автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Научное обоснование методов повышения эффективности технологии бурения и опробования разведочных скважин в сложных геологических условиях

Актуальность проблемы. Сложные геологические условия - это совокупность природных факторов, характеризующих состояние горных пород, бурение в которых сопровождается высокой вероятностью геологических осложнений, повышенной трудностью получения представительного кернового материала для достоверного опробования и, в итоге, снижением качественных и технико-экономических показателей бурения. К числу наиболее распространенных относятся сложные условия по бурению (неустойчивость горных пород, поглощения промывочной жидкости) и по трудности отбора керна (сильно-трещиноватые горные породы, имеющие удельную кусковатость керна Куд. >11 при отношении длины куска керна к диаметру его 1К / с1 к < 2,5, а также малопрочные, слабосвязные и перемежающиеся по твердости породы, объединенный показатель динамической прочности и абразивности которых рм< 22,5).

При бурении в сложных геологических условиях часто происходят обвалы как неустойчивых горных пород, так и шламового материала, отложенного на стенках скважин из циркулирующей промывочной жидкости. Основным меропг •. ем по предотвращению этих осложнений является применение пром» жидкостей с высокими реологическими свойствами, одним из эффе-тодов поддержания которых в процессе бурения является очистку жидкостей от шлама с помощью гидроциклонов. Эффективная мой в скважину промывочной жидкости от шлама является та?., мероприятием, обеспечивающим получение представительр - " & ^^ ** призабойными шламоуловителями. Однако гидроциклонаг, - '",у: няе^ым в бурении, свойственны серьезные недостатки: недостаточно высокая степень очистки промывочное • кости от шлама; большие потери промывочной жидкости с удаляемйм из нее шламом; отсутствие возможности бесперебойного управления технологическим процессом очистки промывочной жидкости с целью поддержания его в оптимальном режиме.

Повышение эффективности гидроциклонной очистки промывочной жидкости является актуальной научно-технической проблемой.

Несмотря на то, что для отбора керна и шлама создано много различных '•эдмческих средств, проблема получения представительного материала для ^верного, опробования при бурении скважин в сложных геологических ] иях остается актуальной. Известные технические средства предназначе-' |ак правило, для отбора керна или шлама в конкретных специфических ¡г ;|иях. Вместе с тем, в природе наблюдается не только чрезвычайное разно-= фие свойств горных пород и руд, но и частая перемежаемость их. Поэтому '4:д такие технические средства, которые могут обеспечить отбор кондици->4керна в изменяющихся реальных геологических условиях.

В трещиноватых, дробленных, кавернозных горных породах бурение зачастую сопровождается поглощением промывочной жидкости, являющимся одним из распространенных видов геологических осложнений. Известные методы изоляции зон поглощения сопровождаются значительными непроизводительными потерями времени и резким снижением рентабельности буровых работ, но далеко не всегда приводят к ликвидации поглощения. Вместе с тем, как показывают гидрогеологические исследования, в большей части поглощающих скважин устанавливается определенный уровень пластовых вод, которые можно использовать для создания местной (призабойной) циркуляции. Известные технические средства для этой цели не эффективны. Поэтому актуальной научно-технической проблемой является создание комплекса методов и технических средств, способного обеспечить высокопроизводительное бурение поглощающих скважин с минимальным расходованием материально-технических ресурсов.

Каждое из названных геологических осложнений в процессе бурения может встречаться отдельно и в разных сочетаниях. Наиболее сложным вариантом является наличие всего комплекса сложных условий (неустойчивость стенок йскважин, поглощение промывочной жидкости, трудные условия получения кон-¿Нного керна).: В практике геологоразведочных работ такие случаи неред-могут служить золоторудные месторождения в Якутии (В.В. Лы-1999), Подмосковный буроугольный бассейн и многие другие различных регионах Российской Федерации, щмендовавшие себя известные прогрессивные способы бурения мююгращ&ЗД^ые области применения, к числу которых сложные геологические услови1||||

§Ьсятся не всегда.

Так, при буреййи с ГЖС не обеспечивается .необходимая представительность керно-шламового материала и не во всех горных породах поддерживается устойчивость ствола скважин. Область эффективного бурения с гидротранспортом керна1 ограничивается мягкими породами с пропластками пород до VIII категории; не" обеспечивается устойчивость стенок скважины в случае бурения ее более чем за один рейс; достаточно велики (0,1-0,35 м 3 на 1 м бурения) потери промывочной жидкости в зонах поглощения; возможности получения представительной шламовой пробы ограничены в связи с тем, что частицы размером менее 0,25 мм сеткой керноприемного. узла не улавливаются. Бурение скважин снарядами со съемными керноприемниками в условиях поглощения невозможно, более того, в связи с очень малыми зазорами и высокими перепадами давления поглощение жидкости в скважинах даже интенсифицируется; в этих снарядах не предусмотрено призабойное шламоулавливание, но в то же время для эффективной работы их необходима тонкая очистка промывочной жидкости (содержание шлама с размером частиц > 0,07 мм не должно превышать 1 %). Такая же тонкая очистка промывочной жидкости от шлама необходима для повышения надежности работы гидроударников.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Предлагаемая диссертация в виде научного доклада представляет собой законченную научную работу, содержит совокупность теоретических, экспериментальных и опытно-конструкторских исследований, научно обосновывающих технико-технологические решения, направленные на повышение эффективности технологии бурения и опробования разведочных скважин в сложных геологических условиях.

В целом основные научные результаты, выводы и рекомендации, полученные при выполнении комплекса исследований, заключаются в следующем.

1. Впервые выявлены, систематизированы и проанализированы способы повышения эффективности использования гидроциклонов для очистки промывочной жидкости от шлама; на основе исследований созданы гидроциклоны с ручным и автоматическим регулированием основных параметров технологического процесса, обеспечивающие высокую эффективность очистки промывочной жидкости при минимальных потерях ее со шламом.

2. Разработана наиболее полная классификация колонковых снарядов с кер-нозахватными устройствами, выявлено влияние конструктивных особенностей технических средств на сохранность и надежность захвата и удержания керна, создан двойной колонковый снаряд с принудительным захватом керна, обеспечивающий его сохранность, эффективное призабойное шламоулавливание, надежные захват и удержание керна при транспортировании его на поверхность.

3. Для бурения поглощающих скважин с местной (призабойной) циркуляцией создан комплекс технических средств, обеспечивающий необходимую интенсивность промывки и устойчивое поддержание ее в изменяющихся условиях бурения.

4. Разработаны и реализованы технико-технологические решения и приемы, являющиеся основой ресурсосберегающей технологии бурения и опробования разведочных скважин в сложных геологических условиях, предложены методы расчета и определения конструктивных и технологических параметров разработанных технических средств.

5. Технико-технологические решения, изложенные в защищаемых положениях, являются принципиально новыми, что подтверждается шестью патентами Российской Федерации, шестью авторскими свидетельствами СССР на изобретения и пятью свидетельствами на полезные модели.

6. Использование разработанных методов, технических средств и ресурсосберегающей технологии бурения и опробования разведочных скважин в сложных геологических условиях обеспечивает высокое качество опробования, повышение производительности труда и существенное снижение расходов. Экономическая эффективность от использования разработок автора в ценах 1986-1991 г.г. составляет в расчете на 1 комплект (в р.): гидроциклонов - 8867, двойного колонкового снаряда - 6282, технических средств для бурения с местной циркуляцией - 13477. За период использования технико-технологических решений фактический эффект в ценах 1999 г. превысил 120 млн р.

В процессе исследований автор пользовался поддержкой и советами ученых Д.Й. Башкатова, А.Г. Калинина, Н.В. Соловьева, В.И. Власюка, А.Т. Киселева, A.B. Панкова, многочисленных специалистов из геологоразведочных организаций России и Казахстана.

Большую помощь в оформлении результатов исследований оказали В.И. Полетаева, И.В. Нестеренко, В.Н. Кузина.

Автор приносит глубокую благодарность ученым, производственникам, коллегам за всестороннюю помощь в проведении исследований и реализации их результатов.