автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Научные основы ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях с применением газожидкостных смесей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КСШЖГ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ

РГЕ ОД

На правах рукописи 2 3 Г. УДК 622.24.036.3

СОЛОВЬЕВ Николай Владимирович

НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ геСУРСОСЪЕРЕГАЩШ 1ЕХНОЛОГМ АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСШХ УСЛОВИЯХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОЖЩЮСТНЫХ СМЕСШ

Специальность 05.15.14 Технология и техника геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

¡.юскьа - -п

Работа выполнена на кафедре разведочного бурения Московской государственной геологоразведочной акадеши имени Серго Орджоникидзе.

Официальные оппоненты -д.т.н., проф., заслуженный деятель науки и техники РФ В.В.Кудряшов д.т.н., проф. В.И.Крылов Д. т.н. Г.П.Мельничук

Ведущее предприятие - Государственное геологоразведочное предприятие "Центргеология".

Защита диссертации состоится "/¿Г'' и о 1УУ& г. в

4Ъ> час. —1 шш. в ауд. 41Ьа на заседани.. специализированного совета Д 063.55.01 по присуждению ученой степени доктора технических наук в Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117873, ГСД-7, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Технический прогресс в разведочном бурении позволяет наметить |яд направлений в его осуществлении.

Особую актуальность приобретают вопросы интенсификации процвс-а алмазного бурения скважин в сложных геологических условиях при аличии в разрезе поглощающих и гидратирующихся пород, взаимодей-твующих с промывочными жидкостями.

Предупреждение осложнений при бурении в таких г.орно-геологи-еских условиях рекомендуется осуществлять за счет использования пециальных видов промывочных жидкостей, имеющих широкие возможно-ти в регулировании реологических я фильрацион..ых свойств с целью нгитирования неустойчивых горных пород. Одним из видов очистных гентов, способствующих устранению осложнений в таких условиях, яв-яются газожидкостные смеси (ГЖС). В 1987 г. по геологоразведочной трасли пробурено 350 тыс.м ■ с применением ГЖС.

В цроцессе реализации этих направлений получены значительные роизводственные успехи в области использования алмазного бурения подачей на забой газожидкостных смесей (ГЖС). Однако в последние лет произошло значительное снижение объемов бурения геологораз-едочных скважин, в том числе алмазного бурения. Выполняемые не-ольшие объемы буровых работ осуществляются в условиях высокой сто-мости оборудования, бурового инструмента, материальных и энерге-ических ресурсов, ото обстоятельство особо остро ставит проблещу бережливом отношении к ресурсам, в том числе алмазного породораз-ушающего инструмента, химических реагентов, полимерных высокомо-экулярных и полимерминеральных композиций для получения ГЖС. Ис-эдя из этого приобретает актуальное значение использование ресур-эсберегащей технологии алмазного бурения б сложных геологических зловиях, развитие отдельных элементов которой получило на общем эне снижение объемов буровых работ и уменьшение числа прсизводст-знных предприятий, занимающихся бурением скважин.

Наиболее значительный вклад в развитие теории и практики ре-¡грсосберегающей технологии внесли следующие ученые: Куличкхин Н.И., зздвгакенский Б.И., Шамшев S.A., Зппкейн Е.Ш., Волков С.А., Волод-знко К.Г., Мар.амэин A.B., Сулакшин С.С., Козловский Е.А., Баш-1TOB Д.Н., Кудряшов Б. В., Крылов В.И., Магурдумов A.Li., Питерский .М., Калинин А.Г., Кардыш В.Г., Киселев А.Т., Лачинян Л. А., А;:-злопуло O.K., Яковлев A.M., Ивачев Л.И., Горшсз Л.л., Ter. v^r

С.И., Мельничук Й.П., Блинов Г.А., Афанасьев И.С., Лопатин Ю.С., Онищин В.П., Корнилов Н.И., Коваленко В.И., Кирсанов А.И., Васильев В.И., Пономарев П.П., Слюсарев Н.И., Рудометов Ю.Г., Головин О.С., Глазов М.Г., Козловский А.Е., Богданов Р.К., Володчен-ко В.К., Секула 3!., Сахаров A.B., Липатников В.П., Шерстюк О.И. и др.

Цель работы состоит в комплексном исследовании процесса алмазного бурения с использованием газожидкостных смесей, оценке эффективности взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое, буровым шламом, ГЖС и разработке на этой основе ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях .

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Анализ факторов, влияющих на эффективность алмазного бурения с применением ГЖС в сложных геологических условиях.

2. Разработка модели механизма взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое при бурении в присутствии посредников: частиц бурового шлама и ПКС.

3. Уточнение основных положений теории формирования двойного электрического слоя в водном растворе ПАВ-пенообр-азователя на границе раздела жвдкость-воздух в присутствии диссоциированных молекул поливалентных солей-электролитов, составляющих минерализации пластовых вод и растворимых горных пород.

4. Разработка критериев и методики оценки совместимости высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций с молекулами ПАВ-пенообразователей в составе ШС, обладающей многофункциональными технологическими свойствами.

5. Разработка модели шламового режима при алмазном бурении с применением ШС.

6. Разработка критержви метода оценки эффективности взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой.

?. Разработка методики выбора и расчета основных конструктивных параметров алмазных коронок нового поколения для бурения с применением ГЖС.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач использовались современные методы проведения теоретических и экспериментальных исследований,основанные на системном подходе к анализу основных закономерностей

процесса взаимодействия алмазного породоразрушающего инструмента с горной породой при бурении с применением ГКО, состоящих из высокомолекулярных полимерных и полимерно-минеральных композиций многофункционального назначения.

Научная новизна. На основании теоретического обобщения и выполненных автором исследований разработаны научные основы ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях с применением ГЖС, что повышает технико-экономические показатели бурения за счет внедрения рекомендуемых многофункциональных высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций в составе ГЖС, алмазных коронок нового поколения и технологии бурения ими.

Впервые получены следующие научные результаты:

- теоретически обоснована и апробирша методика исследований процесса взаимодействия пары алмазная коронка - горная порода, основой которой является структурная схема этого взаимодействия, учитывающая временную и пространственную последовательность отдельных составляющих процесса разрушения горной породы на забое рабочим торцом алмазной коронки в присутствии двух посредников взаимодействия частиц бурового шлама и потока ГЖС;

- решена задача о регулировании технологических свойств ГКС

и установлено, что применительно к конкретным условиям солевой агрессии применимы уточненные теоретические положения о закономерностях формирования границу раздела жидкой и газообразной фаз в системе путем изменения характера адсорбции и растворимости молекул ЛАВ-пенообразователей при введении солей-электролитов в состав ГЖС;

- теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены ос-новые закономерности формирования и пеногашения ГЖС на основе высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций в условиях агрессии поливалентных солей-электролитов, отличающиеся тем, что при формировании и разрушении пенной ГЖС учитывается совместимость компонентов многофункционального назначения с молекулами ПАВ-пенообразователей, осуществляя целенаправленное регулирование ее свойств;

- разработана методика оценки совместимости высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций многофункционального назначения с ILAB-пенообразователями в составе пенной ПКС,предусматривающая использование аналитических выражений предлагаемых критериев, отличающихся тем, что кроме основных параметров они

учитывают скорость разложения применительно к конкретноцу составу пенной ГЖС;

- теоретически обоснованы и апробированы критерии оценки эффективности взаимодействия алмазной коронки с горной породой: удельная энергоемкость и удельный объемный износ, позволяющие оперативно осуществлять анализ параметров взаимодействия цутем их анализа и выбора: предельной углубки за оборот, предельной забойной мощности, интенсивности износа и др. Использование этих критериев позволило рекомендовать их для районирования условий бурения по ожидаемым технико-экономическим показателям бурения;

- установлено, что алмазное бурение с использованием коронок обычных конструкщй и ГКС сопровождается перегревом рабочего торца матрицы и появлением аномальных видов износа рабочих секторов •за счет ухудшения охлаждения контактирующих поверхностей и несвоевременного удаления частиц бурового шлама из призабойной зоны. Получены аналитические зависимости, описывающие температуру нагрева рабочего торца матрицы, а также процесс формирования и движения частиц бурового шлама в призабойной зоне, позволившие рекомендовать новый подход при выборе и расчетах конструктивных параметров алмазных коронок и технологии бурения ими;

- предложен и апробирован механизм взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горкой породой, отличающийся от известных учетом основных параметров посредников взаимодействия: частиц бурового шлама и ГЖС, которые учитываются цри выборе основных конструктивных параметров алмазных коронок (число групп и линий резания объемных алмазов, длина сектора^ форма и размер промывочных каналов и др.). Предложен способ регулирования цроцесса алмазного бурения по изменению шламового режима на забое, который защищен патентом РФ;

- теоретически установлены и экспериментально подтверждены основные закономерности изнашивания рабочих поверхностей секторов, заключающиеся в опережающем износе внутренней поверхности и набегающей их части, что позволило рекомендовать методику расчета и выбора равнопрочного профиля секторов алмазных коронок;

- теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование явления локального сикерезиса в призабойной зоне работы алмазной коронки, позволяющего аналитически описать основные закономерности его существования, за счет чего повысить эффективность воздействия рабочего торца алмазной коронки на горную поро-

ду и уменьшить интенсивность его изнашивания;

- разработаны рекомендации по созданию алмазных коронок нового поколения для бурения с применением пенных ПКС путем использования методик расчета и выбора равнопрочного профиля рабочих секторов, а также совершенствования их промывочной системы. Изготовлены и исследованы опытные образцы алмазных коронок нового поколения (КСАК-59, БСП-20 и др.). Одна из разработок защищена авторским свидетельством.

Достоверность основных научных положений, результатов исследований и выводов подтверждена использованием апробированных методов проведения теоретического анализа и разработки научных методик оценки взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой. Предложены расчетные форцулы, описывающие основные закономерности этого взаимодействия, которые подтверждены экспериментальными исследоыаниями в лабораторных и производственных условиях.

Практическая ценность работы заключается в том, что в ней даны научно-методические основы разработки ресурсосберегающей технологии алмазного бурения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях.

Решены следующие практические задачи:

I. Разработана методика проведения исследований по выбору рациональных типов алмазных коронок в конкретных условиях.

'¿. Предложена и апробирована методика оценки эффективности взаимодействия пары: алмазная коронка - горная порода, позволяющая эффективно осуществлять поиск рациональных областей применения по-родоразрушающего инструмента путем проведения районирования по ожидаемым технико-экономическим показателям бурения различными типами алмазных коронок.

3. Разработаны рецептуры ГЖС с улучшенными триботехническими свойствами для алмазного бурения в конкретных геологических условиях.

4. Получены рациональные составы ПКС для условий солевой агрессии пластовых минерализованных вод.

5. Рассчитаны параметры и изготовлен опытный образец пенораз-рушителя с регуливочным узлом длины свободной струи потока ГЖС.

6. Предложена и частично апробирована технологическая схема бурения с использованием ГЖС, в состав которой включается гидроциклонный и аэрогидродинамический пеноразрушктель на базе ус"ч;!су. *

7. Разработаны и изготовлены опытные образцы алмазных коронок нового поколения для бурения с применением ГЖС.

АпроОация раооты.

JcHOB.-Jbie пиложепия, теоретические и методические результаты докладывались на трех международных симпозиумах (г.С.-Петербург 1990, 1993 и 1995 гг.) "Бурение скважин в сложных геологических условиях", при проведении научных семинаров в НРБ по теме "Методы рациональной отработки алмазных коронок с использованием банков хранения данных на ЭВМ" (г.София 1989 г., г.Асеновград 1990 г.), на научных семинарах "Технология алмазного бурения в сложных геологических условиях" (г.С.-Петербург ПГО "Севзапгеология",1985-1987 гг.), на семинарах руководящих работников Мингео СССР при Ш{ МРЕЙ (г.Москва, 1980-1987 гг.), на технических совещаниях рудника "йкный" "Уралкварцсамоцветы" (п.Южный, 1985-88 гг.), на международных симпозиумах и семинарах "Проблемы использования синтетических сверхтвердых материалов в геологоразведочной отрасли (г.Киев, 1909-92 гг.), на научных семинарах и конференциях профессорско-преподавательского состава МГРй-МП'А в 1976-1995 гг.), а также при выполнении научно-исследовательских работ со студентами МГТА в 1977-95 гг.

Публикации. Основные положения и результаты исследований опубликованы в одной монографии, в 4-х учебных пособиях, одной брошюре, 15 статьях. Разработаны и утверждены Мингео СССР в 1988 г. "Методические рекомендации по технологии бурения коронками с синтетическими алмазами".

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа изложена на 330 стр. машинописного текста и содержит 65 рис., 45 табл., список использованной литературы из 115 наименований.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, выводов и рекомендаций.

Во введении обосновывается необходимость и актуальность исследований процесса алмазного бурения в сложных геол'огических условиях с применением газожидкостных смесей.

В разделе I приводится анализ современного состояния теории и практики ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях и выделяются основные направления исследований для разработки и совершенствования ресурсосберегающей технологии с целью повышения эффективности, качества и увеличения

объемов прогрессивных способов бурения.

В разделе 2 приводится обоснование структурной схемы и методики проведения комплекса исследований ресурсосберегающей технологии, а также критериев оценки параметров взаимодействия алмазного породоразрушающего инструмента с горной породой с очисткой забоя газо-жидкостными смесями.

В главе 3 излагаются теоретические основы разработки ресурсосберегающей технологии бурения в сложных геологических условиях.

Глава 4 посвящена разработке механизма взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое при использовании ГЖС.

В главе 5 изложены результаты экспериментальных исследований процесса формирования, разрушения ГЖС и взаимодействия алмазной коронки с горной породой, а также проводится оценка экономической эффективности основных разработок по результатам производственных и стендовых исследований.

Основные выводы и рекомендации отражают обобщенные результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, что обе-спечи ло достижение цели диссертационной работы.

Диссертационная работа выполнена на кафедре разведочного бурения МГГА. Производственные исследования проводились в ПГО^Урал-геология", рудник "йкный" ПГО "Уралкварцсамоцвети", ПГО "Севзап-геология.!', в лаборатории синтетических сверхтвердых материалов в геологоразведочном деле (г.Киев ИСМ АН Украины).

Автор выражает глубокую благодарность и признательность проф., чл.-корр. АЕН И Башкатову Д.Н., проф. ,чл.-корр. АЕН F3? Калинину А.Г. за постоянную поддержку и методическую помощь при подготовке диссертации.

Считаю также своим долгом выразить глубокую благодарность сотрудникам кафедры разведочного бурения Боголюбскому К.А., Хроми-ну Е.Д., Зиненко В.П., Пенкевичу C.B., Кирсанову А.Н., Бронникову И.Д., Базанову Л.Д., Куликову В.В. л др. за помощь и поддержку при выполнении работы.

На различных этапах работы над диссертацией автор пользовался всесторонней помощью руководящих и научных работников различных организаций: Ребрик Б.М., Володченко Б.К., Афанасьев И.С., Богданов Р.К., Исонкин A.M., Лопатин D.C., Глоба В.А., Рудомётов Ю.Г., Хренов А.Ф., Нецов Н.Д., Червенаков Н.И., Аризанов В.П., Х.Х.Бо, Н.С.Хоа, М.С.Рамарусон и др., за что км автор искренне признателен.

Автор считает своим долгом отметить больщую роль дроф.Волкова С.А. в постановке и проведении исследований в области выбранной темы диссертации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЕДАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ Первое защищаемое положение.

Разработан и теоретически обоснован метод оценки эффективности взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой на забое путем комплексного анализа параметров этого взаимодействия в присутствии двух посредников: частиц бурового шлама и газожидкостной смеси, отличающийся учетом параметров шламового режима и движущегося потока ШС при выборе и обосновании конструктивных параметров алмазных коронок, а танке компонентного состава газожидкостных смесей. _-

Анализ состояния разработок ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных-геологических-условиях с - применением ШС позволил установить основные достижения в этой области (табл.1).

Использование ШС во тогкх случаях обеспечивает принципиальные преимущества перед традиционной технологией бурения с использованием полимерных и др. прошкочных жидкостей.

В то ко время применяемые в настоящее время технические средства (коронки и др.) не приспособлены к такищг виду бурения, поэтому требуется постановка специальных теоретических и экспериментальных исследований по созданию специальных типов породоразрушаго-щего инструмента и разработке технологии алмазного бурения с использованием ГЖС.

Для достижения высоких показателей бурения в сложных геологических условиях нзобходимо использовать алмазное бурение с применением пенных ГШ. Наименее изученным является процесс взаимодействия алмазной коронгеи с горной породой в присутствии посредников-частиц бурового шлама и многокомпонентной ГЖС. Основной особенностью этого взаимодействия является то. что в зазор между рабочей поверхностью торца матрицу и горной породой практически не попадает жидкая фаза ГЖС, что по сравнению с подачей жидкости улудшает охлаждение торца матрицы и ашлаоов, затрудняет эквакуацию частиц бурового шлама из зоны взаимодействия пары: алмазная коронка - горная порода.

Таблица I

Состояние разработок ресурсосберегающей технологии

! автор, п/п! организация

иоъект ! исследований

Рекомендации

I. Эпштейн Е.Ф., Андреев В.Д., Лукаш В.А. (ДГ'И)

Взаимодействие твердосплавного резца с горной породой

Интенсивность изнашивания от параметров

2. Голиков С.И., Бук-реев П.И. и др. (Комитет по геологии Р£)

Комплексные целевые программьКШС, по-родоразрущ. инструмент, технология)

ПКС - составы, полимеры.

Алмазный инструмент, синтетические алмазы

3. Блинов Г.А., Васильев В.И. и др. (ВИТР)

Единичный контакт алмазного зерна

Глубина внедрения алмаза

4. Казика В.§. (ВИТР)

Контакт алмазосодержащего торца

Конструктивные параметры коронок

5. Башкатов Д.Н. и др. (МГГА)

Алмазное бурение, системный подход

Технология, выбор конструктивных элементов

б. Лудряыов Б.Б., Горшков Л.К. (ЛГИ)

Алмазное бурение с пеной

Предельная забойная мощность

7. Горшков Л.К., Сахаров А.В. (ЛГВД

Алмазное бурение с пеной

Технология, выбор параметров режима бурения

8. Богданов Р.К., Ливший В.Н. и др. (ИСМ АН Украины)

9. Козловский А.Е. (ПГО "Приленск-геология")

Конструкция алмазных коронок

Технологии алмазного бурения с подачей пены

Параметры коронок и скорость бурения

Режимы бурения, составы пен

Частицы бурового шлама перемещаются в зазоре между рабочим торцом алмазной коронки и горной породой на забое, совершая износ материала матрицы и алмазов. Рассмотрение процесса с таких позиций позволяет обоснованно подходить к определению параметров шламового режима, что является основой для создания методики расчета конструктивных параметров алмазной коронки.

Для проведения исследований ресурсосберегающей технологии была .разработана структурная схема комплекса исследований (рис. I), в которой приняты следующие обозначения (сокращения):

1. Элемент - горная порода:

/?тах. - максимальный выступ породы на забое, 1?т<л. - то же минимальный,

- то же средний.

2. Элемент - алмазная коронка:

3)кор. - диаметр коронки,

См. - ширина матрицы,

Ка - концентрация объемных алмазов,

(¿а. - диаметр алмаза,

Вк. - ширина кннала,

Ее.. - длина сектора,

\ъ - выступание объемных алмазов,

Пр.пр. - предельное число режущих рядов алмазов.

3. Элемент - шлам:

с1ш. - диаметр частиц шлама,

Бш. - количество шлама, образующееся за один оборот, Кш. - концентрация плама в зазоре, Хш- - вылет шлама, От.пептизац.-степень пептизации.

4. Элемент - Г Ж С:

- текущее значение скорости разложения пены, Т - время стабильности,

Кп - коэффициент пенообразования, ПАВ-свойств. - поверхностноактивные свойства,

- коэффициент трения,

пластическая вязкость, эффективная вязкость, динамическое напряжение сдвига соответственно. Ь. Элемент - параметры взаимодействия: П - параметры:

Ы«, - забойная мощность, Хар-р Мъ - характер затрат мощности, л И. о о- углубка за оборот;

г

1

—д.мнамич.пРОчн.

— СД.йИГ. ПООЧЦ. -ТРЕЦИНОаЭТОСТЬ

-аьраъианасть

~ йта*.

— йтт.

—

забои

посредники

ОЗЛИИОЛЕИСТШШ

—Экор.

— Ем. -К*

— (¿э.

-схЕма раъм.

-8с.

— П. р. пр.

ШЛАМ

гжс

— с( Ш. ~ бш.

-к«.

Хш.

-СТ. ПЕПТИЬАЦ

- И*

- т

- Ко.

- ПАЬ-свойст.

п

П. -хаР-РМ!

— &Кв5.

ПАРАМЕТРЫ

п. 4 а ... |

КЗ 4 2 ... 1

.1.Структурная схема комплекса'исследований проса взаимодействуя алмазной коронкч с горной породо

КЭ - критерии эффективности:

- удельная энергоемкость,

- удельный объемный износ, V - интенсивность износа.

Выбран такой подход, при котором процесс взаимодействия пары: алмазная коронка - горная порода разделяется на отдельные стадии, имеющие определенную последовательность.

Параметры движущегося через промывочную систему алмазной коронки потока ГЖС определяют эффективность воздействия единичных алмазов на горную породу через снижение поверхностного натяжения и адсорбционное понижение твердости горной породы, а также формируют поток частиц шлама в призабойной зоне работы алмазной коронки.

Ка условия формирования сложных полимерных и полимерминераль-ных композиций пенных ПКС влияют свойства среды и совместимость органо-минеральных молекул добавок, входящих в состав композиций.

Структурная схема комплекса исследований по разработке ресурсосберегающей технологии алмазного бурения с применением ГйС позволяет исследовать процесс взаимодействия пары: алмазная коронка - горная порода, разделяющийся на отдельные его стадии, имеющие временную и пространственную последовательность при формировании частиц бурового шлама, их движении, удалении из призабойной зоны в присутствии компонентов ГЖС.

Второе защищаемое положение.

Получение и технологические свойства ГЖС можно целенаправленно регулировать с учетом закономерностей формирования границы раздела жидкой и газообразных фаз системы цутем изменения характера процесса адсорбции и растворимости молекул ПАВ

—пенообразователей при введении водных растворов солей-электролитов.

При взат.'.одействтг~компонентов ГЖС с солями-электролитами первостепенное значение приобретает степень электролитической защиты высокомолекулярных полимерных ветвей и цепей этих компонентов от чувствительности их v изменению электрического поля на границе раздела фаз при контакте ГйС с водными растворами солей. При этом особое внимание при формировании ГйС уделяется совместимости составных компонентов, основанное на том, что введение любого дополнительного компонента в состав ПХС должно усиливать степень электролитической защиты молекул поверхностноактивных веществ (ПАВ)-пенообразователей за счет формирования защитных слоев :;з оргснс-катионов защитных высокомолекулярных композиций.

При рассмотрении процесса взаимодействия компонентов ГЖС и их влияния на технологические функции предлагается использовать известные в теории электролитической диссоци ации положения об изменении состояния границы раздела в водных растворах ПАЗ при введении электролитов за счет изменения двойного электрического слоя.

Для объяснения поведения ГЕС в условиях поликатионной агрессии нами уточнены основные положения теории формирования двойного электрического слоя (ДЗС) и адсорбционных процессов молекул ПАВ-пенообразователей на границе раздела при наличии ионизированной среды водного раствора солей-электролитов.

Изменение свойств ГЖС в условиях солевой агрессии базируется на изменении насыщенности адсорбционного слоя поверхностноактив-ных веществ (ПАВ) при добавлении водных растворов солей-электролитов, т.е. на изменении растворимости молекул ПАВ в их водных растворах.

Наиболее достоверным методом исследования влияния добавок солей на растворимость ПАВ-пенообразователей является известный гра-фо-аналитический метод, основанный на изменении изотерм поверхностного натяжения ПАВ в присутствии электролита различной концентрации.

Рассмотрение влияния добавок солей-электролитов в растворе ПАВ позволяет оценить изменение концентрации, при которой наступает насыщение адсорбционного слоя молекулами ПАВ, при этом концентрация ПАВ, соответствующая насыщению адсорбционного слоя (Ст. ) описывается уравнением (Скочеллети В.В.):

(I)

где Г^ - предельная адсорбция,

5" - толщина поверхностного слоя,

- работа переноса I г моля молекул ПАВ из объема раствора на поверхности раздела,

^ - число групп адсорбированных молекул.

Молекулы ПАВ адсорбируются на поверхности раздели. ,::аз в гсм случае, если они в результате своего присутствия на поверхностном слое будут уравнивать полярности этих фаз. По этой причине при адсорбция ПАВ происходит ориентация кх молекул нэ. гран а'е ¡тездел.-. ^оо

Двойной электрический слой возникает вследствие специфической адсорбции и электрического притяжения. Специфическая адсорбция избирательно поглощает ионы только одного знака. Независимо от причин образования ДЭС под действием сил электростатического притяжения образуются по крайней мере два слоя ионов, один из которых расположен на поверхности, другой в растворе. По мере удаления от поверхности раздела, связь с ней ионов или ориентированных молекул становится все слабее. На некотором расстоянии связь настолько слаба, что слой жидкости, лежащий за цределами слоя, может перемещаться, увлекая с собой заряды оставшейся части размытого двойного слоя или же наоборот, эта часть двойного слоя может перемещаться в электрическом поле, увлекая с собой молекулы воды. Это приводит к изменении заряда двойного электрического слоя, а значит и количество адсорбированных на границе раздела органо-электролитных молекул пенообразователя. Исходя из этого предложено рассматривать характер протекания адсорбции молекул ПАВ-пено-образователя в зависимости от электрокинетических явлений, протекающих в системе его водного раствора цри наличии ионизированной среды соли-электролита, что определяет пенообразующие свойства ПАВ.

Девис, используя известное уравнение Гиббса, описывающее зависимость цредельной адсорбции от параметров ионизированной среды, установил значение показателей степени при параметрах концентрации ПАВ-пенообразователя и соли-электролита, которое равно 1,3. Выполненные исследования с помощью графоаналитического метода позволили уточнить значения этих показателей степени, которые для анионактивных ПАВ-пенообразователей равны 0,85, а для комплексных ПАВ-пенообразователей - 1,43. Это позволило утвзркдать, что предельная адсорбция ПАВ-пеносбразователей в случае поликатионной агрессии солей зависит от их физико-химической природа и определяет характер протекания процесса адсорбции на границе раздела фаз.

Условие стационарного движения ионов в электрическом поле описывается уравнением (Духин С.С., Дерягин Б.В.):

эдс,

объемная плотность заряда, расстояние между слоями,

Ц - скорость движения ионов, Ч - вязкость жидкости.

Решение этого урвнения дает формулу для определения скорости движения жидкости в зависимости от параметров электрического поля в пределах двойного электрического слоя (ДЭС) в виде:

п =£ ^ Е (3)

I

где: о - диэлектрическая проницаемость, электрокинетический потенциал, диаметр капилляра, 5 - расстояние между электродами.

Исходя из зависимости (3) процесс формирования ГКО рассматривается как истечение водного раствора ПАВ через капилляр. При установившемся стационарном режиме система пенной ГКС будет стремиться к укрупнению глубул, их поверхностная энергия будет уменьшаться. Поэтому жидкая фаза в высокодисперсном состоянии должна стремиться к укрупнению частичек. Этому препятствует адсорбция, являющаяся причиной появления зарядов. Изменяя состав раствора, можно менять величину и знак потенциала ^ , а следовательно, устойчивость высокодисперсных систем. Если раствор подобран так, что У =0, то электрофорез невозможен. В незаряженном состоянии дисперсные частички легко коагулируют и выпадают из раствора.

Если уподобить границу раздела конденсатору, то состояние двойного электрического слоя при получении ГйС объясняется значением поляризации, изменение которой в любую сторону от нулевого заряда поверхности этой границы приводит к образованию ионного двойного слоя. Чем больше поляризации, те;л выше плотность заряда. Стремление системы к уменьшению энергии вызывает втягивание молекул воды в ДЗС. Пока поляризация мала, специфические силы адсорбции, удерживающие ионы или молекулы ПАВ на поверхности, превосходят силы электростатического притяжения. Такая Г&.С обладает устойчивыми структурно-механическими свойствами. Это состояние продолжается до насыщения раствора пенообразователя электролитам;-:.

При более высокой поляризации наступает десорбция органических ионов и молекул ПАВ, т.к. электростатическое притяжение превышает адсорбционные силы. Скорость движения ионов и молекул высокая, что приводит к неравновескоцу состояния пленочного карка-

са, и значит структурно-механические свойства ГЖС снижаются.

Следовательно, чтобы исключить десорбцию молекул ПАВ с границы раздела жидкость-газ, необходимо величину параметров ДОС регулировать через изменение поляризации, т.е. целенаправленно регулировать компонентный состав ГЖС и выбирать вид ПАВ-пенооб-разователя в зависимост и от ожидаемой поликатионной агрессии солей электролитов при бурении скважин.

Следовательно, прогнозируя наличие возможных катионов, можно избежать ухудшения свойств ГКС и поддерживать их в необходимых пределах.

С целью выявления закономерностей формирования и разрушения ГЕС, а также подвтервдения теоретических цредпосылок об изменении структурно-механических свойств границы раздела жидкость-воздух в зависимости от степени поляризации молекул ПАВ в условиях црисут-ствия катионов солей-электролитов, проведены лабораторные исследования свойств ГЖС при различных условиях. Наши исследования проводились в условиях полного отсутствия данных о взаимодействии молекул ПАВ-пенообразователей с водными растворами солей полика-тионного состава. Исследовались перспективные типы ПАВ-пенообразователей: сульфонал и "пенол-1".

Установлено, что свойства ГЖС изменяются под влиянием агрессии солей электролитов. При этом молекулы ПАВ-пенообразователей взаимодействуют в их водных растворах с катионами поливалентных металлов, приводя к изменению пенообразущих свойств. Кроме того, присутствие солей-электролитов в растворе влияет на пенообразую-щую способность ПАВ-пенообразователей в зависимости от их физико-химического состояния. В случае использования анисноактивного ПАВ-сульфонола присутствие солей-электролитов в их водном растворе способствует снижению величины предельной концентрации, т.к. попадание солей-электролитов на границу раздела фаз приводит к формированию энергетического барьера, затрудняющего переход молекул ПАВ-пенообразователя из объема водного раствора на границе раздела двух фаз. Это способствует ухудшению растворимости молекул ПАВ-пенообразователей и снижению их пенообразующей способности. Поэтому для получения ГЖС в условиях солевой агрессии, анионактивные 11АВ не рекомендуется использовать в качестве пенообразователей. У комбинированных по составу ПАВ-пенообразователей ("пенол-1") присутствие солей-электролитов не влияет на их растворимость и на величину предельной концентрации, соответствующей насыщению ад-

сорбционного слоя, но способствует увеличению пенообразующей способности за счет улучшения структуры границы раздела двух фаз. Присутствие солей электролитов в водном растворе приводит к формированию двойного ионного слоя вокруг пузырьков воздуха в ГЖС, что способствует повышению устойчивости пенного каркаса. Наличие зарядов в адсорбционном слое на границе раздела способствует увеличению удерживающего усилия, передаваемого на молекулы ПАВ.

Таким образом, теоретические и лабораторные исследования процесса формирования и разрушения ГЖС в условиях агрессии солей-электролитов позволилиустановить основные закономерности получения и разложения ГЖС. Так установлено, что эти закономерности определяются физико-химической природой ПАВ-пенообразователей. Для условий лоликатионной агрессии предпочтение должно отдаваться пенообразователям комбинированного состава, например "пенол-I". В этом случае присутствие солей-электролитов в водном растворе способствует увеличению его пенообразующей способности.

Использование анионактивных ПАВ-пенообразователей, в частности сульфонола, для получения в тех же условиях ШС, приводит к значительному снижению эффективности их действия.

Попадание солей-электролитов на границу раздела в адсорбционный слой приводит к формированию энергетического барьера, затрудняющего переход молекул ПАВ-пенообразователя из объема его водного раствора на границу раздела. Это приводит к ухудшению растворимости молекул ПАВ и снижению их пенообразующей способности.

Третье защищаемое положение.

Совместимость высокомолеклярных полимерных и полимерминераль-ных добавок комплексного назначения, вводимых в состав пенных ГЖС для улучшения технологических свойств, необходимо оценивать по предлагаемым критериям путем расчета по аналитическим зависимостям текущего значения кратности пены и времени существования ее сдзста-точными технологическими свойствами с учетом текущего значения скорости разложения ГЖС.

Вид и состав ШС определяет характер взаимодействия алмазной коронки с горной породой, оказывая разностороннее влияние на процесс разрушения горных пород и работоспособность породоразрушающе-го инструмента. Кроме основных технологических функций, добавки, вводимые в состав ШС, должны обеспечивать адсорбционное понижение твердости горных пород, улучшение триботехнических свойств,

стабилизирующее и ингибирующее действие по отношению к горным породам, слагающим стенки скважины, при сохранении необходимы:', реологических характеристик движущегося в скважине потока DKC. Исходя из этих требований, целесообразно ориентироваться на добавки, вводимые в состав ШЗ, обладающие комплексным* действием при их многоцелевом назначении. При этом очень важно, чтобы вводимые добавки комплексного назначения совмещались с основными компонентами ГЖЗ, обеспечивающими получение и стабилизацию воздушной фазы в ее составе без ухудшения основных технологических свойств.Этот анализ осуществляется на основе использования предлагаемой методики, позволяющей оценивать пенообразующую способность композиций, устойчивость получаемой 1ЖС и совместимость различных ввдов ПАВ-пенообразователей с высокомолекулярными полимерными и полимерми-неральными композициями в составе ГЖС.

Если взять во внимание характер кривых разложения ГЖС, то крутизна кривой разложения опишется уравнением:

а V- -V. ~ Va-V« (4)

где: - объемы ГЖС, соответствующие моментом времени

"t* tj. - моменты времени, до которых пена почти не уменьшается в объеме или уменьшается с постоянной интенсивностью соответственно, Vo - начальный объем ШС.

Проведя преобразования формулы (4) и ряд подстановок, получена зависимость для определения кратности пенной ГКС в любой момент времени в виде:

Kt=Ko[i-iiPlt-U] (5)

V. V* '

где: Ко - кратность пены в первоначальный момент, |< =■—

% - скорость разложения пены, Пг = Jy-

"р V. '

При оценке совместимости вводимых в состав пенной ГКС добавок комплексного назначения необходимо, чтобы, кроме специальных

(функций, касающихся взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое и ГЖС с горной породой в стенках скважины, выполнялись требования достаточной ее стабильности в скважине для обеспечения выноса частиц шлама, а также эффективно разрушалась на поверхности для удаления частиц шлама и многократного использования водного раствора ПАВ-пенообразователя. Эти требования выполняются в случае, если:

где: Т- время, в течение которого ГЖС обладает достаточными технологическими свойствами.

Следовательно, предлагаемая методика позволяет:

- определять совместимость многокомпонентных составов ГЖС по изменению пенообразующей способности растворов ПАВ-пеносбразова-телей при введении многоцелевых добавок;

- оценивать устойчивость и прогнозировать состояние Г&С.

В результате исследований по разработке рациональной рецептуры ГЖС (Яковлев А.М., Мураев Ю.Д., Слюсарев Н.И., Р.Митчел, Казаков М.В., Козловский А.Е. и др.) были в лабораторных и производственных условиях подобраны их составы в соответствии с необходимостью выполнения основных технологических функций. Однако, создание и разработка многокомпонентных систем ГЖС, способствующих выполнению многоцелевых функций при алмазном бурении в сложных геологических условиях, требуют прогноза изменения их свойств в этих условиях, а также анализа совместимости добавок многоцелевого назначения. Такие исследования рекомендуется осуществлять с применением аналитических критериев кратность пены ( К-1 ) и время существования лены с достаточными технологическими свойствам;; ( Т ), являющимися наиболее объективными, поскольку их значения рассчитываются с учетом пенообразующей способности ПАВ (Ко) и показателей устойчивости ( % и "Ъ-! ).

Лабораторные исследования позволили установить, что наибольшее значение параметра Т = 15 мин. достигается при концентрации сульфонола 1%, и Т = 20 мик. пом концентрации пенолз С,5'". Добавки гипана и КМЦ приводят к увеличению этого параметра на 15-20% при концентрации этих добавок в пределах 0,5-1%.

Ввод в состав ПНС солей-электролитов (хлоридос кальция,кал::я и др.) снижает параметр Т на 25-40* при изменен-/.,: -/..ч кс:я:ектрх-

ции в растворе в пределах 0,5-1,5%.

Триботехнические свойства ГЖС определяют энергоемкость процесса взаимодействия алмазной коронки с горной породой. Энергоемкость взаимодействия определяет характер разрушения горной породы. При дообъемном разрушении наибольшее количество энергии будет концентрироваться на поверхности трения алмаз и матрица - горная порода и шлам. В этом случае эффективность взаимодействия будет определяться величиной коэффициента трения алмаза о горную породу и активностью взаимодействия частиц бурового шлама с материалом рабочего торца матрицы алмазной коронки.

В этом случае эффективность взаимодействия алмазной коронки с горной породой определяется добавками, обеспечивающими снижение коэффициента трения при условии своевременного удаления частиц шлама из призабойной зоны.

При объемном разрушении горной породы подводимая к поверхности контакта энергия реализуется в слоях разрушаемой горной породы. Циркулирующая среда должнаЬ'шсокой охлаждающей способностью, с лучшими поверхностноактивными свойствами, поскольку утлубка за о&ир_т алмазов и количество частиц шлама увеличиваются. Для повышения эффективности взаимодействия алмазной коронки с горной породой в состав ШС необходимо вводить смазывающие добавки и ПАВ наряду с совершенствованием промывочной системы коронок. Уменьшение интенсивности изнашивания матрицы шламом достигается за счет улучшения триботехнических свойств пенных ГКС.

Рассмотрение работ, касающихся регулирования коэффициента трения за счет изменения параметров взаимодействия трущихся пар (Гаркунов Г.Н., Царицын В.В., Горное бюро США, Кардыш В.Г., Блинов Г. А. и др. )поэшш8 сделать вывод о том, что исследования этих авторов не учитывают влияние частиц алама, находящегося в зазоре между матрицей и забоем, а также скорости бурения на величину коэффициента трения.

Частица шлама, находясь в зазоре между матрицей и горной породой, может контактировать с горной породой и с рабочим торцом матрицы, внедряясь в последнюю на величину, зависящую от параметров частицы шлама и материала матрицы. Используя известную модель контакта (Крагельский И.В.), получено уравнение, описывающее условие недопущения царапания материала матрицы частицей шлама, в виде: __—---,

^Г-ШЬМгЩ^ ">

где: Гш. - площадь контакта частицы шлама с матрицей, рс. - площадь следа,

- предельное значение коэффициента трения,

- диаметр частицы шлама,

С ,- коэффициент, учитывающий условия контакта,

I предел прочности материала матрицы, 6с - ширина следа, вд - длина дуги контакта.

Значение коэффициента трения з среде ГЖС составляет 0,230,28. Следовательно, с целью уменьшения износа материала матрицы частицами шлама, в состав ГЖС должны вводиться антифрикционные добавки. Лабораторные исследования позволили установить, что введение в состав ГЖС антифрикционных добавок (латекс, смолы-крепители М-2, М-3 и др.) способствует снижении коэффициента трения до 0,11-0,18, при значении его в пределах 0,25-0,36 для ГЖС без этих добавок.

Важной технологической функцией ГйС является ингибирующее действие, оказывающее влияние на устойчивость глкносодержащих горных пород.

Предлагается оценивать ингибкрующую способность ГйС по скорости проникновения фильтрата в образец горной породы, рассчитанной по толщине набухшего слоя за определенное время контакта образца с промывочной средой (30 мин.).

Анализ полученных результатов позволяет оценивать инглбирую-щую способность 1'ЖС по сравнению с раствором и водой. Так, лнги-бирующая способность ГЫС выше, чем у пенообразующего раствора в 1,6 раза и выше, чем у воды в 3 раза.

Таким образом, применение ГКС позволяет снизить набухание глинистых пород, слагающих стеши скважины.

Результаты исследования взаимодействия ШС с глинистыми породами позволяют сделать следующие выводы:

- ингибирующую способность ГЖС целесообразно оценивать по толщине набухшего слоя образца и скорости проникновения фильтрата в образец;

- ингибирующая способность ГдС обусловливается малым содержанием жидкости в ГЖС и присутствием в ней реагентов, обладающих ингибирующим действием: сульфонол, КМЦ, гипаи, КСЕ и др.;

- ингибирующая способность ГйС выше, чем у пзнообразующего раствора в 1.8 раза и выше, чем у воды, в 3 раза;

Ттпе

- целесообразное содержание КМЦ-0,25-0,5% и К -0,5-1$ в пенообразующем растворе для улучшения ингибирующей способности.

Были исследованы реологические свойства ГКС в зависимости от типа л концентрации пенообразователей, вида и количества добавок комплексного назначения. Такие исследования проводились с использованием вискозиметра ЬСН-зМ.

Полученные результаты исследований реологических свойств пенных гас различных композиций позволили установить, что:

- ПС ведет себя как вязко-пластичная система, которая подчиняется уравнению Шведова-Бингама;

- увеличение содержания пенообразователей и полимерных стабилизаторов приводит к повышению структурно-механических свойств ИС;

- присутствие электролитов вызывает снижение вязкости и динамического напряжения сдвига, а их минимальные значения наблюдаются при 1/о-ной концентрации К Сй .

Четвертое защищаемое положение.

В качестве критериев, характеризующих эффективность взаимодействия алмазной коронки с горной породой, предлагается использовать параметры удельная энергоемкость и удельный объемный износ, позволяющие оперативно осуществлять анализ показателей, оценивающих скорость разрушения гсрной порода и интенсивность изнашивания объемного слоя матрица, а также осуществлять районирование условий применения алмазных коронок по ожидаемым технико-экономическим показателям бурения.

Энергетическая характеристика процесса взаимодействия алмазной коронки с горной породой дает представления о состоянии рабочего торца матрицы и эффективности разрушения горной породы на забое.

Под энергетической характеристикой процесса взаимодействия алмазной коронки с горной породой на забое подразумевать величину затрат мощности на забое. Характер потребляемой мощности и сопротивление движению торца коронки необходимо определять на забое с учетом двух посредников - промывочной жидкости и частиц бурового шлама. Исходя из этого, энергетическая характеристика является интегральным показателем, раскрывающим физическую сущность процессов ,протекающих под торцом алмазной коронки при взаимодействии с горной породой.

В последние годы общепризнано использовать в качестве критериев оценки эффективности процесса взаимодействия алмазной корон-

ки с горной породой энергетические показатели (Кардыш В.Г., Секу-ла Ф., Байда Я., Фоминых В.Г., Васильев В.И. и др.). Известны фундаментальные исследования по теоретическим вопросам выбора и применения критериев эффективности (Козловский Е.А., Вашкатов Д.Н. Питерский В.М., Ребрик Б.М. и др.).

Исследованиями по районированию условий бурения занимались без учета технологии бурения (Комраюв В.В., Каценельсон В.А., Константинов В.В. и др.), а также применительно к конкретным типам алмазных коронок и технологии бурения (Горшков JI.K., Сахаров А.В., Васильев В.И. и др.).

В качестве критерия энергетической характеристики целесообразно использовать показатель - удельная энергоемкость:

Та7 -М- (8)

wya- Yn

где ty - энергия, затрачиваемая на процесс бурения, "У,.- объем разрушенной породы.

При введении в форьгулу (8) показателя углубка за оборот возможно определить предельные значения углубки за оборот по формуле:

• Nj

где П. - частота вращения, 5 - площадь разрушения, забойная мощность.

Выполненные стендовые и производственные исследования анализировались с использованием критерия удельная энергоемкость, позволяющий оперативно оценивать эффективность разрушения горной порода рабочим торцом алмазной коронки. При этом определялись предельные возможности различных конструктивных типов алмазных коронок по величине углубки за оборот.

Установлено, что около 97-98% подводимой мощности к забою за-трачиыается на трение,результатом чего является износ объемного слоя алмазной коронки. Поэтому целесообразно оценивать интенсивность изнашивания объемного слоя коронки с учетом энергоемкости процесса разрушения горной породы на забое. Для этого предлагается кспользоег 1-ъ д-угой критерий оценки эффективности процесса ез& ..'.к -•

действия пары коронка-порода - удельный объемный износ:

V = JL сю)

V«3- Vk.

где Д - работа сил трения,

- объем изнашиваемого слоя алмазной коронки.

После преобразований получено:

дт =_* MHp (II)

где _ углубка за рейс,

- коэффициент прерывистости рабочего торца, оЦ - средний диаметр коронки,

ГХ - частота вращения, К - высота алмазосодержащего слоя.

Предельное еначение забойной мощности описывается выражением:

i, - ?(*-a.Wchr¿ Лг

где ^ - коэффициент Розиваля.

Предельное значение углубки за оборот находится из условия:

. < * _ (13)

Для проверки правомочности использования рекомендуемых критериев были проведены исследования процесса алмазными коронками. Результаты исследований приведены на рис. 2, откуда видно, что пр;; очистке забоя пенами наблюдается минимальное значение "^уа.^Д при частоте вращения снаряда в пределах 900-1000 мин-^. Такой минимум при очистке забоя эцульсией (вода + омыленнсй смеси гудрон ов) и еодсй не был достигнут. Кроме того, в целок наблюдается низкий уровень удельной энергоемкости при бурении с счисткой забоя эмульсией, ото говорит о том, что бурение с очисткой пенами сопровождается более высоким уровнем расходуемой мощности на за-бсс. особенно на низких частотах вращения снаряда. Установлено,

Рис. 2. Зависимость показателей ^Л/уЗ^Д^э.

от частоты вращения

что в результате очистки забоя пенами и эмульсией механическая скорость бурения практически одинакова. Однако, при этом, забойная мощность в случае использования пены выше на 10-15%. Поэтому можно утверждать, что в случае очистки пеной прирост мощности происходит за счет увеличения температуры нагрева коронки и увеличения интенсивности изнашивания объемного слоя коронки. Поэтом/ при использовании пены в качестве самостоятельного очистного агента необходимо учитывать температурный режим работы алмазной коронки и удаление частиц шлама из призабойной зоны.

Районирование предусматривает определение оптимальных условий применения алмазного породоразрушаищего инструмента, получение рекомендаций по выбору его рационального типа, также технологии бурения, обеспечивающих получение наиболее высоких технико-экономических показателей. Районирование в современных условиях является основным условием достижения высокоэффективной ресурсосберегающей технологии бурения.

Результаты этих исследований представлены в табл. 2.

Таблица 2х)

Расчетные значения критериев районирования

Горная'! 02ИЗ ! А1)У2 ! АСШ ! БЦ-2Ц ! ь^-ць ! ьа-зр

порода {_минимальне значения /%а , 3_

Диабаз 0,8 од п95.0,8 Ы; 0,1 0,8

О.эё 1,3 12,§ 12,Ь 12,8

Гран л г 9 1Лб;0,8 Ы2;0,3 1^;0,3 1^:0,3 1>0

1,4 1,7 4,6 4,6 4,6 ' 1,21

Кварцит ¿4 0 о 1*36 ! 2 5 ^;0,6

1,64 1,3 2,8 2,8 2,4 1,29

Роговик 1Ж;1,5 Ь52;1 >5 Мй;0,4 Ый;0,4 1^5;0,65ЬМ; 1,3

гЖйт 1.4 1.25 4,6 4,6 2,8 1,3

-магмати-товый

в числителе - , кДк/м3

в знаменателе - , '"Ъ

справа - 0 {юл/и).

На основе значений критериев , Vya.,

а также

опре-

делены рациональные условия применения различных типов алмазных коронок применительно к условиям рудника "Южный" (Уралкварцсамо-цветы).

Предлагаемая методика районирования позволяет учитывать условия бурения и выбрать рациональные типы алмазного породоразру-шающего инструмента, а также оценить ожидаемые технико-экономические показатели бурения.

Положение 5.

Процесс бурения алмазными коронками обычных конструкций с применением пенных ГЖС сопровождается перегревом рабочего торца алмазосодержащей матрицы и появлением аномальных видов изьзса рабочих секторов за счет ухудшения охлаждения контактирующих поверхностей пары: алмазная коронка - горная порода и несвоевременного удаления частиц бурового шлама из призабойной зоны.

Расчеты температурного поля в теле алмазной коронки выполнены Кудряшовым Б.Б. и Горшковьпч J1.K. В дальнейшем исследовалось изменение температуры нагрева алмазных коронок при- различных видах очистных агентов (Яковлев A.M., Михайлова Н.Д. и др.).

Экспериментальные исследования температуры нагрева объемного слоя матрицы коронок позволили установить, что измеренные значения этой температуры на 25-30% выше расчетных.

В основу вывода аналитических зависимостей температуры нагрева матрицы от различных параметров положена теория теплопроводности (Михеев М.А., Михеева И.М.) с учетом конкретных условий взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой на забое.

На расстоянии X от торца матриц выделили элемент,для которого уравнение теплового баланса имеет вид:

а' - Q"= ciq

(14)

По закону <£урье:

и

(15)

где Р - площадь сечения,

Ряд преобразований позволил получить:

К (33М)^ 6 (16)

где 0 - температура,

А - коэффициент теплопроводности,

- коэффициент теплоотдачи, 3)., - наружный диаметр,

- внутренний диаметр. / ЦЛ (В, +Р;>) '

Введя обозначение: гп=у А ^-Д}^)

формула( 16} приобретает вид:

= (IV)

Решение дифференциального 'уравнения и проведение преобразований позволили получить формулу для определения температуры нагрева объемного слоя ( в ) матриц в виде:

о« кМ . (кк"-тк") п.АМ , к'8о 0 =~2ёс7 + --гк\рт аз)

где: К , К - сокращения,

0 - массовый расход,

Ср - массовая теплоемкость,очистного агента,

П. - коэффициент перераспределения тепловых пот-око е,

- температура очистного агента, N - мощность на забое.

Формула (18) позволяет находить расчетные значения температуры нагрева матрицы с учетом конструктивных особенностей алмазных коронок, параметров режкма бурения и теплофизических констак-тов очистного агента и алмаза.

В результате расчетов температурь; нагрева объемного слоя ма.-р:и£! установлено, чтс при использовании пены эта температура в 1,2-1,Ъ раз вы^е, чек при бурении с водой, что хорошо согласуется с экспериментальны:-»« данными. 4<Ьнцентрация бурового шлама в мек-алмазноь: пространстве определяет эффективность взакмодействля иг-

ры: алмазная коронка - горная порода. Избыточное количество шлама приводит к интенсивно^ изнашиванию материала матрицы, что приводит к выпадению алмазных зерен из рабочего торца матрицы при бурении. На концентрацию шлама в межалмазном пространстве влияют различные конструктивные параметры алмазных коронок, что хорошо изучено рядом проектно-технологических институтов (ВИТР, ИОЛ АН Украины и др.).

Впервые исследования шламового режима были проведены на кафедре разведочного бурения МГРИ, в результате чего выполнено моделирование движения частиц шлама в призабойной зоне, количественный и качественный анализ состава частиц образующегося шлама при бурении и обосновано влияние шламового режима на эффективность работы алмазных коронок.

Проведены исследования по разработке модели шламового режима при взаимодействии алмазной коронки с горной породой, на основе которой выбираются рациональные конструктивные параметры алмазных коронок для бурения с использованием ПКС.

В основу создания модели шламового режима положена цикличность формирования частиц бурового шлама на забое и их удаление из-под торца алмазной коронки. Цикличность формирования частиц бурового шлама на забое связана с колебаниями абсолютной скорости движения алмазных зерен в рабочем торце и циклическое нагружение выступов г~рноа породы перз;; зернам«. •\Л!«г\о„в при упруго-хрупком разрушен:!!«.

па формировании импульсов элементарных осевых усилий, передаваемых алмазными зеками гор,,ой породе, сказываются килеоатель.лге движения алмазной коронки при взаимодействии алмазных зерен на горную породу за счет передачи кратковременных импульсов усилий, повторяющихся через равные промежутки времени. В этом случае имеем дело с мгновенными импульсами, периодически прикладываемыми и равными по величине.

Параметры формирующихся при бурении имцульсы усилий влияют на величину и количество периодически отделяющихся от забоя частиц шлама. Это позволило получить параметры шламового потока при отделении частиц шлама от забоя и их движения под торцом до удаления через промывочные каналы.

Выполненные исследования хорошо согласуются с результатами скоростной киносъемки процесса взаимодействия единичного алмаза с горной породой (Ккчигш А.5,, Копылов В.Е. и др.), а также алмазосодержащего торца матрицы с забоем в блоке огакчеснсго стекла

(Воробьев Г.А., Новожилов Б.А., Вареца С.А., Кочкарев A.B. и др.)

Процесс разрушения горной породы начинается со снятия ее и отделения чешуек шлама с противоположной направлению движения стороны. В случае использования ГКС наблюдается распыление частиц шлама, что способствует их удалению из призабойной зоны.

Скорость движения частиц шлама в любой точке их траектории находится из закона сохранения количества движения. В этом случае текущее значение скорости составляет:

п. UoCOs'Ca . .

С OS*

где Фо,1? - начальный и текущий углы траектории,

Ua/lT - начальная и текущая скорости.

Формирование траектории потока шлама находят из начальных условий :

(20)

djL__dX сН

dv ~ dt dRT

dy ^ ЫУ dt

d? dt d¥

= Irsing

Решение этих уравнений и преобразования позволили получить формулу для определения величины вылета частиц при отсутствии ограничения со стороны торца матрицы и без сопротивления промывочной среды в виде:

{<001*9 со** (21)

где Д - диаметр коронки, - частота вращения.

Наилучшие условия очистки призабойной зоны будут тогда, когда частица шлама попадает непосредственно в промывочный канал (при

Ч?о= 45°), поэтому целесообразно располагать после каждой группы алмазов, образующих линию резания. Если размещать промывочные каналы после каждой линии резания на расстоянии, равном Хш, то это будет соответствовать условию своевременного удаления частиц шлама из призабойной зоны.

Следовательно, характеристики шламового потока должны увязываться с конструктивными параметрами алмазной коронки. По данным горного бюро США объем призабойного пространства алмазной коронки увязывается с параметрами режима бурения и количеством частиц шлама, образующегося при бурении (Кардыш В.Г. и др.). Однако не приводится методика расчета этих соотношений.

Количество частиц шлама, образующегося при разрушении породы за период углубки коронки за оборот составляет:

(22)

"ш

где ^п - объем разрушенной породы,

- средний объем одной частицы,

Проведя подстановку, получаем:

г- _ бБъЦмКрКа (23)

тгБ1Р.2а

где Sb - площадь забоя,

tfM - механическая скорость, Кр - коэффициент разрыхления,

Ка - коэффициент уменьшения объема, занимаемого шламом, 2. - число секторов, 1Ц, - средний диаметр частиц шлама'.

Количество частиц бурового шлама, находящихся в единице объема зазора между торцом коронки и забоем зависит выступакие алмазов из терца, насыщенности торца объемными алмазами, шероховатости породы на забое и др.

В общем случае количество частиц бурового ишама в единице объема рассматриваемого зазора составляет:

(24)

Wa-Vb

где ~ЧЛ - объем алмазов, выступающих из -горца, - объем выступов породы на забсе.

Концентрация буревого девка ь зазоре мезду ра-Зсч". за'.:ие;.: г.с ставляет:

Кш

Уп

После ряда преобразований имеем:

Кр к а

(26)

ш

где Ок ~ рабочая площадь,

Нтэд- средняя величина выступания алмазов,

Кг - параметр шероховатости,

Не, - насыщенность алмазами торца, .

'Уа.?, - объем выступающей из матрицы части алмазов.

Условие своевременной очистки призабойной зоны от частиц шлама запишем в виде:

где Пр - число рядов алмазов.

После подстановки получим, что максимальное количество ревущих рядов, найденное кз условия своевременной очистки призабойной зоны от шлама описывается соотношением:

Следовательное, максимальное количество рабочих рядов алмазов в секторе коронки по условию (28) в основном определяется количеством бурового шлама в призабойной зоне работы алмазной коронки, рассчитываемым через конструктивные параметры короккн и ее рабочего торца, а также величиной углубил за оборот.

Одним из путей улучшения технико-экономических показателей алмазного бурения в сложных геологических условиях (перемежающиеся по твердости породы, трещиновптые, неоднородные с наличием зон обвалов, осыпкй, поглсщений и т.д.) „чвляз^я тэд-юлогия бурения с использованием устройств, обеспечивающих стабильную .скорость подачи. Это позволяет снизить расход алмазов и увеличить ресурс алмазных коронок. :1а кафедре ^азведочпого Оурепия иЕГя раз^оота^ и в«.едие.. тд^аили-

(28)

ческий регулятор подачи, обеспечивающий повышение механической скорости бурения и ресурса коронок на 25-30%.

При бурении в трещиноватых горных породах образуется дополнительное количество бурового шлама, который попадает под рабочий торец алмазной коронки, увеличивая энергоемкость процесса разрушения горной породы и износ объемного слоя алмазной коронки.

В качестве основного управляющего параметра принято изменение крутящего момента под воздействием шламового режима. Эта задача решается за счет того, что система управления режимом алмазного бурения содержит гидроцилиндры подач/г с регулируемым гидродросселем с обратной связью, установленным в линии слива гидроцилиндров, датчик затрачиваемой мощности, нуль-усилитель, задатчик уровня сравнения сигнал датчику мощюсти, блок управления серводвигатель гидродросселя. Выход датчика мощности соединен с первым входом нуль-усилителя, выход задатчика уровня сравнения соединен со вторым входом нуль-усилителя через блок управления, выход которого подключен к серводвигателю управления проходным сечением гидродросселя (рис.3):.

После пуска и установки инструмента на забой скважины и его приработки создают необходимую осевую нагрузку, устанавливают необходимую частоту вращения и расход промывочной жидкости. Затем при помощи регулируемого гидродросселя 4 устанавливают величину утлубки за оборот, исходя из особенностей пары инструмент-порода.

Сигнал с датчика скорости поступает на вход нуль-усилителя. Задатчиком устанавливают уровень компенсации сигнала датчика мощности, добиваясь, чтобы на вызове нуль-усилителя сигнал был равен нулю. При изменении шламового режима на забое скважины, связанного с изменением свойств перед или состоянием передоразрушающего инструмента происходит изменение крутящего момента и, как следствие, затрачиваемой мощности. Так, при зашламовании забоя уровень затрачиваемой на бурение мощности увеличивается. С датчика мощности на первый вход нуль-усилителя поступает измененный сигнал, превышающий величину сигнала задатчика, подаваемого на второй вход нуль-усилителя. При этом появляется сигнал положительной полярности на входе в блок управления, включается серводвигатель, снижая проходное сечение гидродросселя и уменьшая углубку за оборот.

При залолировании уровень мощности снижается, поступает сигнал отрицательной полярности, что при включении серводвигателя способствует увеличению углубки за оборот.

Таким образом, бурение скважины продолжается в выбранном ряцис-

8

5 (

/7^777777777:

4. станок-,

г ЭЛЕКТРОДБИГаГЕЛЬ;

^ГИДРСИДИЛИНДРЫ;

'«.ГИДРОДРОССЕЛЬ-

САЙЬ

5 датчик МОЩНОСТИ;

7. задатчик, е. блок управлении-, 9. «рьодьигатель.

Рис. 3. Принципиальная схема способа регулирования

процесса алмазного бурения

нальном режиме с одновременной стабилизацией уровня потребляемой мощности, Применение этой системы позволит повысить проходку на алмазную коронку и выход керна за счет снижения динамических нагрузок на оборудование и инструмент при заданном рациональном режиме бурения.

На этот способ регулирования режимом алмазного бурения получен патент РФ № 2026973 от 20.01.1995 г.).

Шестое защизаемое положение.

Выполненный комплекс исследований позволил рекомендовать методику расчета и выбора основных конструктивных параметров алмазных коронок нового поколения для бурения с применением ГЖС. Профили рабочих поверхностей в поперечном направлении и набегающей части секторов задаются с учетом преобладающих видов износа для обеспечения равенства энергии, подводимой к единице поверхности их контакта с горной породой. Промывочная система усовершенствована с учетом необходимости создания в призабсйной зоне явления локального синерезиса , позволяющего повысить эффективность разрушения горной породы и уменьшить интенсивность износа рабочего торца.

Исследование процесса изнашивания алмазных коронок при использовании ГНС позволил установить ряд его закономерностей. Так установлено, что наблюдается опережающий износ внутренней части рабочей поверхности алмазосодержащей матрицы, что приводит к возникновению фаски. Кроме того, набегающая часть сектора матрицы тоже изнашивается с опережением, образуя криволинейную поверхность со следами теплофизических изменений материала матрицы.

При использовании алмазных коронок обычных конструкций характер и интенсивность износа объемного слоя определяется местом расположения отдельных участков — на набегающей или сбегающей частях сектора, на наружной или внутренней поверхности сектора в радиальном направлении. Последнее обусловливается особенностью изготовления секторов в коронке, за счет которого уменьшается рабочая площадь сектора с ее внутренней стороны. При такой конструкции коронок число зерен на внутренней поверхности ( 2г. ) составляет:

, -Н /тгА^-кП» \

где К - число каналов в торце, По - ширина канала,

%' ~~ наружный и внутренний диаметры,

- число алмазов на наружной поверхности.

Одной из причин увеличения удельного контактного давления на внутренней поверхности сектора является уменьшение числа алмазных зерен в соответствии'с формулой (29). Это предопределяет гиперболический закон распределения удельного контактного давления под торцом алмазной коронки, а величина работы сил трения на внутренней поверхности матрицы (А£), описывается зависимостью:

гДе ^ ^е. - нагрузка на наружной и внутренней поверхностях алмазной коронки, А£ - работа, совершаемая на наружной поверхности сектора.

Используя выражения (29) и (30), получена формула для оцреде-- ления нагрузки на один алмаз (Ре. ), расположенный на внутренней поверхности коронки:

О3-па ЯТиг.А^ ,

г 4 1гц? ( }

Ц*«

где ЯГи^^и«- - скорость изнашивания на наружной и внутренней поверхностях.

ПРИ ч л а. „а

ЮЖ"

Следовательно, для обеспечения равных энергетических условий изнашивания рабочих поверхностей матрица необходимо первоначальный профиль торца алмазной коронки задавать такой формы, чтобы обеспечить равные значения удельных контактных давлений ка внутренней и наружной поверхностях. Одним из путей выполнения этой рекомендации является увеличение площади контакта с забоек внутренней поверхности рабочих секторов матрицы. Такое конструктивное исполнение позволит иметь постоянное значение удельного контактного давления в радиальном направлен!«.

Известны решения задач о выборе рационального профиля алмазного породообразующего инструмента (Онищин В.П., Насибов Н.А,, Будеэков Ю.Е. к др.). Однако расчетные профили контактных поверхно-

стей по этим методикам не согласуются о экспериментальными данными, а также выполнены без необходимого обоснования.

Для решения задачи о выборе профиля контактной поверхности алмазной коронки выбрана схема, в соответствии с которой исходный профиль вращается вокруг оси у и, находясь в контакте с забоем, разрушает горную породу.

Величина износа профиля по нормали к торцу коронки ( К* ) составит:

к, =К, (32)

где - коэффициент,

- контактное давление, (д) - углоБая скорость вращения коронки, X - рапиус.

Скорость разрушения горной породы ( К) на забое составит:

Ка ъ сох (33)

где К2 - коэффш;пент,

"Ьо>с - тяг .чепцу алмазами

Совместное рег-енне уравнений (32) и (33) позволило получить формулу .Для определения контактного давления ( С^ ) в виде:

п = _^ (34)

(К, +

где: У, - скорости изнашивания профиля и разрушения породы

Ф и

- угол глс-гду нормаль» к профилю и осыо У

Совместное решение уравнений (34) и (32) позволило получить уравнение дяя скорости износа профиля рабочей поверхности торца мегрица ( У* ) в

ВДОЛЬ СО.1: коронки,

I/ _—---4 - - •

м К-

Если обеспечить постоянное значение окружного шага между алмазами tox=C0fXS',: для любого цилиндрического сечения коронки радиуса X, то скорость изнашивания .рабочего профиля торца алмазной коронки будет величиной постоянной и форма этого црофиля при бурении не будет меняться.

Создание равнопрочного профиля решали также за счет изменения профиля набегающей части рабочего сектора. Разработана конструкция алмазной коронки (A.C. СССР № 226223 от 7.01.81г.) с измененным расположением подрезных элементов относительно биссектрисы сектора матрицы с целью исключения аномальных видов износа их набегающей части.

Задача о выборе формы набегающей части сектора решена аналитически при условиях:

i vi Vl = 3L (36)

"Vo Ro Yo X

где: V0;)Vc- объем разрушаемой породы для внутреннего и текущего радиусов,

внутренний и текущий радиусы, jf„ объемный износ матрицы для начального и текущего радиусов.

Уравнение средней линии сектора принято в виде:

dR _

■apR-ict^

(37)

где V. - угол между радиусом и касательной в точке, ^ - полярный угол.

Преобразовав (37), получаем:

сШ; _ 'К.

dp а.ут7ЖЖ

(38)

Ria:

где "t - ширина сексора,

3.о - ширина сектора по нормали к радиусу,

Разделив переменные и преобразовав (38), получки:

dß = cLRy К -

(39)

Решив уравнение (39), получаем форьулу для определения полярного угла в виде:

Рекомендуемые поперечный профиль и профиль набегающей части секторов гарантируют равнопрочную конструкцию алмазной коронки, исключающую аномальные вида износа секторов матрицы.

Анализируя результаты экспериментального бурения в блоках оптического стекла алмазными коронками с применением ГЖС, в жидкую фазу которой вводился краситель, было установлено, что на забое существует зона потока ГЖС в непосредственной близости от забоя с наиболее интенсивной окраской, т.е. слой выделившейся из состава ГЖС жидкости, названный нами слоем локального синерезиса.

Толщина слоя локального синерезиса соизмерима с толщиной ламинарного подслоя.

Наличие зоны локального синерезиса определяет интенсивность охлаждения контактирующих с горной породой алмазных зерен, пропитку предразрушенного слоя горной породы на забое и удаление частиц бурового шлама из призабойной зоны.

Для создания условий возникновения локального синерезиса необходимо обеспечивать истечение водного раствора ПАВ из состава ГЖС по промывочным каналам за счет создания узких щелевых промывочных каналов и камер, обеспечивающих возникновение кавитационного эффекта, способствующего локальному синерезису в призабойной зоне работы алмазной коронки.

Кроме истечения жидкой фазы по каналам Плато-Гиббса, разрушение пен идет за счет испарения внутрипленочной жидкости и диффузии газа из пузырьков. При течении таких процессов идет утончение пленки и пузырьки лопаются (Кругляков Л.М., Кузнецова П.М., Заливин В.Г. и др.).

Получены формулы для определения параметров, определяющих явление локального синерезиса.

1Сапмллярное давление CPs) описывается уравнением:

(40)

-I

где: -С - коэффициент геометрии канала, Jk

Р - плотность раствора,

- поверхностное натяжение, & - расход воздуха,

- плотность газа,

Хп - среднее время жизни пузырьков,

ЧАТ - скорость течения,

уЦ. - динамическая вязкость.

Для расчета дисперсности ( О. ) ГЖС получена формула в виде:

1.8 <о

а= К\/ (42)

у -Шуи.

Эффективность взаимодействия алмазной коронки с горной породой определяется интенсивностью трещинообразования на забое и фильтрацией жидкости в микротрещины на забое. Известны теоретические исследования, посвященные трещинообразованию в горной породе и фильтрации жидкости в микротрещинки на забое при бурении (Гриффите А., Лойцянский Л.Г., Лоьмзе Г.М., Эпштейн Е.£., Андреев В.Д. и др.).

Установлено, что количество трещин ( Т ), образующееся при бурении на забое в зоне контакта рабочего торца с горной породой, описывается уравнением:

(43)

где: К - коэффициент, учитывающий реальше условия,

- коэффициент трения,

- напряжение растяжения горной породы, предел прочности породы на разрыв,

ГЦ - насыщенность торца матрицы объемными алмаза:«;;?,

В - площадь контакта.

Получено уравнение, описывающее зависимость расхода жидкости на забое ( Цт ) через образующиеся при бурении микротрещины в виде:

п , __(44)

где: Ке - коэффициент влияния ПАВ, £ - модуль Юнга,

^ _ необратимая работа на образовании единицы площади поверхности,

б •- глубина проникновения дакротрещин, А - параметр сокращения, дР - перепад давления.

Определены требования к ПАВ-пенообразователям, входящим в состав водного раствора для обеспечения эффективного разрушения горных пород на забое за счет трещинообразования и фильтрации жидкости с активными добавками. Так, поверхностное натяжение( ) на границе горная порода - водный раствор ПАВ в зависимости от параметров потока ГКО и свойств порода находится из условия:

<0 ЦЬ_Тит* (45)

тгй \AaPnJ

где: 63- поверхностное натяжение ка границе порода - воздух, - скорость течения ГКС у забоя.

В зависимости от свойств ГКС величина поверхностного натяжения находится из выражения:

__. . ¿1 а Р

•О»- ^ ——(46)

где «1 - кратксстх, пены.

Основные з&гсна-едпостл потока КС в призабойной зоне в виде формул доя определения капиллярного давления (41) и дисперсности пены в ьазмсииости от параметров этого потока. Кроме того, получены огршпгахтельимг условия к ПАВ-пеиосбразователю, описывающие зависимость поверкнсс-шого натяжения для эффективного создания явления локального еанерезиса в зависииости от основных параметров ГаС ( а и л,), а таляе з зависимости 01 комплекса параметров, сп-ределяощйх свгДсева. горной породы и потока ГЖС.

Рззр&боаана конструкций я изготовлены опытные образцы алмазных коронок нового поколения БСС-20 и КСАК-59 для бурения с подачей ШЗ, обладающие улучшенной гидродинакической характеристикой, позвслгг?щей повысить зьфекчиькость взаимодействия рабочего торца с горю?, породой. Зтомгу способствует явление локального спнзрезк-еа, которое гозиккаеу л;:,; ссзд.и-л-:.-; ъ корпусе и рабочем торце коронок каналов и камзр, приводам::.: 1; ¡кл-еченжо лидкосиз соссавг Ш) з пр::зс.Сойкой золе.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате теоретического обоснования аналитических и экспериментальных исследований разработана структурная схема исследований взаимодействия рабочего торца матрицы алмазной коронки с горной породой, позволяющая разрабатывать ресурсосберегающую технологию алмазного бурения в сложных геологических условиях с использование!.! пенных ГЙС путем комплексного анализа параметров их взаимодействия. Это дает возможность учитывать характеристики частиц шлама и движущегося потока ГКС при обосновании конструктивных параметров алмазных коронок и компонентного состава газожидкостных смесей.

Разработаны основные направления ресурсосберегающей технологии алмазного бурения в сложных геологических условиях за счет регулирования свойств и выбора ^покомпонентных высокомолекулярных полимерных и полимер-минеральных композиций, а также создания алмазных коронок нового поколения с использованием новых синтетических и композиционных материалов, внедрение которых обеспечило получение высоких технико-экономических показателей.

2. Дополнена и уточнена теория формирования двойного электрического слоя (ДЭС) в водном растворе ПАВ-пенообразователей в присутствии диссоциированных поликатионных молекул солей-электролитов за счет того, что предлагается целенаправленно регулировать процесс формирования и технологические свойства ГЖС на основе закономерностей формирования границы раздела жидкость - воздух при изменении характера и растворимости молекул ПАВ-пенообразователей за счет введения солей-электролитов. Объяснено действие ПАВ-пенообразователей наиболее распространенных видов на основе изменения степени поляризации границы раздела и величины адсорбции их молекул при изменении параметров ГКС. Это позволило целенаправленно регулировать их свойства применительно к конкретным условиям поли-катионной агрессии и виду ПАВ-пенообразователя.

3. Разработан новый метод оценки интенсивности взаимодействия молекул ПАВ-пенообразователей, адсорбированных на границе раздела жидкость - воздух с полимер-органическими и полимер-минеральными цепями молекул комплексных добавок, вводимых в состав ГЛС да регулирования технологических свойств. В качестве критериев оценки предлагается использовать аналитические выражения для краткости к времени существования пена с достаточными -гехноаогсчесхыиИ свой-

ствами. Этот метод позволяет оценивать совместимость выбранного вида ПАВ-пенообразователя с комплексными добавками в составе ГЖС.

4. В развитие имеющихся критерий теоретически обоснованы и апробированы критерии оценки эффективности взаимодействия алмазной коронки с горной породой: удельная энергоемкость и удельный объемный износ, позволяющие оперативно оценивать параметры этого взаимодействия по энергетическим затратам на забое и интенсивности изнашивания рабочего торца матриц. Эти параметры рассчитываются через комплекс конструктивных и технологических параметров, а также массовый износ объемного слоя матриц по результатам бурения в рейсе. с'-'л критерии рекомендуются для районирования условий бурения

по ожидаемым технико-экономическим показателям применительно к конкретным типам алмазных коронок и условиям бурения.

5. Теоретически разработана и экспериментально подтверждена модель механизма взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой.

В предлагаемом механизме взаимодействия, в отличие от известных, учитываются при выборе основных конструктивных параметров алмазных коронок, шламовый режим и параметры движущегося потока ГКС в призабойной части работы алмазной коронки.

6. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что процесс алмазного бурения коронками обычных конструкций с применением пенных ГЖС сопровождается перегревом рабочего торца алмазосодержащей матрицы и появлением аномальных видов износа рабочих секторов, заключающеея в опережающем износе набегающей части секторов и внутренней поверхности матрицы за счет недостаточного охлаждения циркулирующим потоком ПКС контактирующих поверхностей, а также несвоевременного удаления частиц бурового шлама.

Предложена и апробирована методика расчета предельно допустимых показателей алмазного бурения: углубка за оборот, забойная мощность, уделькь'й объемный износ, интенсивность изнашивания объемного слоя матрицы с учетом величины коэффициента трения, определяемого сссг-авоь: композиции ШС. Установлено, что уменьшение абразивного износа матринд частицами бурового шлама при использовании ПКС достигается линь при условии введения в их состав штафрикшоннмх добавок.

8. Разработаны рецептуры пенных ПЕС для алмазного бурения в сложшх геологических условиях, параметры которых определены по предлагаете/, методике Оценки взаимодействия молекул ПАВ-пеноебрз-

зователей с диссоци. лрованными молекулами поливалентных солей-элнктролитов, а также их совместимости с высокомолекулярными полимерными и полимер-минеральными добавками. В качестве стабилизирующих добавок, комплексно влияющих на свойства П£С (ингибирующая способность, улучшение гркботехнических свойств, пенообразующая и выносная способности и др.) использованы высокомолекулярные полимерные и полимер-минеральные композиции: смолы-крепители, латексы, полимин и др.

9. Предложено оценивать эффективность промывочной системы алмазных коронок для бурения с подачей ГЙС по способности усиливать явление локального синерезиса в призабойной зоне работы алмазной коронки на забое. Получены аналитические зависимости, описывающие закономерности локального синерезиса, позволяющего повысить эффективность процесса бурения за счет улучшения очистки забоя от частиц шлама, повышения скорости проникновения раствора ПАВ в микротрещины забоя, улучшения охлаждения рабочего торца и повышения триботехнических свойств проглывочной среды.

10. Теоретически обоснована и доведена до практического применения методика расчета и выбора основных конструктивных параметров алмазных коронок нового поколения для бурения с применением ПКС:

- профили рабочих поверхностей в поперечном направлении и набегающей части секторов задаются с учетом преобладающих видов износа для обеспечения равенства энергии, подводимой к единице поверхности их контакта с горной породой;

- промывочные каната создаются при комбинации узких щелей и каналов с камерами, необходимыми для создания в призабойной зоне явления локального синерезиса.

Такая методика позволяет повысить эффективность разрушения горной породы и уменьшить интенсивность изнашивания алмазных коронок нового поколения. На один из рекомендуемых типов алмазных коронок получено авторское свидетельство (A.C. СССР ir 926223 от 7.01.81 г.).

11. В результате теоретических и экспериментальных исследований процесса взаимодействия рабочего торца алмазной коронки с горной породой разработан способ регулирования процесса алмазного бурения, основанный на изменении шламового режима под рабочим торцом б процессе бурения. (Патент РФ К° 2026973 от 20.01.1995 г.).

12. Экономический эффект от основных результатов исследований и разработок составил (в ценах на момент внедрения) 30-50 руб. на одну коронку ICCAK-5S при ее стоимости 33-45 руб.; около 220 руб. на I м бурения с применением ГйС.

Наиболее важные результаты исследований и положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Монография, брошюры и учебные пособия

1. Борисович В.Т., Соловьев Н.В. Современная технология промывки геологоразведочных скважин. Итоги науки и техники. Серия техника г.р.р. ВИНИТИ, М., 1977.

2. Соловьев Н.В., Башкатов Д.К., Володченко В.К. и др. Методические рекомендации по технологии бурения коронками с синтетическими алмазами. Мингео GCCP, ВИТР, JI., 1988.

3. Соловьев Н.В. Промывка скважин жидкостями с поверхностно-активными, антифрикционными и полимерными добавками. МГРЙ,М. ,1983.

4. Калинин А.Г., Соловьев Н.В.. Левицкий А.З. Практикум по курсу "Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые". МГРИ, М., 1985.

5. Калинин А.Г., Горохов H.A., Соловьев Н.В. Практикум по курсу "Технология бурения разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые". М., 1994.

6. Боголюбский К.А., Соловьев Н.В. Букалов A.A. Практикум по щтоиывочным жидкостям и тампонакным смесям с основами гидравлики. МГРИ, М., 1991.

Статьи

7. Соловьев Н.В. Энергетическая характеристика процесса разрушения горных пород при алмазном бурении. Сб.научн.трудов.Синт. сверхтв.материалы в бур.ивстр. ИСМ АН Украины, Киев, 1988.

8. Соловьев Н.В. Затраты мощности на забое при бурении алмазными коронками. Межвуз.сб. Технол.и техн.разв., J? Б, МГРИ, М., 1985.

9. Соловьев Н.В. Алмазосберегающая технология бурения в сложных геологических условиях. Конкурс грантов. Рефер.лучших научн. разраб. (»UTA, М., 1994.

10. Соловьев Н.В. Конструктивные параметры алмазных коронок для бурения с газожидкостнымк смесями и шламовый режим. Сб.Новые достижения в науках о земле. ЖГА, М., 1994.

11. Соловьев Н.В. Ресурсосберегающая технология алмазного бурения в сложных геологических условиях с применением ГЖС. Сб.тезисов докладов. И-й Маждународныи симпозиум "Бурение скважин в сложных геологических условиях'1. С.-П.Гоеуд.гсркый институт. С.-Петербург, 1995.

12. Соловьев Н.В., Богданов Р.К., Исонкин А.М.

Шламовый режим при алмазном бурении. Сб.статей. Юбилейная научн. кокф., посвящ. 100-летию со дня рождения Ф.А.Шамшева. С.-П.Госуд. горный ин-т, ВИТР, С.-Петербург, 1993.

13. Соловьев Н.В., Х.Х.Бо. Роль коэффициента трения при алмазном бурении. Изв. ВУЗов, Геология и разведка, № 7, 1992.

14. Башкагов Д.Н., Соловьев Н.В., Володченко В.К..Богданов Р.К. и др. Синтетические монокристаллические алмазы для изготовления геологоразведочных коронок. Сб.научн.трудов. Новости горн, техн. г.Фрайберг (ГДР), 1989.

13. Бо Х.Х., Соловьев Н.В. Энергетические критерии алмазного бурения в условиях рациональной интенсивности износа объемного слоя алмазных коронок. Изв.ВУЗов, Геология и разведка, £ 5, 1992.

16. Волков С.А., Соловьев Н.В. Температурный режим при алмазном бурении. Технол.и техн. г.р.р.Межвуз.научн.сб.,]," 3,М. ,1979.

17. Волков С.А., Соловьев Н.В., Кудайкулов С.К. Прогнозирование углубки на алмазную коронку по величине затрат мощности на забое при бурении. Межвуз.сб. Технол.и техн. г.р.р.МГРИ,М.,1986.

18. Рамарусон М.С., Соловьев Н.В. Регулирование свойств пенных ГЖС в условиях солевой агрессии. Изв.ВУЗов, Геол. и разведка, £ 3, 1993.

19. Хоа Н.С., Соловьев Н.В. Критерий рационального состава газожидкостных смесей. Изв.ВУЗов, Геология и разв.,М.,!? 4, 1992.

20. Аризанов В.П., Соловьев Н.В., Червенаков Н.И. Нагрев к отвод тепла от матрицы алмазной коронки при бурении. Сб.научн.трудов. Годишник, т.ХХХШ, ВМГИ, София, 1987.

21. Авторское свидетельство № 926223 от 7.01.1982. МКЗЕ21В 10/48 УД[{ 622.24. Алмазная буровая коронка. Соловьев Н.В., соавторы Богданов Р.К. и др. Заявлено 22.05.78, опубликовано 7.05.82. Бюл.изобр. № 17.

22. Патент £ 2026973 И и. 2026973, СЙ , Е21В 44 00 Р£. Система управления режимом алмазного бурения. Соловьев Н.В., соавторы: Башкатов Д.Н., Хромин Е.Д., заявлено 6.07.93, опубликовано 20.01.1995, бюл. I? 2.