автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Разработка технологии и техники бурения с гидротранспортированием кернового материала для разведки россыпей на море

государственный комитет РФ по делам науки и высшей школы московская государственная геологоразведочная академия

ОД

На правах рукописи

МАЛИНИН ЕВГЕНИИ ВЛАДИМИРОВИЧ

удк 622.243.43.085.5 622.243.133

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ БУРЕНИЯ С ГИДРОТРАНСПОРТИРОВАНИЕМ КЕРНОВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ РАЗВЕДКИ РОССЫПЕЙ НА МОРЕ

Специальность 05.15.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Ыосква-94

Работа выполнена на кафедре разведочного бурения Московс Государственной Геологоразведочной Академии и в СКВ "Дальморгеология".

Научный руководитель

кандидат технических наук С.С. Хворостовский

Научный консультант

кандидат технических наук, доцент К.А. Боголюбский

ОФФициальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.Т.Киселев

кандидат техничеких наук. И.П. Петров

Ведущее предприятие

Управление Ресурсов недр шельфа и Мирового океана Роскомнедр.

Защита состоится "18 " ноября 1994 года в 15.00 часов в аудито N 415 на заседании специализированного Совета Д.063.55.01 по заш диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Московс Государственной Геологоразведочной Академии (117485, г. Москва. Миклухо-Маклая, д.23).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГГА.

Автореферат разослан АО 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета, доктор технических наук, профессор

А.М. Лимитовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Решение проблемы вовлечения в производство еральных ресурсов россыпных месторождений шельфа связано с бурением ажин в сложных природных условиях. характеризующихся рядом бенностей. основная из которых - наличие над устьем скважины ного пространства. При существующем уровне применяемой техники и технологии бурения изводительное, время работы с плавучих буровых установок (ПБУ) не вышает 55% и почти половину времени они простаивают из-за еорологических условия (штормы, туманы, морось, температурный и овый режимы и т.п.). Меньшее влияние на выполнение технологических раций погодные условия оказывают при забивном способе бурения. Он спечивает получение высоких механических скоростей бурения и бходимой геологической информативности в рыхлых и перемеживающихся крепости породах. Однако забивной способ характеризуется большим ичеством трудоемких операций, связанных с отбором керна, и поэтому производительность при бурении с ПБУ не превышает 220 м/ст.мес. В ем балансе затрат времени на погружение обсадной колонны в породы ходуется не более 15%. а на отбор керна до 60%. Скорость бурения на е в 2-3 раза ниже, чем при бурении россыпей на суше, стоимость онного метра бурения по состоянию на 31.12.92 составляла 87 руб. Для повышения производительности и снижения стоимости бурения спективны способы и схемы, в которых процессы разрушения пород, пления стенок скважин и отбора керна совмещены. Интерес дставляют способы с непрерывным транспортированием выбуренной оды по двойной колонне труб (ДКТ). Такая схема бурения исключает более трудоемкие операции, связанные с отбором керна и обсадкой ажины трубами, сокращает затраты времени на сооружение скважины, леднее заманчиво тем, что повышает вероятность завершения скважин в йоды благоприятных для бурения погодно-климатических условий, ращает количество случаев ликвидации из-за штормов недобуренных ажин и последующих их перебурок и. тем самым, снижает стоимость ения на акваториях.

Однако имеется ряд причин. ограничивающих применение для

разведки морских россыпей традиционного вращательного бурения гидротранспортированием керна: невозможность поддержания рациональн режимов бурения из-за качки ПБУ; трудность передачи больших осев нагрузок иэ-эа изгиба ДКТ в интервале между поверхностью и дном мор низкая геологическая информативность и невозможность отслеживая границ пород разреза с заданной точностью из-за обогащения и обеднения транспортируемых проб пород; уход очистного агента затрубное пространство и закупорки канала внутренних труб Д породами; невозможность замены износившегося породораэрушающе инструмента; малые диаметры и ненадежность конструкции ДКТ. больш затраты мощности на ее вращение.

Таким образом, проблема применения высокопроизводительного спосо бурения с гидротранспортированием керна для разведки морских россып является актуальной, но требует разработки новых конструктивных Фо бурового оборудования и технологий его эксплуатации, приспособленных условиям бурения на акваториях.

С 1989 года эта проблема решается А/О "Дальморгеология" п руководством автора, являющегося главным конструктором, заведуют горно-бурового отдела Специального конструкторского бюро. Решение эт проблемы осуществляется по планам НИР и ОКР Госкомитета по геологии и в соответствии с программой "Прогрессивные технологии и техническ средства геологического изучения недр континентального шельфа, экономической зоны Российской Федерации и Мирового океана" на 1993-97 г.г.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - выполнение теоретических. конструкторских экспериментальных исследований, совокупность которых обеспечила создание и внедрение в производство комплекса технических средств технологии высокопроизводительного бурения с гидротранспортироват керна для разведки морских россыпей.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИИ:

1. Разработка технологических схем и технических средств ; реализации нового способа забивного бурения с гидротранспортироваш керна.

2. Исследование зависимости скорости потока, удерживающего част! керна во взвешенном состоянии, от параметров технических средств

повий гидротранспортирования.

3. Исследование влияния скорости и режимов движения восходящего гока на качество керна.

4. Определение параметров ДКТ и насоса для бурения с дротранспортированием керна.

5. Обоснование рациональной технологии бурения скважин в рыхлых ложениях шельфа новым способом.

методы исследовании включают: обобщение и анализ Фондовых и тературных источников. аналитические исследования. стендовые и оизводственные эксперименты. сопоставление теоретических и спериментальных результатов, обработка полученных данных и технико-ономический анализ с использованием пэвм.

1. Уточнена Формула скорости витания и приведена к виду, удобному я практического применения при выборе необходимой производительности coca в зависимости от параметров ДКТ и условий дротранспортирования.

2. Установлено. что соотношение диаметров транспортируемого керна канала внутренней колонны ДКТ. при котором наблюдается максимум

■орости витания, близко к 0,3 (в диапазонах изменения длины частиц ¡рна от 1 см до 100 см; относительной плотности пород от 1,2 до 3,45; :аметра канала внутренних труб ДКТ от 7,0 см до 14.8 см; абсолютной ;вивалентной шероховатости от 0.03 мм до о.1мм).

3. Выявлена влияющая на выбор рациональных параметров ДКТ, насоса режимов бурения зависимость качества геологической информативности

' скорости и режима движения восходящего потока: с увеличением :орости потока выше скорости витания резко усиливается разрушение 'руктуры гидротранспортируемых рыхлых пород, пульсации расхода потока ¡иливают их разрушение.

4. Разработаны рациональные режимы бурения новым способом и эаФический метод их выбора. контроля и регулирования по мере зеличения глубины скважины.

5. Дан научный прогноз развития и использования нового забивного тособа бурения с гидротранспортиованием керна скважин многоцелевого

назначения в рыхлых породах.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений, выводов и рекомендавд обоснована высокой сходимостью стендовых и теоретических исследова! с результатами опытно-промышленных испытаний нового способа бурения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ :

1. Разработан комплекс технических средств для нового спосс забивного бурения с гидротранспортированием керна, успешно прошед! опытно-производственную апробацию.

2. Разработана, защищена патентом и апробирована на практике но! технологическая схема СПО и наращивания ДКТ. сникающая затраты трудг времени на спуск, наращивание и извлечение ДКТ.

3. Определен оптимальный диаметр внутренних труб для ДКТ наружными трубами диаметром 168/150 мм. исключающий пульсации давле! в нагнетательной линии насоса при бурении с расхаживанием внутреш труб ДКТ.

4. Получены Формулы и графики. удобные для практическ< использования при выборе рациональных режимов и контроля за ними процессе бурения.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований и техниче] разработки применены при: создании комплекса ударно-забивного буре] с гидротранспортированием керна (КЗГК). образец которого про] опытно-производственные испытания; создании оборудования скважинного гидравлического опробования и опытно-промышлен) гидродобычи россыпных полезных ископаемых: оснащении к: керноприемниками для отбора керна и специальными снарядами изучения свойств грунтов в скважине; бурении скважин на глубина! изобатами до 80 м. Экономический эФФект от новой техники и техноло достигается за счет повышения более чем в 2 раза производительно бурения в сравнении с традиционным забивным способом, применяемым ПБУ в аналогичных условиях, и составит от 1 комплекса за полевой се 413489 руб. (в ценах 1991 г) при годовом объеме бурения 2375 м.

АПРОБАЦИЯ основных положений и результатов работы осуществлена 5-ом Всесоюзном заседании экспертно-координационного Совета по буре с гидротранспортом керна. Белая Церковь. 1989 г.: на нучно-техничес

нФеренциях: Всесоюзной "Оптимизация бурения скважин в осложненных повиях", посвященной 20-летию каФедры технологии и техники элогоразведочных работ ДПИ. Донецк,1991 г.; профессорско-еподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов МГРИ. оква. 1992 г.; на научно-технических советах АО"Дальморгеология". 91-94 гг.; на III международном симпозиуме "Применение геметических методов и компьютеров в геологии, горном деле, галлургии и смежных областях". Москва, 1993 г.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано восемнадцать работ, в м числе : 13 статей. 3 авторских свидетельства .

орТ'ГМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Работа состоит из введения, б глав, новных выводов и рекомендаций; изложена на 174 стр. машинописного кета, включая 14 табл.. 41 рис.. список использованной литературы из наименования и 3 приложения.

Автор выражает благодарность научному руководителю к.т.н. оростовскому С. С. за научно-методическую помощь, консультации и ководство научными исследованиями; к.т.н.. доцентам Боголюбскому

A. и Пенкевичу C.B. за содействие в выполнении теоретической части боты; сотрудникам СКБ НПО ГЕОТЕХНИКА к.т.н. Когану Д.И.. Кузнецову

B.. Пешкову А.Н., Юрьеву М.С. за помощь и консультации при нструировании новой техники; сотрудникам АО"Дальморгеология" Асееву Г.. Перминову В.В. и к.т.н. Пронкину A.n. за критические замечания

ценные советы при обсуждении диссертации; сотрудникам ЫГГА ючникову А.Ю.. Цыпленкову A.A.. Головину С.А. и буровым бригадам рекой поисково-сьемочной экспедиции за помощь в проведении оизводственных исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Автором изучены геолого-методические требования (ГМТ). едьявляемые . к бурению скважин при разведке россыпей, оанализированы работы отечественных и зарубежных исследователей в ласти теории и практики бурения с гидротранспортированием керна и явлены перспективные направления развития этого

сокопроизводительного способа для использования в условиях моря. При ом учтены результаты исследований, изложенные в работах этом учтены

результаты исследования. изложенные в работах А.Н.Бажутина К.А.Боголюбского. В.В.Большакова. В.И.Воздвиженского

A.А.Волокитенкова. А.А.Гребенюка. О.Л.Зайонца. В.Г.Кардыша

B.А.Керимова. Г.А.Крылова. А.И.Кирсанова. А.В.Кузнецова. И.В.Кузьмина Н.С.Левченко. Э.Д.Мельника. Г. Г. Моисеева. Б.В.Мурзакова Г.И.Неудачина. С.В.Пенкевича. А.Н.Пешкова. А.А.Питаде, А.С.Покальчука

A.Е.Смолдырева. С.С.Сулакшина. Б.З.Султанова, Н.Н.Суманеева Ю.А.Яковлева. Г.Алдера. М.Бронстона. В.Грабле. А.Дейли. г.Хендерсона

B.Эленбурга и др.

Анализ научной информации и личный опыт бурения на море КГК 50/50П показали, что применительно к условиям разведки россыпей с ПЕ перспективным по производительности и качеству опробования являете забивной способ бурения с гидротранспортированием керна.

В работе изложены результаты исследований по .создани технологических схем, оборудования и технологии забивного бурения гидротранспортированием керна по способу, разработанном

C.С.Хворостовским. Этот способ найболее приемлем для бурения с ПБУ так как предложен именно для этих целей. обладает высоки коэффициентом передачи энергии удара- к забою и. тем самым, позволяв эффективно бурить скважины больших диаметров (100 мм и более), чт важно для разведки россыпей.

Бурение скважин большого диаметра требует использования дл гидротранспортирования керна насосов с высокой производительностью, н их применение ограничено энергоемкостью ПБУ. В работе изложеи результаты теоретических и экспериментальных исследований по изучени процессов гидротранспортирования керна рыхлых пород в трубах болыни диаметров. Исследования позволили: выявить влияние особенностей новог способа, схем и режимов бурения на качество керна; разработат методики и рекомендации по выбору рациональных конструкций параметров ДКТ. показателей гидравлической мощности потока, тип насоса и режимов бурения; наметить пути для эФФективног транспортирования керна в трубах больших диаметров потоком жидкое! сравнительно малой производительности ( 0,01 -0.02 м3/с ) и давление до 0.1 ЫПа.

По результатам исследований сформулированы следующие защищаемые тожения.

зоре_способа бурения для разведки россыпей._Иа

:окопроизводительных способов наиболее полно отвечает_этому

?б0Ранию_применительно_к_условиям_работы с пбу_бурение_с

дротранспортированием_керна_по_Ж1_и погружением_ее_В_ПОРОДЫ

зивным способом.

При разведке россыпей бурением недопустимо обогащение или гднение отбираемых проб керна, что важно для подсчета содержания хезного компонента. С учетом этого требования бурение, независимо от зсоба, стадии разведки, вида полезного ископаемого. должно гществляться с обязательным креплением скважины трубами, заниченной углубкой за рейс и поинтервальным опробованием. В рыхлых зодах бурение должно вестись с опережением забоя скважины башмаком гб и оставлением' в них после отбора керна предохранительного целика :отой 0.1 -3.0 м. который предотвращает поступление пород с эабоя в 'бы под действием горного и гидростатического давлений.

Вращательный способ бурения с гидротранспортированием керна не звлетворяет изложенным ГМТ. Он не позволяет бурить скважину с зрежением забоя трубами, не обеспечивает точную Фиксацию глубины >ора пород по скважине и получения проб необходимого диаметра, збует расхаживания ДКТ для снижения крутящего момента и этим сажает истинный состав пробы.

Свободен от перечисленных недостатков вращательного бурения новый эсоб забивного бурения с гидротранспортированием. Конструкция ДКТ I его реализации состоит из подвижных друг относительно друга в эдольном направлении наружной (НК) и внутренней (ВК) колонн, юльзование разъемной ДКТ повышает надежность, упрощает конструкцию :нижает ее стоимость. Для реализации нового способа разработаны две эмы бурения (рис.1). Первую применяют на малых глубинах акваторий и зажин. Здесь ДКТ погружают в породы ударами подводного горлового зивного снаряда по придонной муФте НК. Вторая схема отличается тем. з ВК, являясь каналом для гидротранспортирования пород, одновременно

Рис. 1. Принципиальные схемы нового забивного способа бурения с гидротранспортированием керна.

1 - Наружная обсадная колонна

2 - Муфты наружной колонны

3 - Забивной снаряд

4 - Башмак наружной колонны

5 - Сальник

6 - Патрубок

7 - Внутренняя колонна

выполняет роль забивного снаряда. В процессе бурения ее приподнимают сбрасывают на башмак НК и через него передают последней ударн импульс. При этом существенна снижаются потери энергии на деФормап ДКТ.

Новый способ бурения соответствует ГМТ. предъявляемым к бурен скважин при разведке россыпей, так как обеспечивает постоянн опережение забоя наружной колонной ДКТ.

Таким образом, по комплексу критериев выбора способа бурен наиболее рациональным для разведки россыпей с ПБУ на поисков оценочных стадиях геологоразведочных работ является описанный нов забивной способ с гидротранспортированием кернового материала по ДКТ.

2. При определении величины расхода восходящего потока д гидротранспортирования рыхлых пород с целью разведки россып

отдельных частиц керна, зависимость которой от соотношения диаметр частицы и канала внутренних труб ДКТ имеет параболический характер.

Для определения расхода восходящего потока необходимо зна значения скорости витания. Многие из известных результатов теоретических и экспериментальных исследований противоречивы (табл.1

ребуют дополнительных исследований.

Таблица 1

Используемые в бурении зависимости скорости витания и

вторы и расчетные Формулы

.Риттингер

шумилов 01 А 22 (-Р-^ И

и "V V а I

.Кузьмин

№

КвЛУЛ

.Бородацкий .Смолдырев

(л-А)Л

.Глухов .Кукес .Петров

ж ъ-а

Характер зависимости

<1

Здесь: 1> - диаметр труб; с) И б. - эквивалентный диаметр и длина :тицы керна; ,/) и - плотности частицы и жидкости потока; У 'бщенный коэффициент сопротивлений при обтекании частицы; Сх -(ФФициент лобового сопротивления;У.К. К1. К2. КЗ и Д - коэффициенты фотивлений, зависящие соответственно от отношения й/В: Формы :тицы: неравномерности скорости потока по его сечению; Формы частицы :тесненности поперечного сечения трубы; изменения площади проходного шния по длине магистрали и режима течения потока в зазоре между :тицей и трубой; Г = (й/0)2.

и

и

В основе теоретических решений автора по определению выражения зрости витания разделение лобового сопротивления керна движению гока жидкости на сопротивление трения и сопротивления давления. Это зволило более достоверно определить силы, действующие на керн, и эчнить Формулу для вычисления скорости витания. В результате Формула

скорости витания ( для случая использования в качестве рабочей жидкости воды ) приняла вид

и= ... гу-а^ °-25' (1)

где: а = й/0; с1 - диаметр керна; Б - диаметр трубы; ^уО -

относительная плотность керна ( относительно воды ); Кэ - абсолютная

эквивалентная шероховатость труб и керна.

Достоверность полученной Формулы подтверждается высокой

сходимостью значений скоростей ' и. установленных экспериментально и

вычисленных для тех же условий по Формуле. Расхождения значений

средних экспериментальных от теоретических не превышают б Не

вычисления по Формуле (1) затруднительны, так как скорость витани*

представлена в ней в неявном виде. Для упрощения Формулы к

п.. (У- О

представления в ней скорости витания^ в явной Форме выражение 0,68* ^. апроксимировано функцией в?0^^ . в результате

_2 а г )

оле

• 0,03-(а-аг) К+ ^ ¿о,г

3 п

0,25

С 2)

Расхождения в значениях скоростей витания, вычисленных по Формула] (1) и (2) в диапазонах изменений параметров. практически перекрывающи: реально используемые и встречающиеся при бурении < гидротранспортированием, не превышают 3 см/с.

Вычисления по Формулам (1) и (2) показывают (рис.2), чт< зависимость скорости витания от соотношения диаметров частицы керна : канала внутренних труб ДКТ имеет параболический характер с ярк выраженным максимумом, причем, абсолютные значения скоростей витани возрастают с увеличением диаметра труб, длины и плотности частиц, а увеличением эквивалентной шероховатости падают.

Так как размеры частиц керна при гидротранспортировании могут быт

o.i o.t as o.l f.o a

iao •

350300 2S0 10 O i» IOO

so o

o.2 ол o.e es ю 6

Рис. 2. Зависимость скорости витания от соотношения диаметров

частиц керна и трубы при: а - 2.7 ; И - 10.7 см; Кэ

4оо

см: ¡so

- /О

- 10.7 J00

^ г.о

eso

zoo

tso

(00

50

а 0

ел Го

0,05 см

б - D - 10.7 см; КЭ

50 см в -J5 -2.7 ; Кэ £ - 50 см г - =2.7; D -é - 50 см

0,05 см; 0.05 см; 10.7 см;

0.1 О.* 0,6 0! 10

Ь г

личными, то для эффективного их выноса из скважины необходимый ход потока и производительность насоса следует определять по симальной скорости витания из всех возможных ее значений для кретных характеристик ДКТ, предельных длин, диаметров и плотностей х частиц. Для вычисления максимального значения скорости витания бходимо знать соответствующее ему экстремальное соотношение метров частиц керна и труб (Д.о • Исследовав характер изменения ростей витания, вычисленных по Формулам (1) и (2) при различных чениях входящих в них параметров, для определения 0[« подобрана ирическая Формула

Qo= 0¿th(0,&¿)°*3;

(3)

Расхождения в значениях максимальных скоростей, вычисленных по муле (2). перебором по Д и с помощью Формулы (3) в диапазонах енения параметров ( длины частиц керна от 1 см до 100 см; осительной плотности пород от 1.2 до 3.45; диаметра канала тренних труб ДКТ от 7.0 см до 14.8 см; абсолютной эквивалентной

шероховатости от 0.03 мм до 0.1мм). не превышают 0.5 см/с. Характ зависимости Cl о от параметров, входящих в Формулы (2) и (3 показывает :

- значение Q о близко к 0.3 и преимущественное влияние на е величину оказывает длина частиц гидротранспортируемого керна;

- значение скорости витания мало изменяется при изменении Q достаточно протяженной окрестности Ö о .

При использовании ДКТ выбранных характеристик регулирован режимов гидротранспортирования керна возможно практически за сч изменения восходящего потока и геометрических размер транспортируемых кусков керна.

Таким образом, при уточнении Формулы скорости витания, она приня вид, удобный для практического применения при выборе необходим производительности насоса в зависимости от параметров ДКТ и услов гидротранспортирования. Максимальные значения скоростей витан выявлены при соотношении диаметров частиц керна и канала внутренн труб ДКТ. равном 0.3. Это значение соотношения рекомендуется вводить уточненную Формулу скорости витаня при определении необходимо расхода восходящего потока для гидротранспортирования керново материала рыхлых пород с целью разведки россыпей.

3. Сохранность структуры гидротранспортируемого керна рыхлых пор зависит от скорости и режимов движения восходящего потока.

Экспериментально установлено. что с увеличением скорос восходящего потока выше скорости витания гидротранспортируемой части керна рыхлых пород существенно усиливается разрушение структуры керн На стенде куски керна суглинистых пород диаметром 100 мм и длиной 1 мм находились во взвешенном состоянии в стеклянных трубах диаметр 107 мм при расходе воды 50-55 л/мин. При этом скорость потока бы равной скорости витания и составляла 0,093-0.102 м/с. При расходе во 100 л/мин (скорость потока 0.185 м/с) от верхнего торца кер отрывались частицы пород и поднимались вместе с куском, витая расстоянии 5-10 см от его верхнего торца. Дальнейшее увеличен расхода потока усиливало отрыв частиц пород, удаляло область витания от верхнего торца керна и разрушало оторвавщиеся частицы

¡лее мелкие кусочки. Происходит это из-за увеличения разности между ;оростями движения керна и обтекающего его потока, вытекающего а >убу над керном из зазора между керном и трубой. Эта увеличивающаяся .зность скоростей понижает давление над керном и отрывает частицы от ■о верхнего торца.

В экспериментах с такими же характеристиками образцов керна и :тановленными на их верхних торцах утяжеленными деревянными крышками .ких же диаметров керн не разрушался даже при скорости потока 2 м/с.

Следовательно, при необходимости сохранения структуры выбуриваемых ¡род скорость восходящего потока не должна превышать 0,2 м/с. Но при .кой скорости восходящего потока низкая производительность бурения, .к как скорость выноса меньше скорости потока, т.е. в данном случае ¡ныне 0,2 м/с. Положительное решение этой задачи возможно путем [дротранспортирования по ДКТ рыхлых пород в керноприемниках с .отношениями их наружных диаметров и диаметров канала внутренних труб ;т большими 0.9. При этом скорость выноса керноприемника близка к ;орости восходящего потока и независимо от значения последней >храняется высокое качество керна, так как исключается размыв и [падение керна и не требуется деформирующий его кернодержатель.

При разведке россыпей нет необходимости в сохранении структуры ¡рна, но во избежание перемешивания слоев пород, скорость потока 1лжка быть достаточной для выноса из скважины частиц керна ;стремальных диаметров, максимальных длин и плотностей, которым ютветствуют максимальные скорости витания. Экспериментально :тановлено, что при экстремальном соотношении диаметров [дротранспортируемых частиц керна и труб длинные столбики керна пслых пород разрушаются до длины, примерно равной диаметру. Образцы >рна рыхлых пород диаметрами 30-40 мм длиной 100-150 мм при щротранспортировании в стеклянных трубах диаметром 107 мм почти •новенно разрушались до длины 20-40 мм.

Таким размерам во многих случаях соответствуют размеры достаточно ютных пород: гальки и кусков разрушенных гранитов, залегающих в >рских отложениях. Скорости витания таких частиц достигают 1.1 м/с и 1я выноса их из скважины необходимы скорости восходящего потока не

Таблица 2

Схема II

Условия, режимы и показатели бурения ----------

Схема I

Породы Параметры забивных снарядов Параметры режимов бурения Показатели бурения Керн

Масса, кг Длина, м Диаметр, мм Высота :час-сбрасы-!тота вания, ;уда-м : ров :в мин Расход промывки, л/с Давление насоса, МПа Углубка за удар, мм Меха— ничес-кая скорость, м/ч ВЫход. Длина кусков, мм Диаметр, мм 96100

Илы але- ври- то- вые Слабые и средней плотности 430 15,0 127 0,5-0,6 30 12 0.30.4 200-250 450 100 160250

Плотные 616 1100 21.4 1.3 127 426 0.5-0.7 0.5-0.7 30 30 12 0.30.4 60-80 100-150 30-40 50-70 10-13 12-16 130 225 60 108 20 22.7 100 30 150 96100

Песок крупнозернистый с дресвой и галькой Дресва с кусками гранитов 677 123.5 lloo:1.3 677 123.5 1100 ¡1.3 0.7-0.9 0.7-0.9 0,7-1,0 0.7-1.0 20 -70 3060

до 10 до100

ее 1.3 м/с. Механическая скорость бурения при этом высокая (табл.2) ;альнейшее повышение скорости восходящего потока на нее не влияет, изводительность же бурения тем больше. чем больше скорость ходящего потока. Однако. из-за ограниченных энергетических можностей ПБУ. рациональной признана скорость восходящего потока

- 2.0 м/с.

Экспериментально на стенде выявлено. что более интенсивно керн лых пород разрушается при гидротранспортировании его потоком, даваемым поршневыми насосами, менее интенсивно - центробежными, чиной такого положения являются пульсации потока, создаваемого шневыми насосами. При этом режимы движения потока и частиц керна тоянно меняются во времени. Из-за инерционности керна скорость его жения изменяется не синхронно скорости потока. При максимальной рости потока разность ее со скоростью движения керна больше, чем ность между постоянными скоростями керна и потока, создаваемого тробежным насосом. Большая разность вызывает большее разрушение на.

Таким образом, при разведке россыпей бурение следует выполнять со ростями восходящего потока 1.8-2,0 м/с и создавать их центробежными осами, которые, в отличие от поржневых. обладают рациональным етанием производительности и давления, способствуют экономичному ользованию электрической мощности ПБУ.

При необходимости сохранения структуры получаемых образцов керна, ить следует по схеме без расхаживания ВК (схема I) при скоростях ходящего потока, близких к 0.2 м/с. и создавать поток центробежным осом. исключающим пульсации потока, которые усиливают разрушение на.

Транспортировать керн в керноприемниках можно потоком, создаваемым >шневым насосом, так как в этом случае создаваемые пульсации не :яют на сохранность керна.

Параметры ДКТ для забивного бурения с гидротранспортированиемерна ¡дует определять исходя из ГМТ к диаметру выбуриваемого керна, [им.ума пульсаций давления на насосе, гидравлических потерь в ДКТ. а же прочности и достаточности ударной массы ДКТ .

На эффективность бурения с гидротранспортированием керна оказывают влияние конструктивные и энергетические параметры применяемое оборудования и режимы его эксплуатации. Для забивного бурения с

гидротранспортированием основным технологическим оборудование* являются насос и ДКТ. а параметрами режима бурения - скорост! восходящего потока, энергия и частота нанесения ударов по ДКТ.

Опыт бурения при разведке морских россыпей позволяет признат1 рациональным диаметр обсадной колонны 168/150 мм и принять ее I качестве наружной колонны ДКТ. Тогда наружный диаметр ВК следуем выбирать из ряда труб. серийно выпускаемых отечественно! промышленностью: 146, 140, 133. 127. 121 мм. Учитывая условия и характер нагружения труб ВК. толщина- их стенки должна быть не менее 11

мм.

По комплексу критериев сравнения и выполненным расчетам ги затратам мощности насоса (табл.3), рациональной признана внутрення. колонна диаметром 127/107 мм для наружной диаметром 168/150 мм.

Таблица 3.

Зависимость мощности привода насоса (кВт) от скорости восходящего потока и диаметров ВК длиной 100 м

Скорость восходящего ! Диаметр внутренних труб, мм потока, м/с ; 140/118 : 133/иэ ; 127/Ю7 ; 121/101

Примечание: данные в табл. 3 получены при КПД насоса 0.65 коэффициенте гидравлического трения в центральном канале ДКТ - 0.02. кольцевом - 0.025.

Для создания скорости потока 4=2 м/с в этой ДКТ длиной 100 необходим насос с производительностью 0=1074 л/мин, давлением Р=0. МПа и мощностью N = 24 кВт. Требуемым показателям удовлетворяк центробежные насосы НИВ - 63/80 и НЦВ - 63/100. Для бурения с у применением разработан графический метод определения допустимых дт ДКТ ( глубин скважин ) при заданных скоростях восходящего потока и I

1.0 1.5 2.0 2.5 3,0

51.93 : 10.29 : 4.54 I 2,78

170.55 ; 30.52 ; 11.77 6.08

400.84 ; 69.04 I 24.25 I 11,45

,779,52 : 131,75 I 45.17 I 20,16

1Э4Э, 37 I 224,62 ! 74,65 I 31 ¡(34

нтроля по мере изменения глубины скважины. Для этого рабочие тервалы характеристик этих насосов проградуированы в метрах длин Ь Т. допустимых по показателям гидравлической мощности ответствующего насоса (рис.3). Центробежные насосы подают жидкость з пульсаций, что положительно для сохранности структуры керна, нако пульсации восходящего потока могут возникать из-за расхаживания . При падении и подъеме она увлекает по направлению своего движения дкость в кольцевом зазоре и в канале внутренних труб ДКТ за счет ения. Поэтому при падении ВК на долю насоса приходится меньшая чем и подъеме потеря напора, необходимая для продвижения жидкости через зор. Для продвижения жидкости через канал внутренних труб ДКТ оборот - меньшая потеря напора при подъеме ВК. большая при падении, нометрическое давление, являющееся суммой потерь в кольцевом зазоре в колонне, может как при падении, так и при подъеме ВК изменяться в орону увеличения и уменьшения от номинального. Величины изменения вления зависят от параметров ДКТ. зазора между трубами, частоты и орости расхаживания. скорости восходящего потока, концентрации

породы в нем и т.п.

Экспериментально доказано, что при движении ВК вверх давление в гнетательной линии повышается, а при движении вниз - снижается абл.4). Для уменьшения пульсаций давления при движении ВК как вверх, к и вниз необходимо изменить исходные потери: уменьшить в зазоре, бо увеличить в канале. Последнему удовлетворяет наличие керна в нале. Практическим подтверждением этому являются результаты бурения важин глубиной до 27 м. в соответствии с которыми давление по МИД-1 ставляло 0.4 МПа и не изменялось.

Это доказывает, что выбранные соотношения диаметров ДКТ (168/150

и 127/107 мм) являются оптимальными по обеспечению минимальных льсаций давления в нагнетательной линии.

Таким образом доказано, что. по комплексу критериев сравнения иаметр выбуриваемых пород. потери напора, минимум пульсаций нометрического давления и затрат мощности насоса) для ДКТ с наружной лонной диаметром 168/150 мм рациональной является внутренняя колонна аметром 127/107 мм. С целью обеспечения высокой скорости

Рис. 3. К выбору параметров основного технологическог оборудования и режимов бурения: I и II - характеристики насосов НЦВ 63/80 и НЦВ - 63/100 соответственно: а-а и в-в;с-си d -

зависимости F=f(V.Q) в длинах ДКТ. допустимых по предельным точка рабочих интервалов -Д) насосов.

Таблица 4

Пульсации давления (м.в.ст.) при расхаживании ВК диаметром 127/107 мм в НК диаметром 168/150 мм.

Расход ; Параметры подъема_; Параметры падения

воды. I Скорость! Потери напора ! Скорость; Потери напора

л/мин I подъема.: на : в движе-: падения.; на ; в дви-

; м/с ;старте ! нии ; м/с ; старте; жении

1,2 9,0 11.0 1,45 9.4 7,0

600 2,9 9.0 12,5 1,45 8,4 5,5

2,9 8,9 14.0 1.45 8.5 4.5

2.9 19.6 23.0 0.8 19.5 17.0

900 2.9 19,0 24.0 0,8 19.0 17,5

2,9 19.8 21.5 0.8 21.0 18.5

.нспортирования кернового материала в трубах больших диаметров, ¡ньшения пульсаций восходящего потока и рационального использования ¡ктрической мощности ПБУ. при разведке морских россыпей следует юльзовать центробежные насосы.

Эффективность нового способа бурения, по сравнению с традиционным [с.4), обусловлена увеличением в 2-3 раза скорости забивания труб и iopa керна за счет совмещения этих операций: сокращением затрат :мени на наращивания труб за счет увеличения в 6-8 раз длины рейса ; •акже повышением качества геологической информативности.

Традиционный способ бурения с отбором керна забивными керноприемниками

Новый способ забивного бурения с гидротранс-поршрованием керна

гакличи-тельиые (М I)

лодгошк-тельте (19,21)

закличи-тельнне (14.61)

псцгптовитель-«ие 13,11)

бурение (35,82)

вслояогательние (60,3!.)

Рис. 4. Соотношение затрат времени при бурении скважины глубиной 20 м по операциям в процентах (глубина моря 20 м).

Экономический эффект от применения одного КЗГК составит 413489 . в год (в ценах 1991 г) .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Традиционные высокопроизводительные способы бурения гидротранспортированием керна и технические средства для I осуществления не удовлетворяют геолого-методическим требованиям (ГМТ) предъявляемым к бурению при разведке россыпей, и их применение условиях моря неэффективно.

2. Разработан и апробирован в производственных условиях компле! технических средств для забивного бурения с гидротранспортирование кернового материала - КЗГК. который

включает новые конструкторские разработки (ДКТ. замков! соединения диаметром 188/150 мм для наружных и диаметром 146/127 1 для внутренних труб ДКТ, вертлюг-сальник. вспомогательш приспособления и инструмент), отвечает ГМТ, предъявляемым к бурению 1 поисково-оценочных стадиях разведки россыпей, и является эФФективн/ по комплексу критериев для бурения в условиях качки ПБУ.

3. Разработана, защищена патентом и апробирована на практике нов: технологическая схема раздельного спуска, наращивания и подье] наружных и внутренних труб ДКТ, снижающая затраты труда и времени 1 выполнение этих операций.

4. Уточнена Формула скорости витания и приведена к виду, удобно; для практического применения при выборе необходимой производительное насоса в зависимости от параметров ДКТ и услов гидротранспортирования.

5. Теоретически и экспериментально установлено, что:

при расчете расхода восходящего потока д гидротранспортирования рыхлых пород с целью разведки россып необходимо использовать максимально возможное значение скорое витания отдельных частиц керна, зависимость которой от соотношен диаметров керна и канала внутренних труб ДКТ имеет параболическ характер;

- соотношение диаметров частиц керна и канала внутренних труб дк при котором наблюдается максимум скорости витания, близко к 0.3 ( диапазонах изменения длины частицы от 1 см до 100 см; относительн

ютности от 1.2 до 3.45; диаметра канала от 7,0 см до 14.8 см; зсолютной шероховатости канала от 0,03 мм до 0,1 мм);

- с увеличением диаметра канала внутренних труб ДКТ. длины и ютности частицы керна скорость витания возрастает, а с увеличением овивалентноя шероховатости падает.

6. Экспериментально установлено, что при расходе потока воды 10-15 'с подъем внутреннея колонны диаметром 127/107 мм без керна в фужной колонне диаметром 16В/150 мм со скоростями 1,2-2,9 м/с в ггервале до 1.4 м повышает давление в нагнетательной линии насоса в >еднем на 0.035 ЫПа от номинального, а при падении ВК со скоростями 8-1,45 м/с - снижает на 0,025 МПа. При расхаживаниях ВК с керном ¡урение скважин) пульсации давления практически не зафиксированы.

7. При выборе рациональных схем и режимов бурения необходимо штывать, что сохранность структуры керна рыхлых пород зависит от :орости и режима движения восходящего потока; увеличение пульсация ¡тока и рост превышения его скорости над скоростью керна способствует 1зрушению последнего. При разнице скоростей меньше 0.6 м/с >хранность керна высокая. Для выбранных рациональных параметров ДКТ •о условие обеспечивается при d/D > 0.8.

8. Разработаны рациональные режимы бурения новым способом и »аФический метод их выбора. контроля и регулирования по мере сличения глубины скважины:

- углубка за удар, мм - 200 + 250;

- скорость восходящего потока, м/с - 1,8 + 1.9 ;

- частота нанесения ударов, в мин. - 30 ;

- высота сбрасывания подводного снаряда, м - 0,6 f 0.9 :

- высота сбрасывания ВК, м - 0.8 t 1.2 .

9. При бурениии с нанесением ударов ВК по башмаку НК длина первой ■ башмака трубы НК должна быть больше суммарной длины ударника и рвой от него трубы ВК на величину "А". равную разности длины штока " и высоты промывочной головки "С", т.е. А = В - С. Практикой рения рациональным признано А - 0.8 - 1.2 м.

10. Приозводительность бурения КЗГК в 2.13 раза больше, чем адиционным забивным способом с отбором керна керноприемниками.

11. Новый способ перспективен также для бурения скваж геотехнологических, инженерно-геологических. структурно-картиро-вочн и увеличивает глубины разведываемых акваторий до 80 м.

12. Первоочередными задачами дальнейших исследований являются:

- создание технологических схем и технических средств, сокращают затраты времени на проведение СПО и наращивание ДКТ;

- чередование погружения в породы ДКТ на 0.5-1.0 м без пода жидкости и последующей транспортировки керна потоком жидкости д повышения сохранности структуры керна;

- гидротранспортирование керна рыхлых пород в керноприемнике, ч повысит качество геологической информативности, снизит необходим производительность и мощность насоса.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Ударный механизм. A.c. N 1373009. 1985 ( Соавторы.- Коган H.V Веселов В.Ф., Асеев А.Г.. Перминов В.В. ).

2. Вращатель буровой установки. A.C. N 1229295. 1986 (Соавт Асеев А.Г.).

3. Разработка технических средств и технологии бурения на шелы! В сб. "Техника и технология морских геологоразведочных работ", I "Севморгеология". Л.. 1987 .

4. Перспективы бурения на море с непрерывным транспортирован! керна. Изв. ВУЗов. Геол. и разв.. N 12.1987 (Соавторы: Асеев А.] Коган Д.И., Хворостовский С.С ).

5. Подводная буровая установка для вибровращательного 6ypei неглубоких скважин морских россыпей одним рейсом. Приморский ЦН' Владивосток, 1987 (Соавторы: Манич С.Н.. Марков А.Е.).

6. О бурении скважин с гидротранспортированием керна при разве, морских россыпей. Изв. ВУЗов. Геол. и разв.. N 8. 1988 Соавторы: Ао А.Г.. Коган Д.И., Хворостовский С.С ).

7. Бурение с гидротранспортированием керна. В кн. Бурение р. скв. на шельфе. Недра, М.. 1988 (Соавтор Хворостовский С.С ).

8. Технические средства для проведения геологоразведочных работ шельфе Дальневосточных морей. Передовой научно-произв.опыт.. Вып.

ЭМС. М.. 1989 (Соавторы: Асеев А.Г.. Перминов В.В.).

9. Новый способ забивного бурения с гидротранспортированием керна, сб. "Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях". Донецк. И. 1991 ( Соавторы: Хворостовский С.С., Ключников А.Ю.).

10. Определение необходимой скорости восходящего потока при рении с гидротранспортированием керна. В сб. "Геологические следования океана". МГРИ. М. , 1991 ( Соавторы: Боголюбский К.А., нкевич С.В.. Хворостовский С.С ).

11. Способ спуска и наращивания двойной колонны труб при бурении с авсредства. Патент N 20135516 от 30.05.94 ( Соавторы: Хворостовский С.. Юрьев М.С. ).

12. Методика выбора производительности насоса для бурения с цротранспортированием керна. Изв.ВУЗов. Геол. и разв.. N 6. 1992 ( авторы:Хворостовский С.С..Хворостовский И.С..Ключников А.Ю. ).

13. Выбор параметров основного технологического оборудования для рения с гидротранспортированием керна. В сб. "Геологические :ледования океана". МГГА. М.. 1993.

14. Нетрадициоонный метод бурения на море с цротранспортированием керна. Тезисы докладов III-го международного шозиума "Применение матеметических методов и компьютерной техники в злогии. горном деле, металлургии и смежных областях". Ы. 1993 ( iBTop Хворостовский С.С.).

15. Охрана труда и техника безопасности при бурении разведочных зажин на шельфе. В сб. "Геологические исследования океана". МГГА.

. 1993 ( Соавтор Acoca А.Г.),

16. Технические средства геологоразведочных работ на шельфе арктических морей. Проспект. ПГО "Дальморгеология". Владивосток. >3 ( Соавтор Асеев А.Г.).