автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка эффективной технологии изоляции зон осложнений при бурении скважин, пересекающих горные выработки угольных месторождений

Г » "

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ

На правах рукописи

/

КУЗЬМИН Игорь Германович

УДК 622.248.3:622.243

РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИЗОЛЯЦИИ ЗОН ОСЛОЖНЕНИЙ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН, 1ЕРЕСЕКАЮЩИХ ГОРНЫЕ ВЫРАБОТКИ

УГОЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА ПРИМЕРЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА)

Специальность 05.15.14 — Технология и техника

геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной Академии.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Евшкатов Д.Н.

Официальные оппоненты - доктор технических наук Лачинян Л..

- кандидат технических наук Булгаков Е.С.

Ведущее предприятие - ШИГй5уголъ

Защита диссертации состоится " 18" -/V_ 1993

в /7 часов в аудитории на заседании специализиро

ванного совета Д.063.55.01 при Московской государственной геологоразведочной Академии (117873, Москва, В-485, ул.Шкл хо-Маклая, 23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академи Автореферат разослан " 40_ 1993 г.

Ученый секретарь специализированного

совета, доктор технических наук,

профессор Ы.Лимитовскиа

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение производительности труда и снижение затрат на сооружение I м скважин определяются высоким уровнем организационно-технологических мероприятий,направленных на достижение хонечной цели - выполнение скважиной гео-логаческого задания, и внедрением новых, наиболее эффективных научных разработок, обеспечивапдих существенное сокращение сроков сооружения скважин.

В задаче по удовлетворению потребностей народного хозяйства стран СНГ таким важным энергетическим сырьем как уголь значительное место отводится Донецкому бассейну и,в частности, находящемуся в пределах Российской Федерации Восточному Донбассу. При проведении доразведки горизонтов, залегающих ниже полей действущих шахт, геологоразведочные скважины вскрывают как отработанные, так и действующие горные выработки, что оказывает существенное влияние на процесс их сооружения. Это обусловлено тем, что современные способы подземной добычи угля приводят к сдвижению и деформации вышележащей толщи горных пород, развитию в ней грещиноватости и раздробленности. К этой толще, как правило, приурочены зоны катастрофгаеских поглощений промывочной жидкости, кавернообразования и обрушения стенок, что значительно осложняет процесс дальнейшего углубления скважин. &борочный анализ видов работ, проведенный для скважин, пересекапцих горные выработки, показал, что затраты времени на ликвидацию аварий и преодоление геологических осложнений достигают 20 25% в балансе рабочего времени бурового станка.

Несмотря на то, что за последние годы разработаны много-

численные составы смесей, десятки тампонажных снарядов и устройств, ни одна из существующих технологий не обеспечивает необходимую надежность изоляционных работ при экранировании вскрытых горных выработок и вон их влияния. В таких горногеологических условиях эффект достигается только путем уста -новки дополнительных колонн обсадных труб, что вызывает уменьшение диаметра бурения скважины, приводит к увеличении металлоемкости и усложнению ее конструкции, значительному расходу тампонахных материалов. Кроме того,в настоящее время в уело -виях Восточного Донбасса на одну скважину приходится до трех пересечений очистных и подготовительных горных выработок,и применение для их изоляции многоколонных конструкций не позволяет использовать передовую технику и технологию, а также оптимальные режимы бурения.

В связи с этим проблема разработки эффективной технологии изоляции зон геологических осложнений, приуроченных к пересекаемым скважиной горным выработкам, весьма актуальна, а ее решение позволит существенно улучшить технико-экономические показатели ведения буровых работ и даст значительный народнохозяйственный эффект.

Вабота выполнена по договору с бывшим Главным научно-техническим управлением Шнистерства геологии СССР от 15.12.1988 г.

Цель работы. Разработка и внедрение эффективной технологии изоляции зон осложнений при бурении скважин, пересекагщих горные выработки угольных месторождений, на основе использования оборудования локального крепления скважин (ОЛКС) с сохранением диаметра бурения и без применения тампонахных материалов.

Основные задачи исследований:

- анализ существующих способов изоляции зон осложнений при сооружении геологоразведочных скважин и технических средств перекрытия горных выработок;

- выбор рациональной формы профиля гофрированных труб и обоснование его геометрических параметров исходя из техноло -гачносги производства и применения труб, а также по критерию минимальных энергозатрат при их изготовлении и выправлении (экспандировании);

- определение степени использования ресурса пластичности материала труб при их формоизменении в процессе изготовления и экспандирования;

- определение предельно допустимых минимальных размеров перекрывателя по отношении к диаметрам бурения геологоразве -дочных скважин;

- экспериментальная оценка динамики формоизменения про -фильных труб в процессе их экспандирования и устойчивости в скважинах;

- обоснование способа и разработка технических средств раздачи профильных труб после экспандирования;

- разработка технических средств расширения ствола скважины;

- разработка способа, технических средств и технологии изоляции зон осложнений, приуроченных к горным выработкам;

- проведение производственных испытаний перекрывателей и оценка экономической эффективности их применения.

Методика исследований. Поставленные задачи решались путем анализа и обобщения передового опыта, проведения теоретичес -ких, производственных и стендовых экспериментальных исследо -

ваний с использованием современных способов планирования эксперимента и обработки экспериментальных данных, йботоспособ-ность и эффективность разработанных технических средств и технологии подтверждена достаточным объемом производственных испытаний.

Научная новизна. На основании теоретических и экспериментальных исследований автором впервые:

1. Установлены закономерности формоизменения профильной части труб в зависимости от давления выправления и определен оптимальный диапазон давлений экспандирования при установке перекрывателя в скважине.

2. Установлены аналитические зависимости устойчивости перекрывателя к осевой (страгивающей) нагрузке в зависимости от диаметра скважины и давления выправления.

3. Уточнена достоверность аналитических зависимостей определения ресурса пластичности материала труб по сечению профиля и оценена вероятность разрушения их в зависимости от внутреннего радиуса изгиба и толщины стенки трубы.

4. Разработана программа расчета геометрических параметров профиля гофрированных двухканальных труб и обоснованы его минимальные геометрические размеры.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована достаточным объемом теоретических, экспериментальных и производственных исследований, сходимостью их результатов, проверкой разработок в производственных условиях.

Практическая ценность, Разработан комплекс оборудования локального крепления скважин диаметром 76 мм (ОЛКС-76) и тех -нология его применения, что позволяет без использования тампо-нажных материалов надежно изолировать зоны осложнений в сква-

хинах, пересекалцих горные выработки, независимо от их модности, глуСины залегания и интенсивности поглощения, сохранить первоначальный диаметр бурения, производить практически неограниченное количество постановок перекрывателя в одном стволе скважины, за счет упрощения применять бесступенчатые конструкции скважин с последующей реализацией оптимальных режимов бурения, значительно сократить затраты средств и времени на ликвидацию геологических осложнений и за счет этого существенно улучшить технико-экономические показатели ведения буровых работ в сложных горно-геологических условиях.

Высокая надежность способа повышает уровень безопасности ведения горных работ на угледобывающих предприятиях и обеспечивает эффективную охрану недр.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в геологоразведочных экспедициях ГШ "Южгеология" цри бурении скважин на уголь.

Экономический эффект от использования одного комплекта ОЛКС-76 составляет 222,1 тыо.руб. (по состоянию на 01.06.93 г.).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на IX Всесоюзном геологическом угольном совещании (г.Ростов-на-Дону, 1991 г.), 2-ом международном симпозиуме по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (г.Санкт-Петербург, 1992 г.), научно-технических Советах ГГП "Южгеология" (г.Вэстов-на-Дону, 1992 и 1993 гг.), научной конференции профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов МГГА в 1993 г.

На конкурсе идей на лучшее предложение по бурению сква -жин, пересекапцих горные выработки в условиях Донбасса, проводимом Украинским Республиканским правлением ШГГеО, постанов-

лением Президиума УРП ШГГеО Л 1-5 от 15.04.91 г. работе "Изоляция горных выработок с использованием оборудования для локального крепления скважин" присуждено 2-е место.

Публикации. Основное содержание работы изложено в восьми печатных работах, в том числе в двух изобретениях, и в двух научно-исследовательских отчетах.

Объем и структгра работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (101 наименование) , восьми приложений, изложена.на 172 страницах, ма -шиношсного текста, иллюстрирована 43 риоунками и 17 таблицами.

Во введении показана актуальность проблемы изоляции зон геологических осложнение в скважинах, пересекающих горные вы -работки угольных месторождений.

В первой главе проведен анализ оуществущих-методов и средств изоляции зон осложнений и перекрытия горных выработок, на основе которого обоснована.необходимость и выбрано направление проводимых исследований.

Во второй главе обосновываются конструктивные особенности гофрированных труб: материал изготовления, форма профиля поперечного сечения труб, его геометрические параметры и т.д. Описан технологический процесс производства профильных труб ДТ-89/73 (ДГ - даухканальные трубы; 89 - диаметр исходной трубной заготовки; 73 - условный диаметр перекрывателя) и для

каждой операции теоретически обосновано напряженно-дефоршро -I

ч

ванное состояние материала труб.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям параметров и процессов, влияющих на технологические операции и степень надежности установки перекрывателя 0-89/73 (П - пере-крыватель; 89 - диаметр исходной трубной заготовки; 73 - ус-

ловный диаметр перекрыват еля). Исолэдована динамика формоизме-| нения профильных труб ДТ-89/73 в зависимости от величины внутреннего избыточного давления в трубах, установлены зависимости удельной страгиващей нагрузки на перекрыват ель от давления экспандирования и диаметра скважины.

. Четвертая глава посвящена разработке способа, технических средств и технологии изоляции зон осложнений с помощью ОЛКС-76 при бурении скважин, пересежащих горные выработки. Здесь же определены критерии качества установки перекрывателя.

В пятой главе приведены результаты производственных испытаний технических средств и технологии изоляции зон осложнений при бурении плановых геологоразведочных скважин,- подтверждая -щие их работоспособность и эффективность, произведен расчет экономического эффекта от использования профильного перекрывателя.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководи -тела диссертационной работы, доктору технических наук, профессору Д.Н.Башкатссву, а также доктору технических.наук Г.С.Абдрах-ыанову, кандидатам технических наук А.Д.Взйсману, А.Г.Эайнул-.лину, Б.Д.Ашшбекову, А.А.0сипову и -другим специалистам ГГП "Ювгеология" и ТатНИПИнефть за помощь в разработке теоретических вопросов и выполнении экспериментальных исследований и производственных испытаний, которые легли в основу данной работа.

10

СОДЕРЗШИЕ РАБОТЫ

Краткие сведения по изучаемом/ вопросу. Исследованию и разработке способов ликвидации зон геологических осложнений в скважинах посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных авторов. Еначительный вклад в разработку технических средств и методов изоляции крупных пустотных образований (горные выработки, каверны и т.д.) внесли специалисты различных научных и производственных организаций: Г.С.Абдрахманов, Л.М.Ивачев, Э.Я.Кипко, В.И.Крылов, Н.К.Липатов, В.И.Титов, П.М.Тян, аг.Ясов и др.

Анализ существующих методов и средств изоляции зон осложнений и перекрытия горных выработок показал, что наиболее общими недостатками способов беструбной изоляции является: ограничение длины перекрывающих устройств и необходимость поинтер-вального проведения операций в случае наличия достаточно мощ -ной зоны осложнения, низкий коэффициент успешности проведения работ ввиду возможности повторного вскрытия изолированной зоны, ограниченный объем изолируемого пространства (горные выработки должны бить "посажены'' или засованы) и таким образом ' применение их бесперспективно в наиболее сложных горно-геоло-ютеских условиях.

Основными недостатками изоляции зон осложнений обсадными трубами являются: практически обязательное уменьшение диаметра скважины, значительный расход трубной продукции и тампонаж-ных материалов, рост непроизводительных затрат рабочего времени при его реализации и существенное усложнение конструкции . скважины.

Наибольший практический интерес представляют способы

крепления скважин "впотай" без изменения диаметра бурения, которые позволяют:

- надежно изолировать зоны геологических осложнений независимо от их поглощающей способности;

- повысить надежность изоляционных работ по сравнению с беструбными способами (наполнителями, БСС, ЕГС и др.);

- резко снизить металлоемкость конструкций скважин, пересекающих горные выработки;

- применять бесступенчатые конструкции скважин с после -душей реализацией в них оптимальных режимов бурения;

- сократить расход дорогостоящих хишческих реагентов и материалов;

- существенно улучшить технико-экономические показатели ведения буровых работ в сложных горно-геологических условиях;

- повысить уровень безопасности ведения горных работ на угледобывающих предприятиях и обеспечить эффективную охрану недр.

В то же время среди способов крепления скважин "впотай" без изменения диаметра бурения наиболее перспективным для перекрытия горных выработок и изоляции приуроченных к ним зон осложнений является использование металлических (стальных) гофрированных труб в составе профильных перекрывателей, технология применения которых для нефтяных скважин разработана институтом ТатНШШнефть. Данный способ по отношению к аналогичным имеет дополнительно следующие преимущества:

- возможность перекрытия достаточно мощных зон осложнения за один цикл по сравнению.с кассетными перекрывателями;

- проведение практически неограниченного количества постановок перекрывателя в одном бтволе скважины и исключение ис -

пользования тампонажных материалов по сравнение с обсадкой хвостовиками, отсоединяемыми от основной колонны;

- повышенные эффективность изоляционных работ и уровень техники безопасности при ведении работ в осложненных скважинах по сравнение со способом расширения потайной обсадной колонны с помощью взрыва;

- возможность сооружения скважины после установки пере -крывателя до проектной глубины ввиду высокой износостойкости стальных труб по сравнению с трубами из термопластичного материала.

Идея, заложенная в данном техническом решении имеет больше потенциальные возможности, однако ее практическая реализация в геологоразведочной отрасли до настоящего времени одерживалась необходимостью теоретического обоснования и экспериментальных исследований процесса, а также отсутствием надежных технических средств требуемых типоразмеров, что послужило основанием для проведения работ, изложенных в диссертации.

Основные защищаемые положения. Проведенные исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения: ' - I. Рациональной фотмой профиля гофрированных труб, удовлетворяющей геометрическим, технологаческим и эксплуатационным требованиям к ним, является двухканальный. Разработана программа расчета геометрических параметров профиля дцухка -нальных труб и обоснованы их минимальные размеры.

Специфика эксплуатации гофрированных труб в качестве составной части перекрывателя ствола геологоразведочных скважин предъявляет с л едущие основные требования к форме их поперечного сечения:

- габаритные размеры поперечного сечения гофрированной

трубы должны быть существенно меньше диаметра скважины с целью обеспечения возможности беспрепятственного спуска перекрывате-ля на необходимую глубину;

- периметр поперечного сечения гофрированной трубы должен быть равным периметру сечения скважины для обеспечения плотного прилегания перекрывателя к стенкам ствола скважины;

- форма поперечного сечения гофрированной трубы после гидравлического экспавдирования должна быть наиболее близкой

к окружности, т.е. форме сечения ствола скважины, с целью снижения затрат времени на ее калибровку;

- энергозатраты на выправление профиля до прилегания к стенкам ствола скважины должны быть по возможности минимальными;

- форма профиля гофрированной трубы должна гарантировать отсутствие появления трещин в металле, нарушающих герметич -ность перекрывателя, при всех его деформациях в процессе формоизменения трубы.

С целью выбора рациональной формы поперечного сечения, удовлетворяющего указанным требованиям, били рассмотрены многолучевые (шести-, восьми- и двекадцатилучевые), двухканальный (в виде восьыехки, вписанной в окружность) и одноканалышй (же-дэФгатый или С-образный) профили.

Многолучевые труба лучше всех соответствуют первым трем требованиям, т.к. при росте чисда лучей форма поперечного сечения становится более близкой (в пределе) к окружности и позволяет получать при гофрировании трубы необходимые габаритные размера. Однако малые радиуса выпуклых и вогнутых частей профиля обуславливают большие деформации как при изготовлении, так и при выправлении профиля, что приводит к росту вероятное-

ти появления трещин в металле, т.е. не удовлетворяется пятое из указанных требований. Кроме того, с увеличением числа лучей профиля растет энергоемкость экспаццирования, что приводит к невозможности осуществить этот процесс нагнетанием жидкости и требует раздачи, например, конусом снижая скорость калибровки труб.

Однокашльшй профиль наиболее полно отвечает всем требованиям, кроме третьего. Так, форма профиля позволяет вписать необходимый периметр трубы в допустимые габаритные размеры с наибольшими радиусами выпуклых и вогнутых участков профиля. Однако при выправлении в скважине существенная разница в их радиальных перемещениях приводит к образованию формы поперечного сечения,далекой от окружности,и также, как и для многолучевых труб, требует раздачи конус см.

Компромиссным с точки зрения удовлетворения всем пяти требованиям является двухканальный профиль. Обладая почти теш же преимуществами, что и желобчатый профиль, он в отличие от него имеет две оси симметрии, что сглаживает разницу в радиальных перемещениях его выпуклых и вогнутых участков. В результате, после выправления под действием нагнетаемой жидкости, получается профиль поперечного сечения,близкий к окружности.

Экспериментальные исследования подтвердили правильность вышеприведенных рассуждений и показали, что суммарная энерго -емкость процессов профилирования и экспавдирования одноканаль-ного, двухканального, восьмилучевого и двенадцатилуч ев ого профилей соотносятся как 1:1,4:3,7:4,6 соответственно.

На основе этого двухканальный профиль поперечного сечения труб принят в качестве исходного для всех типоразмеров пере -крывателей.

Как видно, два из пяти основных требований, предъявляемых! к перекрывателям (минимальные габаритные размеры и равенство першетров гофрированной трубы и скважины), являются геометрическими. Г&ссмотрение их позволило получить формулы для расчета, которые однако значительно усложняются при построении профиля труб, устанавливаемых в предварительно расширенный учас -тек ствола скважины. В связи с этим возникла необходимость машинной обработки исходных данных с использованием программируе-их микрокалькуляторов (Ш.К) и была разработана программа расчета элементов профиля, составленная по компактной системе для ПШ моделей МК-52 л МК-61, согласно которой рекомендуемыми к применению в составе ОЛКС-76 являются профильные трубы ДТ-89/ 73x3,5 и ДГ-89/73х4 (где 3,5 и 4 - толщина стенки трубы). Одновременно установлено, что производство профильных труб ДГ-1?3/57x3,5 и ДГ-73/57х4 для ОЛКС-59 невозможно, т.к. профиль не удается вписать в требуемые габаритные размеры.

2. Суммарная степень использования ресурса пластичности материала профильных труб ДГ-89/73хЗ,5 и ДГ-89АЗх4 прп ;;г формоизменении в процессе производства и экспацдирования в скважине не превышает значения, соответствующего иаступлгтэт необратимой повреждаемости.

Заполненный предыдущей исследователя!,я анализ* матер::?.;:", применяемых для изготовления продольно-гофрированных труб, показал, что он должен обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать избыточные внутреннее л наружное давления, а также хорошими пластическими свойствами для обеспечения возможности деформации при гофрировании и раздаче без нарушения целостности. В качестве исходного материала для изготовления гофрированных труб принята сталь 10, которая в достаточной степени удов-;

летворяет данным условиям.

Технологический процесс производства профильных труб методом холодного волочения удовлетворяет условиям, предъявляемым к геометрическим параметрам: сохранение толщины стенки и периметра трубы, соблюдение точности размера диаметра описанной окружности поперечного сечения. й*бранный метод подразделяется на три операции. Первая - профилирование трубы роликами, при этом участки поперечного сечения, контактирующие с поверхностью роликов, меняют знак кривизны, а поверхность, не имевдая кон -такта с инструментом, свободно деформируется. Вторая - редуцирование (калибровка) спрофилированной трубы через кольцо (во -леку)., в результате чего поперечное сечение приобретает форму восьмерки, вписанной в окружность, и возрастает кривизна вогнутых участков, а радиусы изгибов становятся сопоставимы с тол -щиной стенки трубы. В связи с этим после редуцирования трубы подвергаются восстановительной термообработке (отжигу) -третьей операции, одной из наиболее ответственных в процессе производства. Полученные по данной технологии трубы имеют:

- два круглых конца длиной 200300 мм, на которых могут выполняться элементы узда соединения труб;

- сформованную в виде восьмерки среднюю часть, имеющую габаритный-размер меньше, чем диаметр у исходной трубы;

- постоянную толщину стенки по всей длине, включая круглые концы.

Завершающим циклом всех формоизменений профильных труб является их выправление (обратное профилирование) в скважине под действием внутреннего избыточного давления. Причем, по -скольку формы поперечного сечения исходной трубы-заготовки и спрофилированной трубы после выправления в скважине прак-

тически одинаковы, а форма профиля является одновременно конечной при изготовлении и исходной при выправлении, то процессы прямого и обратного профилирования с точки зрения изменения деформированного состояния можно принять приблизительно одинаковыми. Это позволяет произвести расчета использования ресурсе пластичности металла труб и на конечном этапе их формоизменения - выправлении в скватане.

Для каждой технологической операции производства и эксплуатации профильных труб теоретически определено напряженно-де-форшрованное состояние материала труб и на основании этого установлено, что суммарная степень использования ресурса пластичности металла профильных труб ДТ-89/73хЗ,5 и ДТ-89/73х4 при их формоизменении в процессе производства и выправления в скважине равна 0,60 и 0,69 соответственно, что не превышает значения, характеризующего наступление необратимой повреждаемости (0,73), и таким образом возможность разрушения труб по причине исчерпания ресурса пластичности исключена. В то же время для профильных труб ДТ-89/73х5 значение степени использования запаса пластичности равно 0,86, что может привести к разрушению труб в процессе их эксплуатации.

Статистической обработкой данных экспериментальных исследований пластических характеристик металла профильных труб получена диаграмма, позволяющая оценить вероятность разрушения труб в зависимости от внутреннего радиуса изгаба профиля и толщины стенки, согласно которой с вероятностью 25% можно утверждать, что разрушения профильных труб ДГ-89/73хЗ,5 и ДТ-89/73х4 при выправлении их в скважине не произойдет, т.к. степень использования запаса пластичности материал труб состав ляет соответственно 0,64 и 0,72, что ниже критического значе -

ния. Для профильных труб ДТ-89/73х5 значение степени использования ресурса пластичности равно 0,88 и это может отрицательно сказаться на надежности изоляции зоны осложнения в. процессе дальнейшего сооружения скважины. Это полностью согласуется с вышеприведенными данными, полученными по аналитическим зависимостям теоретическим путем.

3. Установлены закономерности формоизменения профильной части труб ДГ-89/73 в процессе их экспандирования, выведены теоретически и подтверждены экспериментально оптимальные диапазоны давлений выправления при установке труб в скважине, определены предельные внутренние давления на перекрыватель.

При установке в скважине средняя спрофилированная часть труб перекрывателя выправляется гидравлически под действием внутреннего избыточного давления и это практически завердает весь цикл формоизменений. Основным отличием данного этапа от двух предыдущих (профилирование и редуцирование) является то, что управление процессом возможно только изменением давления жидкости. При этом конечная форма поперечного сечения труб стремится принять форму ствола скважины - окружности.

Экспериментально исследована динамика формоизменения профильных труб ДГ-89/73 в зависимости от величины внутреннего избыточного давления в трубах. Установлено, что процесс экспандирования делится на три этапа:

- отсутствие формоизменения поперечного сечения трубы;

- интенсивное изменение геометрических размеров;

- незначительное формоизменение поперечного сечения трубы.

Границы между этапами характеризуют начальное (Ев^) и рациональное конечное (Р^) давления выправления, которые обоснованы теоретически следующими математическими зависимостями:

IV к-rT ■(!)*, (I)

где К - коэффициент, значение которого зависит от исходных геометрических размеров профильной трубы. -Для труб ДТ-89/73 К = 9,04; (Гт - предел текучести материала труб. Для стали 10 ír =

= 210 МПа; S - толщина стенки трубы; d - условный диаметр перекрывателя.

Рв2 = 1лг-гт.^ах , (2)

тае Дтэ-х - наружный диаметр трубы после экспандирования.

При определении рационального конечного давления выправления, при котором следует завершить процесс гидравлического экспандирования, необходимо учитнвгть, что чем меньше выправление профиля давлением жидкости, тем больше времени будет затрачено на калибровку труб и тем больше будет их износ. В то же время излишнее увеличение давления выправления может привести к разрушению труб.

Исходя из вышеизложенного начальное и рациональное конечное давления экспандирования составили для труб ДТ-89/73хЗ,5 соответственно 4,4 и 14,2 МПа, для труб ДГ-89/73х4 - 5,7 и

16.2 МПа. Определены предельные давления выправления профильных труб, значения которых составили для труб ДТ-89/73хЗ,5 -

21.3 Ша, для труб ДГ-89/73х4 - 24,5 МПа, что значительно (на 30/5) выше рационального конечного давления. Отмеченное под -твердцается данными экспериментальных исследований.

4. Установлены аналитические зависимости устойчивости перекрывателя к осевой (страпшавдей) нагрузке в зависимости от диаметра скважины и давления выправления»

Перекрыватель, установленный в скважине, в процессе ее дальнейшего сооружения подвергается значительным переменным гидродинамическим и механическим нагрузкам, которые могут нарушить или сместить его. Шэтому одним из важнейших критериев качества «го установки является устойчивость, т.е. отсутствие продольного смещения,по стволу скважины. Определение устойчивости перекрывателя в скважинах различного диаметра производилось с использованием специального оборудования и приспособлений.

Регрессионный анализ результатов экспериментов для про -фильных труб ДГ-89/73хЗ,5 позволил в общем виде установить следующую зависимость удельной страгивающей нагрузки & от давления эксщвдирования Р:

. . ;й= 'А- В-Р + С-Р2, (3)

где А,В и С - переменные коэффициенты, значения которых зависят - от диаметра скважины (табл.1).

Таблица I

Диаметр сква- !_5щчения коэффициентов _

жины, мм_| А } В ) С

87 21,72 4,8 0,566

89 ' 5,99 4,14 0,57

Аналогично установлена зависимость удельной страгивающей нагрузки 0. от диаметра скважины Д, которая в общем виде может быть аппрсксимированя следующим уравнением:

1*й= Х - У-Д, (4)

где Х и У - переменные Коэффициенты, значения Которых зависят от давления экспацдирсванвд- (табл.2).

Таблица 2

Давление экспан-дирования, Ша

Значения коэффициентов

X

У

8,4 10,0 12,0

25,843 17,756 10,267

0,274 0,164 0,074

Для установленных зависимостей значения множественных коэффициентов корреляции статистически значимы.

Таким образом, в процессе проведения испытаний оценена и доказана высокая степень устойчивости профильных труб ДГ-89/73 в скважинах (при давлении выправления Р = 12,0 Mía удельная на I м страгивающая нагрузка для труб ДТ-89/73хЗ, 5 в скважине диаметром 89 мм составила 39,3 кН). Данный вывод полностью подтвержден в производственных условиях - не было отмечено ни одного случая смещения перекрывателя.

5. Разработана эффективная технология изоляции зон геологических осложнений в скважинах, пересекающих горные выработки, с помощью оборудования локального крепления скважин 0ЛК0-76 с сохранение?,! диаметра бурения и без применения тампонажных материалов, а также технические средства ее реализации.

Вазработка способа, технических средств и технологии изоляции зон осложнений при бурении скважин, пересекающих горные выработки, стало возможным в результате проведенных теоретических обоснований и экспериментальных исследований процессов производства и выправления профильных труб ДТ-89/73, являющихся важнейшей составной частью перекрывателя П-89/73. Разработанная конструкция перекрывателя - технического средства, опускаемого в скважину и позволяющего осуществлять шдравличе-

ское экспандирошше профильных труб, включает в себя:

- переходник с левой резьбой, обеспечивапций возможность отсоединения от бурильной колонны по скончании процесса выправления;

- профильные трубы ДТ-89/73, при гидравлическом экспанди-ровании и развальцевании которых происходит выправление и плотное прижатие последних к стенкам скважины, обеспечивающее ус -тойчивость перекрывателя от смещения и качественную изоляцию зоны осложнения. В случае наличия достаточно мощной зоны производят соединение нескольких труб с помощью газосварки;

- обратный клапан, обеспечивающий герметичность перекрывателя в процессе выправления.

Разработанная технология изоляции зон осложнений при. бурении скважин, пересекающих горные выработки, с помощью ОЯКС-76, заключается в последовательном выполнении следующих технологических операций:

- подготовительные работы;

- предварительное расширение ствола скважины в заданном интервале;

- подготовка перекрывателя 0-89/73 и спуск его в интервал установки;

- гидравлическое экспедирование;

- фрезерование верхнего цилиндрического участка перекрывателя;

- развальцевание профильного участка знспандироьанных труб ДТ-8Э/73;

- фрезерование нижней цилиндрической части перекрывателя;

- контроль качества установки.

Анализ научно-технической литературы показал, что до на-

стоящего времени отсутствовали конструкции расширителей, обеспечивающие эффективную разработку ствола скважины до требуемых геометрических размеров в породах У1-Х категорий по буримости с возможностью охлаждения породоразрушающих элементов и удаления шлама в "сухих" скважинах. В связи с этим автором совместно со специалистами ОМПНТ ГГП "Южгеология" и института ТатНШШ-нефть были разработаны надежные и работоспособные конструкции расширителя Р1Ь76/89, а также торцевой фрезы 31-76, шарошечных развальцевателей РШ-70 и РШ-76, предназначенных для выполнения всех видов сопутствуюцих работ при установке перекрывателя. Исходя из опыта работ определены технологические режимы их применения.

Заработанный комплект оборудования локального крепления скважин диаметром 76 мм (ОЛКС-76) представляет собой совокупность технологического инструмента и технических средств,обеспечивающих выполнение всего комплекса работ по изоляции зон осложнений и горных выработок и включает в себя плашечный расширитель ГО-76/89, перекрыватель П-89/73, торцевую фрезу ФГ-76, шарошечные развальцеватели РШ-70 и РШ-76, набор вспомогательного оборудования и инструмента (хомуты, измерительные кольца и т.д.).

Качество установки перекрывателя, а следовательно, и надежность изоляции зоны осложнения, определяется следующими основными критериями:

- устойчивость перекрывателя в интервале установки, определяемая по отсутствию смещения его при разгрузке или избыточном натяжении бурового снаряда до 50 кН;

- сохранение целостности перекрывателя в процессе его установки, экспандирования и развальцевания;

- двусторонняя герметизация затрубного пространства,уста-навливаемая по отсутствию поглощения промывочной жидкости и результатам, в сдучае необходимости, расходометрических исследований;

- восстановление цир^ляции очистного агента, если вше перекрывателя отсутствовали зоны поглощения, или подъем уровня промывочной жидкости в скважине, если такие зоны остались неизолированными;

- возможность продолжения бурения скважины породоразрушаю-щим инструментом того же диаметра (76 мм), что и до установки перекрывателя, а также беспрепятственное прохождение бурового снаряда и геофизических приборов.

ОСНОШЫЕ ВЫВОДЫ Й РЕКОМЕНДАЦИИ

I. Наиболее рациональной формой профиля гофрированных труб, удовлетворяющей геометрическим, технологическим и эксплуатационным требованиям к ним при обеспечении минимальной энергоемкости процесса производства и выправления, является двухканальный.

. 2. Оптимальная толщина стенки профильных труб с тсяки зрения возникновения минимальной деформации изгиба при обеспечении необходимой износостойкости в процессе эксплуатации и возмог -ности резьбового соединения - 3,5+4,0 мм.

3. Суммарная степень использования ресурса пластичности материала профильных труб ДГ-89/7ЭасЗ,5 и ДГ-89/73х4 при их фор7 моизыененш в процессе производства и выправления в скважине не превышает значения, соответствующего наступлению необратимой повреждаемости, что исключает возможность разрушения труб по причине исчерпания ресурса пластичности.

4. Практическое изготовление даухканальных, профильных труб

Дг-73/57х3,5 и ДГ-73/57х4 для использования их в составе ОЛКС-59 - невозможно.

5. Экспериментально исследована динамика.формоизменения профильных труб ДТ-89/73 в процессе их экспандирования, выведены теоретически и экспериментально подтверждены значения начального и рационального конечного давлений выправления, определены предельные внутренние давления на перекрыватель П-89/73.

6. Экспериментально исследованы пластические характеристики металла профильных труб ДТ-89/73 и оценена вероятность их разрушения в зависимости от внутреннего радиуса язгаба и толщины стенки трубы.

7. Установлена высокая степень устойчивости профильных труб ДГ-89/73 в скважинах, определены уравнения регрессии, описывающие зависимость удельной страгивающей нагрузки от диаметра .скважины и давления экспандирования.

8. Установлены теоретически и подтверждены экспериментально значительные усилия раздачи цилиндрических концов профиль -ных труб коническим пуансоном.

9. Экспериментально установлено, что сварные соединения профильных труб ДТ-89/73 в процессе их экспандирования ведут себя идентично телу труб и выдерживают избыточное внутреннее давление, превышающее конечное давление выправления.

10. Экспериментально установлена возможность развальцева-ния экспандированных труб ДГ-89ДЗ путем внутренней радиально-тангенциальной раскатки.

11. Разработана эффективная технология изоляции зон геологических осложнений в скважинах, пересекающих горные выра -ботки, с помощью оборудования локального крепления скважин ОЛКС-76 с сохранением диаметра бурения и без применения тампо-

нажных материалов, а также технические средства ее реализации.

ОСНОШЫЕ ПОЛСОШИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛВДШДОХ РАБОТАХ:

1. Вейсман А.Д., Кузьмин И.Г., йлельянов Ю.Ф. и др. Перспективы внедрения экспандируемых профильных труб для перекры -тия горных выработок и программа оптимизации их профиля. -Разведка и охрана недр, 1991, й 7, с.24-26.

2. Основные направления опытно-конструкторских работ по обеспечению результативности и качества геологоразведочных работ./ А.Д.Вейсман, И.Г.Кузьмин, Д.П.Бабков // Ресурсы, качество, комплексное использование углей. Экология. IX Всесоюзное геологическое угольное совещание:. Тезисы докладов. - Вэстов-на--Дону, 1991, с.137-139.

3. Новый метод перекрытия подработанных геологоразведочной скважиной горных выработок./ БД.Адимбеков, А.Д.Вейсман, Д.П.Бабков, И.Г.Кузьмин// 2-ой международный симпозиум по бурению разведочных скважин в осложненных условиях: Тезисы докла -дов. - Санкт-Петербург, 1992, с.47.

4. Кузьмин И.Г. Новый метод изоляции горных выработок, пересекаемых при бурении геологоразведочных скважин. - Информационный листок № 22-93, Ростовский ДНГИ, 1993.

5. Кузьмин И.Г., Вейсман А.Д. Использование перекрывате-лей из металлических профильных труб цри изоляции горных выработок и зон их влияния в геологоразведочных скважинах. // Научно-технические достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр: Научно-технический информационный сборник/ МГП "Геоинфорымарк", 1993. Ban.6, с.41-49.

6. Кузьмин И.Г., Вейсман А.Д. Новый метод изоляции горных выработок при бурении скважин. - Разведка и охрана недр,

1993, & 6, с.24-28.

7. Положительное решение по заявке № 4774559/03 от 09.11.89. Устройство для перекрытия зон поглощений промывочной жидкости. / И.Г.Кузьшн и др.

8. Положительное решение по заявке № 4936567/03 от 20.05.91. Устройство для расширения скважин./ И.Г.Кузьмин, Н.И.Сухенко, А.Д.Вейсман.

/ А. У 3 Ь Л/г И ?/,/./

Зак.408. Тир.100 экз. 1ТП "Южгеология'