автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка научно-обоснованной технологии бурения гидрогеологических скважин и вскрытия продуктивных горизонтов в Гобийском регионе Монголии

р V Б ОН 1 о М1Р

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ШСШЕЙ ШКОЛЫ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ШСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНАЯ АКАДЕМИЯ имени СЕРП) ОРДЖОНИКИДЗЕ

На правах рукописи УДК 622.24.085

МИЖВДИЙН НАРАНБАТ

РАЗРАБОТКА НАУЧНО-ОБОСНОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СКВАЖИН И ВСКРЫТИЯ ПРОДУКТИВНЫХ ГОРИЗОНТОВ В ГОБИЙСКОМ РЕГИОНЕ МОНГОЛИИ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994 г.

Работа выполнена в Московской государственной геологоразведочной академии имени Серго Орджоникидзе

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Калинин А.Г.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Соловьев Н.В.

Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие

доктор технических наук, профессор Касаткин В.М.

кандидат технических наук, Володченко В.К.

ГШ "Центргеология"

Защита диссертации состоится Ап/»¿л .Я 199 •Г г.

в час, ауд. на заседании специализированного

совета Д.063.55.01 при Московской государственной геологоразведочной академии по адресу: 117485, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА Автореферат разослан " У*У " н 199-Ь" г.

Ученый секретарь специализированного

совета, доктор технических наук,

профессор ¿у (~)

р- А.М.Лимитовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В южной части Монголии, в Гобийском регионе (это половина территории Монголии), в условиях практически полного отсутствия поверхностного стока и незначительной величины атмосферных осадков основным источником водоснабжения городов, поселков и сельскохозяйственных угодий являются подземные воды. Распространение водоносных горизонтов приурочено к песчаным отложениям различного геологического генезиса и возраста. Эти горизонты являются рыхлыми, неустойчивыми отложениями, что значительно затрудняет их качественное вскрытие и дальнейшее освоение в процессе эксплуатации гидрогеологических скважин.

Существующие методики бурения скважин и вкрытия водоносных горизонтов не позволяют получить максимально возможный эффект освоения подземных вод, что в значительной мере увеличивает объем капитальных затрат и сокращает срок службы водозаборных скважин.

В этой связи поиск резервов, повышающих эффективность освоения водоносных горизонтов, в условиях интенсивного развития народного хозяйства Монголии и увеличения потребностей потребления воды хорошего качества является весьма актуальным. Это определило данную тему и позволило сформулировать цель данной работы.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности эксплуатации подземных вод Гобийских районов Монголии на основе научно-обоснованной методики бурения скважин и вскрытия водоносных горизонтов.

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

1. Анализ гидрогеологических условий пространственного, глубинного и генезисного распространения водоносных горизонтов южной части Монголии.

2. Анализ и научное обоснование существующей технологии бурения и вскрытия водоносных горизонтов, оценка их эффективности.

3. Исследование закономерностей изменения своРств твердогипа-новых растворов и их влияния на эффективность вскрытия водоносных горизонтов.

4. Разработка технологических схем бурения и вскрытия водо-

- А -

носных горизонтов с использованием твердогипановых растворов.

5. Разработка рекомендаций по промышленному освоению подземных вод южных регионов Монголии.

Методика исследований.

Поставленные задачи решались путем анализа фондовых и литературных источников, производственно-геологических данных по бурению гидрогеологических скважин в южной части Монголии и РФ.

Корректность и достоверность основных теоретических положений, возможность практической реализации рекомендаций проверялись постановкой опытно-экспериментальных буровых работ в полевых условиях.

Для реализации задач исследований влияния добавок твердого гипана на свойства раствора была принята методика, включающая в себя комплекс лабораторных, стендовых и полевых работ.

Обработка результатов исследований проводилась современными методами математической статистики с использованием персональных ЭВМ.

Научная новизна работы заключается в том, что автором впервые:

- обоснована возможность надежного источника водоснабжения гобийских районов Монголии путем бурения скважин в глубоких горизонтах водовмещающих трещиноватых пород;

- обоснованы необходимые геолого-литологические особенности водовмещайцих горизонтов для оборудования малодебитных водозаборных скважин;

- разработан оперативный метод оценки водообильности продуктивного горизонта по комплексу геолого-литологических, гидрогеологических и технологических признаков вмещающих горных пород;

- установлены и исследованы основные закономерности изменения свойств растворов за счет добавок твердого гипана;

- разработаны, исследованы и опробированы рецептуры малоглинистых растворов, обработанных твердым гипаном - малоглинистые твердогипановые растворы (МТГР), приготовленные на основе местных глин месторождения Хар-Тойром;

- предложена методика оценки и выбора свойств МТГР для вскрытия водоносных горизонтов, представленных горными породами с различными морфологическими особенностями;

- предложены и обоснованы критерии оценки геолого-литологи-ческих особенностей вмещающих горизонтов для оборудования мало-дебитных скважин;

- разработан состав промывочной жидкости для бурения в условиях Гоби в который входит глина месторождения Хар—Тойром.

Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации обоснована теоретически и подтверждена достаточным объемом экспериментальных и производственных исследований.

Практическая ценность.

В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено:

- перспективные и более водообильные горизонты залегают на глубине 200-300 м, что на 50-150 м глубже, ранее пробуренных скважин;

- местные глины месторождения Хар-Тойром являются технологически кондиционными для приготовления глинистого раствора при минимальных расходах химических реагентов и рекомендованы для применения практически на всей территории республики;

- обоснована возможность и проанализированы перспективы надежного источника водоснабжения гобийских районов Монголии за счет оборудования скважин на глубокие водовмещаищие горизонты, представленные трещиноватыми горными породами;

- подтверждено, что вращательный способ бурения гидрогеологических скважин в рыхлых отложениях с прямой промывкой разработанными нами глинистым раствором на основе глин месторождения Хар-Тойром, позволил повысить качество гидрогеологических исследований, увеличить производительность буровых работ;

- в результате компьютерной обработки данных по 306 гидрогеологическим скважинам разработан пакет базовых данных рекомендованных для использования в производственных организациях с аналогичными технологическими, геолого-гидрогеологическими и природными условиями Монголии.

- годовая экономическая эффективность от внедрения рациональной организации работ, только в институте водных проблем составила 95700 тугриков.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на ежегодных (1991-94 гг) научных конференциях преподавателей и аспирантов Московской государственной геологоразведочной академии, на производственно-технических советах Института водных проблем Монголии (1989-1991 гг), на научной конференции г. Нижний Новгород в 1993 г. и на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников Монгольского технического университета в 1992-1994 гг, на заседании кафедры разведочного бурения Московской государственной геологоразведочной академии.

Публикации по теме диссертационной работы опубликовано пять статей.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений, содержит 143 страниц машинописного текста, 21 рисунок, 41 таблицу, список использованной литературы из 110 наименований.

Введении обоснована актуальность и практическая ценность проведения исследований, дана краткая характеристика выполненной работы и полученных результатов.

В первой главе представлены геолого-гидрогеологическая изучен ность района Гоби и характеристика подземных вод южной части Монголии.

Во второй главе рассмотрены методика проведения исследований, и современное состояние техники и технологии бурения гидрогеологических скважин в гобийском регионе Монголии (проанализированы технология бурения скважин на воду на территории Гоби) и обоснована возможность источников водоснабжения. Научно доказано надежное обеспечение достаточного количества добычи воды для народного хозяйства территории Гоби и его районов.

В третьей главе рассмотрены возможности применения промывочной жидкости, в состав которой входит глина месторождения Хар-Тойром Среднегобийского региона Монголии и проведены комплексы лабораторных исследований местных глин. Установлены типы добавок химических реагентов, необходимых для обработки растворов. Положительные результаты лабораторных исследований разработанных растворов позволили предложить их для практического применения.

В четвертой главе представлены результаты исследований технологических свойств твердогипановых растворов и предлагается оптимальная технология его применения с определенными параметрами промывочной жидкости с добавками твердого гипана.

Проанализированы сравнительные результаты испытаний твердоги-панового раствора с раствором, обработанным товарным гипаном в жидком виде. Исследованы его растворимость в различных жидкостях и их реологические свойства.

В пятой главе дана оценка технико-экономической эффективности внедрения результатов проведенных исследований.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору А.Г.Калинину и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Соловьеву Н.В. за руководство научными исследованиями и ценные замечания при выполнении диссертации; доктору технических наук, профессору Д.Н.Баш-катову за постоянную помощь и ценные замечания, а также всем сотрудникам кафедры разведочного бурения Московской государственной геологоразведочной академии. В процессе исследований автор пользовался советами и консультациями докторов технических наук Панкова A.B., Касаткина В.М. и кандидатов технических наук Цэвэ-энжава Ж. (Мон ТУ), Коломийца A.M. за что автор им искренне признателен.

Содержание работы.

Краткие сведения по изучаемому вопросу.

В связи с большим ростом водопотребления в народном хозяйстве, за последние годы резко возросли объемы бурения скважин на воду и их гидрогеологических исследований.

При этом следует отметить, что при наличии обширнейших исследований в вопросах технологии бурения на нефть, газ и твердые полезные ископаемые, вопросам технологии бурения гидрогеологических скважин посвящено сравнительно небольшое количество работ (Д.Н.Башкатов, А.С.Белицкий, В.М.Гаврилко, В.В.Дубровский) преимущественно прикладного направления. Ряд вопросов, касающихся теории бурения гидрогеологических скважин, освещен в диссертационной работе Д.Н.Башкатова (1970), в работах П.А.Анатольевско-го (1962), Б.И.Воздвиженского (1954), С.А.Волкова (1961), Н.И.

Куличихина (1938), М.Н.Климентова (1994), В.М.Касаткина (1989), А.М.Коломийца (1977), Оноприенко(1973), КваштшГ.Л. (1331), др.

Технология бурения гидрогеологических скважин постоянно совершенствуется.

На качество вскрытия пласта в значительной степени влияет способ бурения и тип промывочного агента. При бурении наиболее распространенным в нашей стране является вращательный способ с обязательным применением промывочной жидкости - воды.

Однако при использовании воды в качестве промывочной жидкости наблюдаются:

- плохая устойчивость стенок скважины, что требует в процессе бурения, при спуско-подъемных и других вспомогательных операциях соблюдения строгих технологических требований;

- низкая вязкость воды, в связи с чем она обладает плохой выносной способностью частиц шлама;

- при бурении скважин в песчано-гравийных отложениях большой мощности (до 100 м и более) на забое скважин образуются шламовые пробки до 10 м и более из крупнозернистого и гравелистого материала, что затрудняет посадку фильтров в заданные интервалы скважин.

Глинистые растворы значительно ухудшают фильтрационную способность призабойной зоны, поэтому они не могут быть рекомендованы при вскрытии водоносных пластов и не применяются в условиях Монголии.

Сравнительно недавно водогипановые растворы стали применяться для обработки промывочных жидкостей при бурении разведочных скважин на твердые полезные ископаемые и воду.

Гипан известен в бурении нефтяных и газовых скважин как эффективный понизитель водоотдачи глинистых растворов, особенно в условиях сильной минерализации и высокой температуры.

В диссертационной работе основой создания эффективных буровых растворов для бурения глубоких гидрогеологических скважин также является гипан, использованный нами в твердом виде.

В связи с этим проведенные нами исследования позволили сформулировать следующие защищаемые положения:

Первое защищаемое положение

На основании исследований литолого-геологических данных 306 скважин установлено, что перспективные и более водообильные горизонты в южной части Монголии находятся ниже 200-350 м на 50-150 м глубже ранее пробуренных скважин.

Основные требования к разработке рациональной технологии бурения скважин могут быть сформулированы, исходя из геолого-лито-логической характеристики, гидрогеологических особенностей территории, а также из возможностей обеспечения в местных условиях процесса бурения скважин технологической водой и качественным материалом для создания фильтров.

Геолого-литологические особенности Гоби состоят в том, что песчано-глинистые отложения представлены толщей глин, в которых водоносные пески занимают подчиненное значение, неустойчивы по глубине залегания и мощности, часто фациально замещаются глинами.

Представление об условиях распространения песков и гидрогеологического районирования Монголии были изложены в фундаментальных работах В.А.Амантова, Э.М.Мурзаева, Н.А.Маринова и других исследователей.

Отсутствие четких закономерностей распространения водоносных песков в таких условиях включает элемент поиска и выбора для испытания наиболее перспективного горизонта. Однако, при знании общих геолого-литологических закономерностей, и учитывая, что в песчано-глинистых отложениях геофизические измерения позволяют с достаточной для практики точностью изучить разрез, поставленную задачу можно решить с меньшими затратами путем бурения малым диаметром с выполнением в ней комплекса геофизических исследований.

Литологические особенности основных водоносных горизонтов, комплексов, перекрывающих и подстилающих отложений определяют показатели технологии бурения (выбор типа долот, нагрузку на инструмент, частоту вращения, требования к промывочной жидкости и т.д.).

Во избежании ошибок или излишних исследований при бурении гидрогеологических скважин необходимо знать и постоянно изучать общие гидрогеологические закономерности всего региона по каждому стратиграфическому подразделению.

Проведенный анализ позволил установить, что имеющиеся гидрогеологические работы по характеристикам водовмещающих пород основных водоносных горизонтов, комплексов и перекрывающих их отложении, можно разделить на 3 группы: трещинного типа вод горных массивов; малодебитных вод предгорных и межгорных равнин, и обводненные разломы. Эти группы гидрогеологических районов соответственно сложены скальными породами и полускально-пластичными породами с прослоями песчаных отложений.

В зависимости от рельефа местности и геоструктурных условий глубины залегания водоносных горизонтов Гоби изменяются от нескольких десятков метров до 300-500 м. Гидростатические напоры над кровлей также варьируют в пределах от нескольких метров до 250 м. На отдельных участках водоносные горизонты имеют безнапор ный характер. Глубины статических уровней изменяются от 1-5 до 150 и более метров.

Каждый из литологических разрезов имеет определенные глубины залегания основных водоносных горизонтов и комплексов.

Так, основные водоносные горизонты и комплексы в полускально-пластичных породах с прослоями песчаных отложений залегают на глубинах 200-300 м и более.

На основании исследований результатов бурения была построена гистограмма зависимости числа водных (безводных) скважин за последние 20 лет бурения разведочно-эксплуатационных скважин глубиной до 200 м в южной части Монголии. Гистограмма подтверждает отсутствие подземных : вод на малых глубинах. Рис. I.

100,

Количество пробуренных скважин, шт.

50

годы

1970

1980

1990

безводные, □ малодебитные, ЕЗ водные

Рис. I. Гистограмма зависимости числа водных (безводных) скважин

На основании анализа пробуренных скважин на территории Гоби необходимо указать на более глубокое бурение водозаборных скважин в трещино-жильных и трещино-разломных вод.

Подтверждением возможности размещения глубокозалегащих горизонтов, имеющих пресную воду в большом объеме, в виде подземных бассейнов являются выявление, подсчет запасов и эксплуатация Балгасын Улан-Нурского бассейна.

В связи с этим для поиска и разведки, с последующей эксплуатацией глубокозалегающих подземных вод, потребуется более мощная буровая техника, оборудование для проходки твердых горных пород.

Для выполнения таких работ необходимо применять новые разработки и специфическую технологию бурения скважин.

Второе защищаемое положение

Установлено, что твердогипановые промывочные жидкости по основным параметрам больше загущают раствор, чем водогипановые растворы 0,7 и 1,0. Оптимальная добавка твердого гипала составляет 3,0- 3,5 % от объема промывочной жидкости.

Для решения этой задачи были изучены и проанализированы современные промывочные жидкости применяемые при бурении скважин на воду.

При сооружении гидрогеологических скважин достоверность оценки параметров водоносных горизонтов значительно выше при вращательном бурении с прямой промывкой водой.

Но технической воде, как и промывочной жидкости, свойственен целый ряд существенных недостатков, во многом ограничивающих область ее применения. Общеизвестны и недостатки глинистого раствора.

Были проанализированы современные промывочные жидкости, применяемые в России и за рубежом при бурении преимущественно на нефть и газ, рассмотрено влияние отдельных параметров промывочных жидкостей на устойчивость стенок скважины, вынос шлама, процессы кольматации и другие. Промывочные жидкости должны быть нетоксичными, легко транспортируемыми и доступными для широкого применения.

Проведенное изучение литературных источников и лабораторных исследований показало, что наиболее полно перечисленными требованиям отвечают водные растворы ряда полимеров различного строе-

нил, таких как КМЦ, ПМ, гипан и другие, в практике используемые для стабилизации глинистых растворов при бурении преимущественно на нефть и газ.

Гипан эффективно повшает вязкость его водных растворов при малых концентрациях, наиболее хорошо растворяется в воде, удовлетворительно поддерживает свои свойства при хранении, нетоксичен, наиболее дешев и доступен, обладает хорошими ингибируищими свойствами по отношении к глинистому шламу, т.е. гипан является наиболее технологичным реагентом для бурения скважин 15а воду в рыхлых неустойчивых отложениях'.

В 1994 году химическим предприятием г. Днепродзержинска налажен выпуск твердого гипана, который отличается от гипана 0,7 и 1,0 и имеет следующие преимущества:

- удобен при транспортировке,

- малообъеыен,

~ дольше сохраняет свои свойства при хранении.

Однако свойства твердого гипана не исследованы, поэтому были поставлены специальные лабораторные испытания по специальной программе.

В лабораторных условиях изучались следующие свойства твердо-гмпановых (ТГР) растворов, проведены сравнительное испытания и установлены основные технолопгческие свойства растворов: вязкость статические напряжения сдвига, показатель фильтрации, толщина корки, плотность, врегля растворения в различных жидкостях и реологические свойства (пластическая вязкость, динамическое напряжение сдвига, ссйсктпвная вязкость).

Приценялись'стандартные лабораторные приборы и опытный образец вискозиметра РСН-3; опыты проводились по разработанной методике и обрабатывались методами математической статистики.

Водные растворы гипана обладают высокой вязкостью при невысоких концентрациях. Так, при содержании твердого гипана в воде от 0 до 4,0 % вязкость раствора повышается от 15 до 32 с по -СГШ-5.

Использование -глин Хар-Тойрокского месторождения обеспечивоят большую (до 1,5 раза) вязкость глино-гипанового растаора, что сг.язаио в первую очзрсдь с иииер&логаческим составом глин, в которых ь большей мере преобладают каолинит (.М20325с0г 2ИЛ', положительно заряженные ионы металлов У^Ьу2* Ссх Ы'с?, К ' и с

тем, что в этих глинах имеется несколько отличная структурная резетка ориентирована гидрокснльной группы (-С'П) с структуре. Установлено, что: а) вязкость твердогипанового раствора выше, чем у раствора на базе гипана 1,0 в среднем на 10 %; б) использование гипана с глинистым раствором позволяет существенно увеличивать вязкость доводя ее до 80 с.

Исследовались также плотности и водоотдача твердогипановых растворов. Выявлено, что водоотдача водогипанового раствора уменьшается по мере роста концентрации гипана в воде.

Впервые проведенное исследование водоотдачи в глинисто-гипано>-всм растворе показала, что в нем существенно меньшая водоотдача, чем в водогипановом растворе.

Плотность водогипанового раствора может варьировать от содержания твердого гипана в достаточно широких пределах от 1,11 до 1,4 г/см3, что обеспечивает выполнение технологических требований бурения гидрогеологических сквалпга в разнообразных горно-геологических условиях.

Для определения растворимости твердого гипана в зависимости от температуры были проведены исследования в воде и в глинистых растворах. Объем водяной пробы составлял 1,0 + 20,0 литр.

Исследования проводились в статических условиях. В качестве критерия полной растворимости была принята видимая прозрачность раствора (отсутствие сгустхсов).

Предварительные исследования влияния динамического режима растворения твердого гипана в воде были выполнены в производственных условиях ГГП "Волгагеология" на горизонтальной глиномешалке емкостью 0,75 м3.

Установлено, что: а) время растворения (в статических условиях) твердого гипана в воде занимает относительно небольшой период времени до 100-110 мин; б) время растворения гипана уменьшается пропорционально увеличению температуры среды; в) растворение твердого гипана в глинистом растворе происходит за более продолжительное время на 15—30 %; г) в бентонитовом глинистом растворе твердый гипан растворяется немногим лучше на 7-8 %, чем в растворе на основе глин месторождения Хар-Тойром (Монголия).

Выявлено также, что статическое напряжение сдвига в растворе

находится в прямой линейной зависимости от содержания твердого гипана как для воды, так и для глинисто-гипановой смеси.

Так: а) структурные свойства водогипановых растворов имеют достаточно низкие до 8-9 раз структурные характеристики, поэтому их выносная способность главным образом определяется вязкостью; б) использование глинисто-гипановых растворов позволяет добится широкого диапазона статического напряжения сдвига до значений, которые регламентируются технологическими требованиями бурения гидрогеологических скважин (от 1,0 до 7,0 Па).

В лабораторных условиях изучались также реологические свойства твердогипановых растворов, то есть подтверждено, что использование гипано-глинистых растворов позволяет даже при малых содержаниях твердого гипана (до 4,0-5,0 %) получить требуемые значения параметра динамической и эффективной вязкости раствора.

Величины пластической вязкости и динамического напряжения сдвига не только характеризуют текучесть глинистого раствора, но также дают возможность оценить причины его загустевания и наметить пути разжижения.

Увеличение пластической вязкости свидетельствует об увеличении концентрации твердой фазы, а резкий рост динамического напряжения сдвига - о коагуляции.

Для оценки текучести буровых растворов пользуются величиной эффективной вязкости. Этот параметр выводится путем деления уравнения Шведова-Бингама на сШМЬ

= Н + (I)

¿У I ¿У И

Двучлен в правой части этого равенства называют эффективной вязкостью и обозначают

1 + ¿¡к*

Если подставить равенство (I), то уравнение Шведова-Бин-

гама приводится к виду, аналогичному уравнению Ньютона:

¿У

э?' сСП

= т. (4)

Динамическая вязкость определяется по формуле:

Л

иг

где ~и? - угловая скорость вращающегося цилиндра вискозиметра, град/с;

(Р - угол поворота измерительного цилиндра при данной угловой скорости, град; - константа упругого элемента вискозиметра, мПа/град. Для пружины № 2 вискозиметра ВСН-3

/Щ =32,2 мПа/град

Если измерять эффективную вязкость при скорости вращения наружного цилиндра = 600 об/мин., то расчетная формула принимает вид:

Ь =32,2 -«О- = 32,2 ^-Ш- = 32,2 30 (Д^ = С*? (П1^ 71/1 3«14 600

= „пас; (5)

Величины пластической вязкости ^ и предельного динамического напряжения сдвига (С0 определяют по ниже приведенным формулам или определяют графически по кривой течения ^Ог) рис. 2.

-Р,гра4

' л//,.

Рис. 2. Кривая зависимости

- угол поворота шкалы, измеренный при высокой скорости вращения гильзы ■ п2

- угол поворота шкалы, измеренный при скорости

По наклону прямолинейной части или кривой течения определяют пластическую вязкость, а по отрезку, отсекаемоьу при продолжении этой прямолинейной части на оси напряжения^ предельное динамическое сопротивление сдвигу.

Пластическая вязкость определяется из выражения:

,сп5 (6)

н = ./I

С /7,-/7,

Предельное динамическое сопротивление сдвига:

где/4 и В- константы, зависящие от упругости пружины вискозиметра

Для пружины >? 2, используемой при выполнении измерения

Кх = Ю"3 и К2 = 0,3; К3 = Ю3

утол поворота шкалы, измеренный при высокой скорости вращения гильзы /?2( /?2= 600 об/мин);

угол поворота шкалы, измеренный при соответствующей меньшей скорости /?,.( 300 об/мин).

Такил образом, проведенные лабораторные и стендовые исследования позволили рассматривать твердогипановые растворы как более перспективные в практике, чем гипан 0,7 и 1,0 из-за целого ряда технологических преимуществ, таких как легкость транспортировки, сохранение заданных свойств, более широкого диапазона применения, приготовления и др.

Реолопяеские свойства твердогипановых растворов значительно повышают способность выноса частиц шлама на поверхность при ламинарном режиме и позволяют более качественно вскрывать водоносные горизонты в сложных условиях южной части Монголии.

Для обеспечения заданных параметров бурового раствора целесообразно использовать гипано-глинистые растворы с содержанием твердого гипана до 4,0-5,0 %, при этом основные свойства раствора зависят от типа и минералогического состава применяемых глин,

Третье зедлпгаегое положение

Уст.елоглено, что гллгщ; гестссслге!::;:; Уетл-То "ге:.; л"л.~л;тея технологически конпициоюп.д.гл для бурения гидрогеологически ске.1-аин пси мдзаяшь'кдс добавках химических реагентов па всей территории Гоби (Республика Монголия)

Пусткнгцй и бсзБодттй хараггге-р расскатриЕгемого региона требует ссобсго сге-1П)£я"есг.ого подхода :< рсген:лэ вопроса с лолллест-всккоЯ и каяестсегшсй характеристике лрстзрочкей жидкости при бурении,

!>:оголглкяп гггал'пллее":;..; работа огсрр.д*.^г»и в И'-спт/гго гсу-.нт'зс гребле;,; я (хецлчеякв гсдакухпгтсисле I сс/здс^сг^'л ки^:«: яс-

ны на пегеял струзтурныс чглес-гз рлсо'-слл. сСгсгетчргс.г.ях бург-екгкеш глубине^ до 2С0-330 !.: и более при: иакс^алыгоу использселнун г.-естллх латеолалов з даг-сстг-и лелгтененгов прсгл'зс^нел лл.гкеетлт;

- г.и.т.алгН'к расходах :-"?. гсрсгсстся"л"е л :."?.лсдоету»иг--з средств:?. л-^ллтселе;-; ебрсботкя;

•-• глл' ' лр;л:е!;еллах ллул :.ул лллл с; ел:.лл з

спрелелелклх" ллтолегллзе^х лгглллглх с л-ге. ь:сллллгл г: :л-. ••. -1.

Селслллл ус лет лллл л:,5 и удс),с.:.лл::лл блрсглле еллт'.'р- \ улл лет-'лг лалл'^ле с геслсгл';рслс?л с^регллл Геб:; ..-гг:-" :с оч"слснлб тс-чло'"-?"--нлелге ¡ллллх гл:слез: еул-лл:б л еугллллоу с.- -.уеле.л-.-ессгь схг.'-.'ол сньелл! пул буреели л ллтслс;лл"о еллес лллалглх пре:.л?Еелну"о ллл.лсе^ь.

Пселеллее обслсллельетго слут? лрллллел пяог:»' ее ^улел:; лл-х расходов з 4-8 раз псе'лллалллсс нор.»'атаг.:с'в, что в слеп олередъ требует настоятельного ист глеллл л лепелъгеленля лесгнкл летсл-ипкев слрья длл глккиотого растьсго и ргзглбеткл т<г;:иодсг:ш его приготовязния по лоллолнссти бел у^аеллл ллрогостоллло: хлллкатое.

I] лечепле КШ-1991 гг п.гоер лрллуллл лсслеусл;лил по расстрел^:-) областей прпг'цьенпя хминиси-х слстллссл лелу:"е;."лл иг нллс глин, в гаяле Егасиат.-,-) ллмллил некет'члх хкличеогск ееа-гентоз на отру л турило- свс"'стза лллх елгтгоеое.

Гллне лестереглценкя Хлр-Т: трем, ес1-;слу летело'? составляет :<сятмориллсни г. бллзле ее лерлмету л,; л ллегеи, кепельзуельм и Рессли к ла рубеле;-;. Ъ\о лглллелдд.-1:0 ^нллзали атештпл спектре,-

график, структурной рентгеннографии, термографией и т.д. Результаты этих исследований приведены в табл. I.

Таблица I.

Результаты определения ма1фоэлементного состава глины месторождения Хар-Тойром Среднегобийского региона (.%)

ло2 1 О3 | Ре2 03 | Са 0 ! °3 ! М^О | Мп.0

55,5 15,08 5,53 4,94 3,13 3,08 0,089

Глины жирные, в свежем виде вязкие, малинового или буровато-вишневого цвета, представлены фракцией менее 0,1 мм.

Сравнительные исследования параметров глинистого раствора, приготовленного из глин рассматриваемого месторождения были приведены в соответствии с рекомеццуемыми Российскими специалистами методикой. Результаты исследований приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Сравнительные результаты параметров растворов, приготовленных из глин месторождения Хар—Тойром Среднегобийского региона и глиной в соответствии с ТУ 39-044-74

Особенности раствора 1 Глина по 39-044-74 !Глина мес-

* г -! торождения

глины ! I ! П ! Ш ! 1У !Хар-Той-

! сорт ! сорт ! сор>т ! сорт !ром

I. Условная вязкость раст-

вора, с 20 22 25 30 30

2. Плотность раствора при условной вязкости 25 с по вискозиметру ВП-5, более

г/см3, не более 1,06 1,08 1,10 1,10 1,10

3. Содержание песка в раст-

воре, в %, не более 4 5 7 8 4

4. Водоотдача за 30 мин,см3 10 15 20 25 20

5. Толщина корки, мм 2,0 2,5 3,0 4,0 4,0

6. Выход раствора при условной вязкости 25 с по менее

вискозиметру ВП-5, м3/т 10 8 6 6 10

не менее

Из табл. 2 видно, что для получения растворов более высокого качества необходимо применение химических реагентов, улучшающих качество глиносырья. С этой целью проведены исследования влияния добавок кальцинированной соды (ЫагС0^) на свойства глинистого раствора из глин месторождения.

Анализ химического состава глины месторождения Хар-Тойром показывает, что для улучшения их качества требуется внесение в них не более I или 2 химических активных веществ.

На основании этого в данной работе исследовалось влияние кальцинированной соды как наиболее активного вещества на изменение качества глинистого раствора.

Результаты исследований приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Влияние добавок кальцинированной соды (А^С^) на свойства глинистого раствора

пп ! Добавки соды, ! * ! Основные параметры глинистого раствора

'Условная ¡вязкость, Шоказатель фильт-!Толщина кор-с !рации, с кг !ки, мм

I _ 21 30 7,0

2 0,25 25 24 6,0

3 0,50 40 20 5,4

4 0,75 45 18 5,0

5 1,00 30 8 4,0

Использование местных глин месторождения Хар-Тойром и твердого гипана позволило создать рецептуру малоглинистых твердогипа-новых растворов (МТГР), обладающих необходимыми технологическими свойствами для бурения в пределах вмещающих пород и продуктивных водоносных горизонтов. За счет активного катионного обмена мегзду разнопольными катионами полимерных цепей твердого гипана и обменными катионами местных глин происходит компенсация недостающей твердой фазы глины в глинистом растворе и формирование необходимых технологических свойств МТГР.

Рецептура твердогипановых растворов приведена в табл. 4.

Таблица 4.

Оптимальные составы твердогипановых растворов для бурения скважин в Гоби

! Характеристика ! Состав рекомендуе- 1 Пески разно- 1 Песчано- 1 Примечание

пп 1 ! промывочной ! мой концентрации, ! зернистые, ! гравилистые!

] 1 жидкости < °/о ! глинистые 1" породы " •• ......г

Твердый гипан 2,0 - 3,0 3,0 - 4,0 Готовтися

Глины: глинистый

I Глинистый а) бентонитовые 5,0 - 8,0 8,0 - 11,0 раствор затем

раствор б) месторождения в отдельной

Хар-Тойром 4,0 - 7,0 7,0 - 9,0 емкости раст-

Вода остальное остальное воряют твер-

дый гипан

Твердый гипан 3,0 - 4,0 4,0 - 5,0 Готовится ма-

Глины: логлинистый

2 МТГР а) бентонитовые 4,0 - 6,0 6,0 - 8,0 раствор затем

б) месторождения растворяется

Хар-Тойром 3,0 - 5,0 5,0 - 7,0 в отдельной

Вода остальное остальное емкости

В случае если вода обладает высокой жесткостью рекомедуется вводить кальцинированную соду в количестве 0,3-0,8 % для смягчения воды.

Четвертое защищаемое положение

Уточнение формулы для расчета дебита водоприемной части.

Для проведения научных исследований, экспериментальных и лабораторных работ были проанализированы и обобщены последние данные по рассматриваемой территории, оценки эффективности работы фильтров различных типов и конструкций, а также сведения по основным фильтрационным характеристикам водовмещающих пород.

На основании проделанной работы составлена - карта распространения малодебитных водоносных горизонтов с дебитом от 0,5 л/с до 3 л/с и максимальной глубиной водоносных горизонтов до 300400 м.

Для оценки эффективности работы установленных типов фильтров и режимов эксплуатации скважин были проанализированы данные по 306 скважинам.

Анализируя результаты наблюдений при откачках, установлено, что сопротивление пропорционально понижению. Разница понижений в скважине и за стенкой фильтра ¿'равна сопротивлению фильтра

51(8)

Отношение сопротивления фильтра д ¿> к соответствующему понижению в скважине по В.И.Володько называется коэффициентом сопротивления. ^

С= (9)

Дебиты скважин пропорциональны понижениям за стенкой фильтра, поэтому, чем больше потери напора на стенках фильтра, тем больше потери дебита, меньше удельные дебиты и дороже подъем воды.

В случае, когда скважина совершенная, для определения количества воды обычно используют формулу Дютои

0=1,36 к 2 (мг (ю)

где К - коэффициент фильтрации, м/сут;

М - мощность водоносного слоя, м;

$- понижение уровня при откачке, м;

Я - радиус влияния скважины, определяемый опытным путем,м;

Т.- радиус водоприемной части скважины, м.

Формулу (10) принимают и для случая, когда 5 = £с , £=Т0 где 50-понижение уровня воды в скважине, м; радиус фильтра, м. Величина "С" позволяет прогнозировать понижение в скважине. Из уравнений 8 и 9 следует:

£= (I - С) (II)

При бурении разведочных гидрогеологических скважин для получения качественных достоверных результатов фильтрационных характеристик нужно знать возможные сопротивления фильтров с тем, чтобы определить наиболее эффективные типы фильтров в соответствии с гидрогеологическим районированием.

Если в формуле Ф.Н.Бочевера заменить 2,73_через С,

получим: ^ , ,

<3= К-М-5С (12)

из которой следует, что

С= —^— (13)

К -М

где С - коэффициент сопротивления фильтра.

Очевидно, что по величине "с?" можно оценить работу фильтра в данных водовмещашцих породах, определяя ее расчетным путем через определение "скачка" . пропорционального величине

Сопротивление фильтров (сетчатых, блочных и др.), установленных в мелкозернистых глинистых песках в скважинах малых диаметров (100-200 мм), может достигать 50-80 % Зс ■

При понижениях уровня воды больших «¡^образуется существенный "скачок", величина которого определяется по формуле:

(14)

где Т. - радиус фильтра, м;

¿я/у- критический напорный градиент. При понижениях 6 л»>имеет место прямая пропорциональность между дебитом и понижением, при больших понижениях для безнапорных вод величина удельного дебита уменьшается и стоимость подъема £ м3 воды, пропорциональная 5 намного повышается.

(16)

Кроме того, при скоростях входа воды в фильтр больших скважины пескуготся.Поэтому дебиты при которые можно назвать критическими, будут и оптимальными дебитами, рекомендуемыми для нормальной эксплуатации скважин. Обработка большого объема результатов откачек из одиночных скважин и оценка качества работы фильтров и установленных режимов эксплуатации проводились с помощью графо-аналитического метода И.Ф.Володько.

Преобразуем формулу (14) следующим образом:

К-5 = -М---(15)

2,72 М

Обозначим Ф "тГ через "А" 2,72

К -5! _ _0_ А М -5

Для приближенного "А" величину для различных водоносных песков ориентировочно можно принять равной 20 -2000 м (И.А.Ска-балланович, 1965 г.). Значение "А" для тонко-, средне-, мелко-и крупнозернистых песков для малых и больших значений Я.

На основании выполненных исследований получена уточненная зависимость с учетом понижения уровня воды при откачке ее из скважины.

Таким образом полученная зависимость подтверждает вывод о том, что с увеличением мощности водоносного горизонта и при условии установки фильтра в его нижней части увеличивается дебит слабонапорного водоносного горизонта.

Основные выводы и рекомендации.

1. Установлено, что глинистые растворы месторождения Хар-Той-ром являются технологически кондиционными для бурения гидрогеологических скважин при минимальных добавках химических реагентов на всей территории Гоби (Республика Монголия).

2. Доказано, что оптимальная добавка твердого гипана при приготовлении промывочных растворов составляет от 3,0 до 3,5 % от объёма раствора.

3. Выявлено, что твердые гипановые растворы по сравнению с

жидкими водогипановыми растворами наиболее технологичны вследствие чего они на 5-10 % экономичнее.

4. Установлены геолого-литологические особенности водовмещаю щих пород в южной части Монголии.

5. Доказана надежность водоснабжения Гобийских районов Монголии путем сооружения водозаборных скважин глубиной 200-350 м.

6. Целесообразно использовать глину месторождения Хар-Тойром повсеместно для приготовления промывочной жидкости при разведоч-но-гидрогеологическом бурении скважин в Гобийском регионе, что дает большую выгоду, так как снижает себестоимость бурения.

7. Глина этого месторождения обладает хорошей восприимчивостью к химической обработке реагентами, что значительно повышает качество глинистых растворов.

Основные положения диссертации-<-.опубликованы в следующих работах:

1. М.Наранбат, Ж.Цэвээнжав. "Совершенствование техники и технологии бурения гидрогеологических скважин в гобийском регионе Монголии". Доклады ХШ научной конференции МонТУ,Улан-Батор,1994.

2. М.Наранбат. Исследование местных глин с целью их использования для приготовления буровых растворов. М.,МГГА, Конференция профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов академии. "Новые достижения в науках о земле". Тезисы докдадов. 1994.

3. М.Наранбат, Ж.Цэвээнжав. Обоснование типизации гидрогеологических условий Гоби. Научно-практическая конференция, посвященной 25 летию начала подготовки кадров геологов в Мон ТУ. Тезисы докладов. Улан-Батор. 1994.

4. М.Наранбат, Д.Шонхср. Усны цооног уроццлогийн технологийн зарим асудал. Вестник техники и технологии. Улан-Батор. 1994,

№ I, с. 25-26.

5. М.Наранбат, Н.В.Соловьев. Опыт бурения гидрогеологических скважин в южной части Монголии. Сборник "Геология и разведка", № 6, 1994.