промывочных жидкостей апробирован в процессе разработки компьютерного банка технических характеристик промывочных жидкостей для бурения скважин на объектах работ ОАО «Томскнефтегазгеология»; первая версия АРМ «Раствор» со сформированным банком данных внедрена в практику работ ОАО «Томскнефтегазгеология»; выбранные из этого банка оптимальные составы промывочных жидкостей внедрены в Александровской НГРЭ, где за период с 1993 по 1999 г.г. с их использованием пробурено 27 скважин, что обеспечило рост механической скорости бурения с 0,7 до 1,2ч-1,3 м/ч; увеличение проходки на породоразрушающий инструмент с 5,2 до 6,5ч-6,8 м; снижение коэффициента кавернозности ствола с 1,10 до 1,02ч-1,03 (Приложение 1);

- монография «Квалиметрия буровых промывочных жидкостей» распространена среди вузов стран СНГ, осуществляющих подготовку специалистов по бурению скважин; научно-исследовательских организаций, занимающихся проектированием промывочных жидкостей, а также производственных организаций Министерства природных ресурсов и Минтопэнерго Российской Федерации;

- СТП 5753526-056-94 «Методика оценки показателей реологических свойств буровых растворов» и компьютерная программа «Реология» в 1994 г. внедрены и по настоящее время используются в практике работ ООО «Бурение-1» (Приложение 3);

- разработанный способ определения токсичности химических веществ в водной среде (патент РФ № 2112977) в 1997 г. прошел апробацию в Испытательном научно-производственном центре «Том-Аналитика» при ТПУ и внедрен в практику мониторинга подземных и поверхностных вод, осуществляемого территориальным центром «Томскгеомониторинг» (Приложение 2);

- научные и практические результаты исследований используются при чтении лекций и проведении лабораторных занятий по дисциплинам «Удаление продуктов разрушения при бурении», «Буровые промывочные и тампо-нажные растворы», «Химия промывочных жидкостей» и «Научные методы планирования экспериментов в бурении» для студентов специальностей 080700 «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых» и 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин», подготовке студентами этих специальностей выпускных квалификационных работ, а также для подготовки аспирантов по научным специальностям 05.15.14 «Технология и техника геологоразведочных работ» и 05.15.10 «Бурение скважин».

Исходные материалы и личный вклад соискателя. Диссертация базируется на материалах, полученных в результате НИР, выполненных по хоздоговорам с ПГО «Новосибирскгеология», «Запсибгеология», «Востказгеология», «Томскнефтегазгеология»; трестом «Кузбассуглеразведка», специализированным управлением «Томскбурнефть» ОАО «Томскнефть»; по госбюджетным программам «Прогресс и регион», «Нефтегазовые ресурсы Западной Сибири» и грантам в области геологии, а также на инициативной основе (№№ госрегистрации 76002450, 80060498, 01830018705, 01830069726, 01870007178, 01900066522, 01930005260, 01930010612, 01940005677 и др.). В большей части перечисленных НИР автор выступал в качестве научного руководителя. При выполнении диссертационной работы кроме собственных материалов использованы и заимствованные материалы, опубликованные как в отечественной, так и в зарубежной печати.

Лично соискателю принадлежат практически все реализованные в диссертационной работе научные и технические идеи, им разработаны методики планирования экспериментов и обработаны их результаты, проведены теоретические исследования, обоснованы математические модели, разработаны алгоритмы решения задач и др. Автор лично участвовал в проведении экспериментальных исследований, в лабораторной апробации разработок (методик, приборов, СТП, АРМ), а также в их внедрении в практику работ буровых предприятий и научно - исследовательских организаций.

Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских научно - технических конференциях «Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин» (Томск, 1979, 1984, 1989, 1994); отраслевом семинаре «Творчество молодежи - Томской нефти» (Стрежевой, 1986); V краевой молодежной конференции НТО «Горное» (Шушенское, 1987); IV региональной научно-технической конференции «Научные и практические проблемы геологоразведки» (Санкт-Петербург, 1990); Всесоюзной конференции «Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях» (Донецк, 1991); 2, 3 и 4 Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1992, 1995, 1998); научной конференции, посвященной 100 - летию со дня рождения Ф.А.Шамшева (Санкт-Петербург, 1993); Межреспубликанской научной конференции «Проблемы физико-химии и технологии дисперсных систем в бурении» (Екатеринбург, 1994); Международной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды» (Томск, 1995); Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса России» (Уфа, 1995); научно-технической конференции «Бурение скважин в осложненных условиях» (Донецк, 1996); 3 Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 1997); III Международной конференции по химии нефти (Томск, 1997); НТС ПГО «Запсибгеология» (Новокузнецк), «Востказгеология» (Усть-Каменогорск), «Томскнефтегазгеология» (Томск), Рудно - Алтайской ГРЭ (Змеиногорск), научных семинарах кафедр техники разведки месторождений полезных ископаемых и бурения нефтяных и газовых скважин ТПУ.

Разработки по теме диссертации экспонировались на выставке-ярмарке «Товары народного потребления, промышленная и научно-техническая продукция» (Томск, 1993); выставке, посвященной 100 - летию ТПУ (Томск, 1996); Первой международной специализированной выставке «Газ. Нефтехимия. Топливная энергетика» (Томск, 1997); выставке-ярмарке «Интеграция-97» (Томск, 1997); выставке-ярмарке научно-технической продукции и учебно - методических разработок, посвященной 50 - летию УГНТУ (Уфа, 1998); выставке «Интеграция науки, образования, производства», посвященной XXXII заседанию Совета Межрегиональной Ассоциации «Сибирское соглашение» (Томск, 1999). Они также включены в сборник научно-технических достижений ученых ТПУ, базу инвестиционно - привлекательных проектов ТПУ и во второй выпуск каталога научно-технических достижений организаций высшей школы России.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе монография, 2 брошюры, 2 учебных пособия, 21 статья, тезисы 10 докладов, стандарт предприятия (СТП); получено 1 авторское свидетельство и 5 патентов на изобретения, а также 2 свидетельства на полезные модели.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность всем сотрудникам ТПУ, принимавшим участие в выполнении данной работы, дававшим конструктивные советы, благожелательно критиковавшим автора и оказывавшим ему поддержку в организации и проведении исследований, и персонально - доцентам кафедры техники разведки месторождений полезных ископаемых Годунову Е.Б. и Брылину В.И., ассистенту кафедры бурения нефтяных и газовых скважин Нечаевой Л.Н., доцентам факультета автоматики и вычислительной техники Воловоденко В.А. и Вылегжанину О.Н. - за активную помощь в проведении экспериментальных исследований, конструировании приборов, разработке алгоритмов и компьютерных программ; а также инженерно-техническому персоналу производственных организаций за содействие в апробации разработок и их внедрении в практику бурения.

Автор особо благодарен своему учителю профессору Сулакшину С.С., который не только инициировал его интерес к проблемам повышения качества промывочных жидкостей, но и способствовал выполнению данной работы ценными консультациями, своей энергией и просто человеческой доброжелательностью.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 370 страницах машинописного текста, содержит 50 рисунков, 66 таблиц и состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы из 159 наименований и 3 приложений.

Выводы по главе 3

1. Разработка, обоснование и установление прогрессивных требований к значениям показателей различных свойств промывочных жидкостей или, иными словами, их регламентирование - важнейшая задача, которая в силу своей сложности однозначного решения пока не имеет. Однако это обстоятельство целенаправленному повышению качества промывочных жидкостей не препятствует, поскольку предлагаемая автором методология предусматривает возможность оперативного пересмотра предыдущих решений при любой актуализации регламента на значения показателей свойств промывочной жидкости.

2. Для снижения негативного влияния дифференциального давления на эффективность работы породоразрушающего инструмента необходимо стремиться к уменьшению гидродинамического давления, что требует снижения плотности, вязкости и скорости потока промывочной жидкости, а также увеличения зазора между бурильными трубами и стенками скважины, и повышению порового давления на глубине разрушения породы до величины гидродинамического давления, что возможно при мгновенном проникновении фильтрата или самой промывочной жидкости в поры призабойной части разбуриваемого пласта или в трещины отрыва (выкола) породы.

3. Значения условной вязкости промывочных жидкостей определяются их плотностью, пластической вязкостью и статическим напряжением сдвига через 10 мин покоя. Выявленная взаимосвязь показателей, имеющих строгий физический смысл, с таким широко используемым в буровой практике показателем как условная вязкость, обеспечивает возможность обоснованного регламентирования ее значений.

4. Минимизация фильтрационных потерь промывочных жидкостей на водной основе достигается увеличением в них доли прочносвязанной воды, снижением проницаемости образующейся на стенках скважин фильтрационной корки и повышением вязкости фильтрата. При этом какая-либо взаимосвязь между показателями, характеризующими статическую и динамическую фильтрацию промывочных жидкостей, отсутствует. Единственным общим фактором, определяющим скорость как статической, так и динамической фильтрации, является проницаемость фильтрационной корки, которая может быть определена с помощью прибора ВМ-6.

5. Для регламентирования значений показателя статической фильтрации (Фвм-б) целого ряда различных типов промывочных жидкостей рекомендуется использовать полученные во ВНИИКРнефти зависимости между значениями показателя фильтрации при высоких температурах и давлениях (Ф1; р) и значениями показателя фильтрации при температуре равной 20 °С.

6. Предположительно каждой промывочной жидкости соответствует своя оптимальная величина показателя статической фильтрации, отступление от которой в ту или иную сторону чревато увеличением скорости динамической фильтрации со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Подтверждение этой гипотезы обеспечит возможность регламентирования значений показателя статической фильтрации промывочных жидкостей с позиций минимизации скорости их динамической фильтрации - главного показателя фильтрационно - коркообразующих свойств.

7. При известных геометрических размерах измерительного цилиндра и упругих нитей прибора СНС-2 значения их констант с достаточно высокой точностью могут быть найдены расчетным путем без традиционной тарировки с использованием рычажно-шкивной системы.

8. Для предупреждения возможных осложнений при бурении скважин в глинистых и глиносодержащих породах максимальную величину водородного показателя промывочной жидкости следует ограничивать значением 9,2.

9. Значения удельного электрического сопротивления при температуре в скважине (УЭС{) по результатам измерений его на поверхности (УЭС2о) могут быть рассчитаны по формуле УЭС^УЭСУР. + (-202-10^ 12 + 41,9-10"31 -0,788)], где I - температура в скважине, °С.

Глава 4

РАЗРАБОТКА НАУЧШ-ЛЖЮДИЧЕСКИХ ОСНОВ эшгаи&шщ промывочных жвдкюспй

4.1. АКТУАЛЬНОСТЬ И ПУТИ ЭКОЛОГИЗАЦИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

4.1.1. Актуальность экологизации промывочных жидкостей

Экологизация промывочных жидкостей - это теоретическая и практическая деятельность, направленная на предупреждение или предотвращение их отрицательного воздействия на окружающую природную среду (ОПС). Такое, предлагаемое автором, определение полностью согласуется с определением «экологизация технологий (производства)», данным Реймерсом Н.Ф. в работах [90,91].

Экологизация промывочных жидкостей особо актуальна при массовом бурении достаточно глубоких скважин в районах, которые характеризуются неблагоприятными почвенно-ландшафтными и природно-климатическими условиями с позиций самоочищающей способности ОПС. По определению ЮНЕСКО, ОПС - это та часть мира, с которой человек находится во взаимодействии, которую использует, учитывает в своем взаимодействии и к которой приспосабливается. При этом под самоочищающей способностью ОПС понимают процессы, сопровождающиеся окислением (трансформацией) загрязняющих ее веществ, их разложением или распадом (диссимиляцией), а также нейтрализацией и биологическим превращением в другие, экологически чистые формы.

Массовое бурение достаточно глубоких скважин имеет место, прежде всего, при разработке залежей углеводородного сырья скважинами, сооружаемыми с кустовых площадок, и детальной разведке месторождений полиметаллов, железной руды, угля и ряда других полезных ископаемых. К неблагоприятной же с точки зрения самоочищающей способности природной среды относится большая часть территории Российской Федерации (Западная и Восточная

Сибирь, Полярный Урал, Тимано-Печерский бассейн и др.). Достаточно отметить, что под влиянием только Западно-Сибирского нефтегазового комплекса находится около 10 тыс. водных объектов, среди которых явно преобладают мелкие озера, ручьи, реки, болота. Самоочищающая способность малых водотоков, особенно при низких температурах (5-6 °С), когда процессы биохимического окисления практически прекращаются, а скорость химических реакций резко замедляется, крайне низка, поэтому продолжительность их «самоочистки» от загрязняющих веществ составляет от 3-5 до 10-12 лет.

Основными факторами, обусловливающими актуальность экологизации промывочных жидкостей как в обозначенных выше рамках, так и за их пределами, являются следующие.

1. Промывочная жидкость, как производственная продукция, используемая в процессе получения другой, более важной, продукции, каковой является скважина, имеет весьма непродолжительный «жизненный цикл» (от суток до нескольких месяцев), в конце которого она, как правило, вся превращается в отходы.

Объемы отходов бурения, в которых значительная доля приходится именно на отработанные промывочные жидкости (ОПЖ), огромны [17, 54]. Так, в 1989 г. в СССР при объеме буровых работ на нефть и газ равном 42,784 млн. м суммарный объем отходов бурения составлял 26,526 млн. м , т.е. 0,62 л м /м [18]. Эти данные можно считать вполне объективными, поскольку за рубежом при более совершенной технологии бурения на 1 м проходки получают о

0,52 м буровых отходов [151]. В 1990 г. объемы отходов бурения на предприятиях нефтегазодобывающей промышленности СССР равнялись 26,795 млн. м3, из которых 38,9 % приходилось на буровые сточные воды (БСВ), 32 % - на ОПЖ и 29,1% - на буровой шлам (БШ).

Приведенные цифры позволяют по известному объему буровых работ с достаточно высокой степенью достоверности прогнозировать не только суммарные объемы буровых отходов, но и объемы БСВ, ОПЖ и БШ. Так, например, можно предположить, что в 1997 г. при объеме эксплуатационного и разведочного бурения по Миптопэнерго Российской Федерации равном соответственно 6,998 и 1,007 млн. м, общий объем отходов бурения составлял порядка

•2 О

5 млн. м , из которых около 1,6 млн. м приходилось на ОПЖ.

2. Промывочная жидкость - это химическая продукция, что обусловлено использованием для ее получения широкого ассортимента различных материалов, химических реагентов и добавок. Как уже отмечалось, только в США выпускается свыше 1900 наименований различных компонентов промывочных жидкостей, производством которых занимаются около 100 фирм. Таким образом, попадание промывочной жидкости или ОПЖ, как и любой другой химической продукции, в ОПС потенциально таит в себе опасность проявления негативных последствий.

Реальная же опасность нанесения ущерба ОПС промывочными жидкостями и ОПЖ, связана с совместным действием следующих трех факторов: высокой вероятностью их попадания в различные объекты ОПС, токсичностью содержащихся в них химических веществ и высокой концентрацией последних. Действительно, при полном исключении возможности попадания даже самой высокотоксичной промывочной жидкости или ОПЖ в ОПС нанести ей какой-либо вред невозможно. Точно также обстоит дело и в том случае, если промывочная жидкость или ОПЖ, поступающие сами или принудительно сбрасываемые в ОПС, являются абсолютно нетоксичными по отношению к ней. Сколь ни будь значительной угрозы ОПС не возникает и тогда, когда промывочная жидкость или ее отходы, поступающие в ОПС, содержат в своем составе высокотоксичные вещества, но их концентрация ничтожно мала (следует помнить, что даже самое высокотоксичное вещество при нулевой концентрации абсолютно безопасно, в то время как высокая концентрация малотоксичного вещества может оказаться для ОПС чрезвычайно опасной!).

Рассмотрим более детально влияние каждого из перечисленных выше факторов на вероятность нанесения ущерба ОПС.

Отходы бурения обычно накапливаются и временно хранятся в так называемых шламовых амбарах (ША) или отстойниках, которые сооружаются в минеральном грунте или внутри насыпных (намывных) площадок из грунта. При этом дно и стенки ША какой-либо гидроизоляции чаще всего не имеют, что неизбежно приводит к поступлению отходов бурения в ОПС. Содержимое ША попадает в ОПС и в процессе их рекультивации, которая нередко ограничивается засыпкой ША минеральным грунтом, причем без предварительной откачки из них ОПЖ и БСВ. Вместе с тем фактические затраты даже на такую «рекультивацию» одного ША в конце 1993 г. составляли более 20 млн. рублей.

При несвоевременной рекультивации ША их содержимое попадает в ОПС по причине переполнения, вызванного затоплением ША талыми, ливневыми и паводковыми водами, или разрушения обваловки ША. И таких ША достаточно много. Так, в 1989 г. в СССР было 1585 не ликвидированных ША. На балансе Стрежевского УБР на конец 1990 г. числилось 260 ША, за этот же год было рекультивировано только 13. На Вахском нефтяном месторождении (Нижневартовский район Тюменской обл.) на конец 1993 г. существовало 123 ША, из которых к этому времени было рекультивировано лишь 58.

По расчетам авторов работы [18] из-за несвоевременной ликвидации ША в объекты ОПС ежегодно попадает до 6,5 % их содержимого. Следовательно, исходя из приведенных выше данных, в 1989 г. в ОПС таким образом попало порядка 1,7 млн. м буровых отходов. Из того же источника следует, что с этой долей отходов в ОПС поступает до 10 % от общей массы применяемых для обработки промывочных жидкостей материалов и химических реагентов, что по самым предварительным и явно заниженным расчетам в 1989 г. составило порядка 108 тыс. т. Таким образом, концентрация всех химических веществ в отходах достигала, как минимум, 63 кг/м . Между тем, как показано в работах [30, 97], безвредная для рыб и беспозвоночных концентрация ОПЖ в условиях Каспийского моря составляет не более 12,1 мг/л при содержании механических примесей до 1000 мг/л. В то же время из работы [117] следует, что концентрация ОПЖ в воде, превышающая 7 мг/л, уже на седьмой день приводит к торможению развития икринок рыб, нормальное же их развитие возможно лишь при разведении промывочной жидкости водой в 26 тысяч раз. Что же касается воздействия ОПЖ на почву, то известно, что они снижают ее микробиологическую деятельность в 8 - 29 раз [6].

Приняв 108 тыс. т за 10 %, несложно определить, что общий объем материалов и химических реагентов, использованных в 1989 г. для целей бурения, превышал 1 млн. т. В работе [142] отмечается, что общая потребность в специализированных материалах для разведочного и эксплуатационного бурения составляет более 4 млн. т в год. При этом нет никакого сомнения в том, что все они в конечном итоге оказываются в ОПС. Например, точно известно, что в 1985 г. на объектах буровых работ только Главтюменьнефтегаза было использовано 35 тыс. т химических реагентов, из которых более чем 90 % попало на поверхность водосборов, в реки и озера [142]. Очевидно, что такие сбросы вредных веществ в ОПС вполне способны вызвать в ней необратимые экологические сдвиги. Так, из 47 видов ценных промысловых рыб, обитавших в Обском бассейне до начала освоения Западной Сибири (1964 г.), к настоящему времени сохранился лишь 21.

При этом следует учесть, что вредные вещества, попадая из источников загрязнения в одну из природных сред (атмосферу, гидросферу, литосферу) вовлекаются в общую миграцию (круговорот) веществ и, как правило, в течение того или иного отрезка времени (скорость водообмена озер составляет 17 лет, болот - 5 лет, почвенной влаги - 1 год) распространяются во всех природных средах. Наиболее подверженной загрязнению является гидросфера, что обусловлено ее высокой аккумулирующей способностью к различным загрязнителям и высокой подвижностью, способствующей переносу загрязнителей на значительные расстояния.

Таким образом, в районах ведения буровых работ основным источником загрязнения ОПС и, прежде всего, ее наиболее мобильного компонента - поверхностных вод, являются именно промывочные жидкости.

По мнению Дровникова П.Г. [39], с которым нельзя не согласиться, отходы промывочных жидкостей по своей токсичности не уступают отходам химических производств и вносят значительную лепту в то, что по глубине и тяжести воздействия на ОПС нефтяная отрасль занимает 3-е место, уступая «лидерство» лишь химической и металлургической отраслям [10]. Неслучайно эксперты считают, что экономическая прибыль от такой деятельности в 4 раза меньше наносимого этой деятельностью экологического ущерба.

4.1.2. Анализ путей экологизации промывочных жидкостей

Все известные по фрагментарному изложению в достаточно многочисленных публикациях пути решения экологических проблем, связанных с использованием промывочных жидкостей, в конечном итоге сводятся лишь к одному из двух возможных путей. Один из них направлен на снижение масштабов и степени загрязнения ОПС, а другой (превентивный) - на предупреждение ее загрязнения. Первый путь базируется на минимизации объемов буровых отходов и токсичности той их части, которая подлежит размещению в ОПС. Второй же путь предусматривает применение экологически безопасных промывочных жидкостей.

Рассмотрим более детально сущность каждого из этих путей, варианты их реализации и возникающие при этом трудности.

Начнем с того, что для снижения масштабов и степени загрязнения ОПС необходимо исключить утечки промывочной жидкости из всех элементов наземной циркуляционной системы (НЦС) скважины и из мест сбора образующихся отходов бурения. Каких-либо принципиальных трудностей в решении этой задачи не существует, поэтому надежная гидроизоляция НЦС и ША от ОПС должны быть нормой для каждого бурового предприятия. Кроме этого, нормой, должен стать и раздельный сбор буровых отходов с заведомо отличающейся степенью экологической опасности, поскольку при смешивании опасных отходов с неопасными вся смесь становится опасной.

Для общества в целом наиболее предпочтительным способом снижения объема отходов, размещаемых в ОПС, является их утилизация, т.е. вторичное использование, поскольку помимо уменьшения масштабов и степени загрязнения ОПС это одновременно решает и проблему ресурсосбережения.

Утилизация буровых отходов может осуществляться как в процессе, так и по окончании бурения скважины. Реализация первого из этих вариантов возможна только при использовании так называемой безамбарной технологии бурения. Мировым лидером в разработке этой технологии является фирма International Drilling Fluids (IDF). В нашей стране рассматриваемая технология впервые была использована при бурении скважин с кустовой площадки № 136 на Южно - Сургутском нефтяном месторождении [55]. Суть безамбарной технологии заключается в использовании замкнутой наземной циркуляционной системы, не содержащей традиционного ША. В этой системе производится непрерывная очистка промывочной жидкости от шлама, полное разделение определенной части промывочной жидкости на твердую и жидкую фазы, повторное использование жидкой фазы на разбавление и приготовление новых порций промывочной жидкости в процессе углубки скважины, на затворение тампо-нажной смеси для цементирования затрубного пространства обсадных колонн при заканчивании скважины, а также на другие технологические цели. Все это действительно обеспечивает сокращение объемов жидких отходов бурения. Так, пока еще весьма скромный отечественный опыт показывает [9], что при использовании одного из лучших вариантов безамбарной технологии общий объем отходов бурения примерно в 3 раза меньше объема отходов, образующихся при традиционной технологии с использованием ША, причем отходы представлены обезвоженным шламом. В идеале этот шлам должен собираться в металлические емкости (шламонакопители) и вывозиться для захоронения на специальные полигоны.

Буровые отходы, хранящиеся в ША, обычно утилизируют по окончании бурения скважины. Процесс утилизации начинается с их разделения на жидкую и твердую фазы. Осуществляется этот процесс путем коагуляции и флокуляции последней в сочетании с механическими способами ее отделения с помощью очистного оборудования, состоящего из вибросит, гидроциклонов и центрифуг. Жидкая фаза, полученная по окончании этого процесса, подвергается фильтрации и очистке различными химическими, электрохимическими и биологическими методами до состояния, удовлетворяющего требованиям ее повторного использования для различных технологических целей, в частности, в системе поддержания пластового давления (ППД) или требованиям безопасного сброса в объекты природной среды.

Оставшаяся на дне ША частично обезвоженная твердая фаза переводится в твердое состояние (отверждается) с помощью различных вяжущих добавок (цемента, синтетических смол и др.). Нефтесодержащая же твердая фаза должна обезвреживаться не путем отверждения, а путем сжигания в специальных установках. После выполнения всех перечисленных операций производиться засыпка ША минеральным грунтом и рекультивация поверхности буровой площадки.

Таким образом очевидно, что утилизация буровых отходов это весьма энергоемкий, трудоемкий и соответственно дорогостоящий процесс. Так, по о данным, приведенным в работе [157], стоимость переработки 1 м отходов бурения составляет от 32 до 57 долларов. По другим данным, эти затраты для ОПЖ на водной основе колеблются в пределах от 15 до 55 долларов за тонну. В этой связи задача минимизации объемов отходов является актуальной уже те только с экологических, но и с экономических позиций. О важности этой задачи свидетельствует то, что в США с принятием в 1984 г. поправки «Утилизация опасных и твердых отходов» к Закону о сохранении и восстановлении природных ресурсов она возведена в ранг общегосударственной.

Успешная реализация любого из рассмотренных выше вариантов утилизации жидких и твердых отходов бурения невозможна не только без специальных технических средств, но и без строгого соблюдения технологической дисциплины. Так, из зарубежного опыта известно, что только из-за отсутствия надлежащего контроля за экономным потреблением воды на буровой, потенциальная способность безамбарной технологии уменьшать объемы отходов бурения может быть сведена на нет.

Очевидно, что и при безамбарной технологии бурения, и при бурении с использованием ША, утилизации, т.е. вторичному использованию, подвергается лишь часть буровых отходов. Поэтому кроме проблем, связанных с утилизацией, дополнительно приходится решать и проблемы, связанные с обезвреживанием и захоронением всех не утилизированных отходов бурения.

Сброс не утилизированной жидкой фазы буровых отходов в объекты природной среды допускается только после ее очистки до экологически безопасных норм. Это достижимо лишь при многоступенчатой системе, включающей в себя различные методы очистки, и связано с существенными затратами. Так, известно, что по мере увеличения степени очистки воды затраты на нее возрастают экспоненциально [146]. Не менее известно и то, что при применении химических, электрохимических и биохимических методов очистки в результате окислительно-восстановительных реакций нередко происходит разрушение одних и образование других, иногда даже более токсичных соединений [14].

Наиболее широко используемым способом обезвреживания не утилизированных твердофазных буровых отходов является их иммобилизация путем отверждения. В настоящее время этот способ считается наиболее приемлемым и с экологических, и с экономических позиций (по зарубежным данным стоимость обработки 1 т отходов отверждающим составом составляет от 22 до 30 долларов). Вместе с тем, по совместному заключению отдела токсикологии Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека и кафедры экологии и генетики Тюменского госуниверситета, строительные блоки, изготовленные из обезвоженного бурового шлама (40 %), древесной стружки (40 %) и цемента марки 400 (20 %), пригодны для сооружения не более чем производственно-складских помещений и только в незатопляемых зонах, т.е. при исключении вымывания из них химреагентов. Буровой шлам, о котором в данном случае идет речь, был получен в процессе бурения скважин на Северо-Ореховском месторождении, административно расположенном в Нижневартовском районе Тюменской области. Промывка скважин осуществлялась глинистым раствором, обработка которого велась сайпаном, КМЦ, НТФ, сульфонолом и рыбожиро-вой смазкой Сиб-ЭСТ. Очевидно, что даже будучи разбавленными в 2,5 раза, иммобилизованные твердые отходы бурения не столь уж и безопасны, и что отверждение отходов с последующим их захоронением вблизи поверхности земли не гарантирует полного предотвращения вымывания содержащихся в них вредных веществ, т.е. обеспечивает не более чем временную их нейтрализацию.

Таким образом, как справедливо отмечается в работе [147], большинство существующих способов обезвреживания буровых отходов, в том числе и их отверждение, являются дорогостоящими, энерго- и трудозатратными и в то же время недостаточно надежными. По мнению авторов этой работы, самый надежный способ обезвреживания отходов бурения - их биодеструкция (биодеградация). Однако при всех достоинствах этого способа, его никак нельзя отнести к дешевым. В частности, известно, что удельные затраты на промывочную жидкость на основе полиальфаолефина, созданную фирмой M-I Drillinq Fluids (США) и обеспечивающую биодеградацию выбуренной породы в аэробных условиях, т.е. при наличии молекулярного кислорода (анаэробные бактерии на полиальфаолефины практически не действуют), составляют около 197 дол./м.

Однако самым главным недостатком всех рассмотренных выше природоохранных мероприятий, нацеленных лишь на снижение масштабов и степени загрязнения ОПС, является то, что даже использование несомненно прогрессивной безамбарной технологии и биодеградации твердых отходов бурения не может исключить загрязнения ОПС и, прежде всего, подземных вод, содержащимися в промывочной жидкости вредными веществами из-за неизбежной ее фильтрации в околоствольное пространство скважины и возможного поглощения. Не исключается также загрязнение ОПС промывочной жидкостью и при возможных выбросах ее из скважины на поверхность вместе с пластовыми флюидами, даже если последние будут представлены пресной водой.

Отсюда следует, что из двух существующих путей решения экологических проблем более радикальным является второй, базирующийся на разработке и использовании экологически безопасных промывочных жидкостей.

В основе реализации этого пути лежит, во-первых, возможность контроля токсичности промывочной жидкости на всех этапах ее «жизненного цикла» (от разработки рецептуры до размещения отходов бурения в ОПС) и, во-вторых, возможность сохранения токсичности промывочной жидкости в течение этого цикла в пределах, не превышающих допустимого для ОПС.

В настоящее время к экологически чистым промывочным жидкостям относят те, в составе которых преобладают природные, а не синтетические вещества, хотя очевидно, что и природные вещества ни в коей мере нельзя априори считать всегда экологически безопасными. При этом обычно игнорируется и то, что даже действительно экологически чистая промывочная жидкость в процессе бурения может быть загрязнена, например, пластовыми флюидами (нефтью, минерализованными подземными водами) и по отношению к биологическим объектам ОПС станет токсичной (экотоксичной). Ею же будет загрязнена и извлекаемая из скважины разрушенная горная порода (БШ).

Для оценки реальной опасности возникновения такой ситуации был выполнен анализ возможных источников интоксикации (усиления экотоксично-сти) и детоксикации (ослабления экотоксичности) промывочной жидкости и разрушаемой при бурении горной породы. Результаты этого анализа в обобщенном виде представлены на рис. 4.1 и свидетельствует о том, что в процессе бурения возможность сохранения экотоксичности промывочной жидкости на начальном нормируемом уровне определяется ее управляемыми функциональными свойствами, т.е. является вполне достижимой. Таким образом, главная проблема заключается не в том, как сохранить экотоксичность промывочной жидкости на заданном уровне, а в том, как определить безопасный для ОПС уровень экотоксичности и оперативно контролировать ее на всех этапах «жизненного цикла» промывочной жидкости, и, прежде всего, на этапе ее разработки.

Источники отходов бурения

Промывочная жидкость (ПЖ)

Источники формирования экотоксичности:

Состав и структура ПЖ как системы

Нормируемая начальная экотоксичность ПЖ экологическая ситуация и экологическая значимость состояния объектов природной среды в районе ведения буровых работ

Интоксикация ПЖ в процессе бурения кондиционирование ПЖ химическими реагентами (ХР), бентонитом, баритом нефтепроявления установки нефтяных ванн электролитная агрессия проявления сероводорода

Детоксикация ПЖ в процессе бурения разбавление (разубоживание) пресными подземными водами сорбирование ХР шламом, стенками скважины и др. микробиологическая деструкция ХР

Отработанная промывочная жидкость (ОПЖ)

Пути детоксикации: сортировка «отходов» ОПЖ при сборе разбавление водой

разделение на твердую и жидкую фазы с очисткой до установленных норм жидкой фазы и нейтрализацией твердой фазы путем отверждения, сжигания и др. микробиологическое воздействие

Фактическая экотоксичность ОПЖ или ее отдельных фаз, поступающих в окружающую природную среду (ОПС) в качестве отходов

Извлекаемая из скважины разрушенная горная порода (РГП)

Источники формирования экотоксичности:

Исходная экотоксичность РГП минералогическии состав растворимость в дисперсионнои среде ПЖ

Интоксикация РГП сорбирование ХР (взаимодействие с ПЖ) загрязнение углеводородами

Извлеченная из скважины РГП

Пути детоксикации: иммобилизация (отверждение) термообработка (сжигание) гидрофобизация поверхности частиц РГП отмывка горячей водой, растворителями и др. микробиологическое и др. воздействие

Фактическая экотоксичность РГП, поступающей в ОПС в качестве отходов

1. ТОКСИКОЛОГИЧЕСКОЕ БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК ОСНОВА РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ В БУРЕНИИ42.1. Краткий обзор биотестов с позиций их пригодности для оценки экотоксичности промывочных жидкостей

2. Между тем, в США постановление, предусматривающее проведение обязательного токсикологического биотестирования промывочных жидкостей и их компонентов, действует с 1985 года. При этом стандартным тест- объектом в нем служат мизидовые креветки 1.

3. Принятая в США градация токсичности промывочных жидкостей приведена в табл. 4.1.