автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Выбор легкоплавких связующих материалов для экологически чистого беструбного крепления скважин

Нсгправах рукописи

ТАНИНСКИЙ Павел Юрьевич „

^__РГВ ОД

ЧУ^ О^ЧА^^^С^ «^сХ ' •—---

ВЫБОР ЛЕГКОПЛАВКИХ СВЯЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО БЕСТРУБНОГО КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН

Специальность 05.15.14 — Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2000

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор В.С. Литвиненко

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.П. Онищин

кандидат технических наук Г. С. Бродов

Ведущее предприятие: Всероссийский научно-исследовательский институт методики и техники разведки.

Защита диссертации состоится 17 мая 2000 г. в 15 ч. на заседании диссертационного совета Д 063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 15 апреля 2000 г.

УЧЕНЫЙ СЕКР диссертационног д.т.н., профессор

Я1. ТИМОФЕЕВ

И1Ы0ЧЬ5)0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В связи с реорганизацией народного хозяйства для работы в рыночных условиях важное значение приобретают новые перспективные технологии, позволяющие снизить стоимость геологоразведочного бурения. Стоимость буровых работ может резко возрастать в связи с осложнениями (поглощения, флюидопроявления, обрушение стенок скважин и др.). Современная технология бурения позволяет решать эти проблемы различными способами, прежде всего, за счет крепления скважин обсадными трубами, что требует больших материальных и трудовых затрат. Необходимы новые технологии, дающие возможность снизить расход обсадных труб. Кроме экономических, с каждым годом все более жесткими становятся экологические требования к проведению крепления скважин. При конкурентоспособных разработках необходимо применять материалы, не наносящие экологического вреда окружающей среде. Перспективны направления, которые позволяют вместо подвергающихся коррозии стальных труб использовать материалы техногенной природы: цемент, печные и доменные шлаки, минеральные быстросхва-тывающиеся смеси (БСС) и др.

Существенный вклад в разработку способов крепления скважин, новых эффективных тампонажных материалов, метода сухого тампонирования, в частности, с применением таблетированых БСС внесли исследования отечественных ученых А.Г. Аветисова, А.И. Булатова, JI.K. Горшкова, JI.M. Ивачева, В.И. Коваленко, Б.Б. Кудряшова, B.C. Литви-ненко, Н.И. Николаева, Г.Н. Соловьева, A.M. Яковлева и др., вопросам беструбного крепления посвящены работы Б.Б. Кудряшова, B.C. Литви-ненко, Н.И. Николаева, Г.Н. Соловьева, В.К. Чистякова и др.

Большинство из них относятся к школе Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) - СПГГИ (ТУ) в области наукоемких технологий бурения и крепления скважин, к ней же относит себя и автор.

Разрабатываемый в СПГГИ (ТУ) под руководством проф. B.C. Литви-ненко комплекс вопросов теории, техники и технологии бурения скважин плавлением горных пород привел, в частности, к обоснованию принципиально нового способа1 экологически чистого беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов неустойчивых, трещиноватых, раздроб-

1 B.C. Литвиненко, Г.Н. Соловьев, Б.Б. Кудряшов. Патент РФ №2057901 от 10.04.96. Бюл. изобретений - 1996, №10

ленных скальных пород, зон поглощений и флюидопроявлений с помощью легкоплавких связующих материалов и теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа.

Реализации этого нового эффективного способа беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов разведочных скважин наилучшим образом соответствуют современные относительно недорогие и доступные легкоплавкие связующие материалы, научно обоснованный выбор которых является предметом предлагаемого исследования.

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин (ТТБС) СПГГИ (ТУ) под руководством доктора технических наук, профессора B.C. Литвиненко. Актуальность темы диссертационной работы подтверждается ее соответствием Государственной научно-технической программе «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов России» (Недра России), 2-ое основное направление: Новые способы разрушения горных пород, технологии проведения горных выработок и бурения скважин. Проект 2.5. Технология бурения и одновременного крепления скважин с использованием эффектов оплавления горных пород (1993-1998 г.г.).

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю проф. B.C. Литвиненко, заслуженному деятелю науки и техники РФ, проф. Б.Б. Кудряшову, проф. Н.И. Николаеву, вед. научн. сотруднику Г.Н. Соловьеву, преподавателям и сотрудникам кафедры ТТБС за постоянное внимание и помощь в проведении исследований.

Цель работы. Целью исследования является научно обоснованный выбор экологически чистых легкоплавких связующих материалов и наполнителей для обеспечения беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов неустойчивых, трещиноватых и раздробленных скальных пород, зон поглощений и флюидопроявлений в разведочных скважинах с помощью теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа, не требующего для своего изготовления дефицитных и дорогих жаропрочных конструкционных материалов.

Задачи исследования:

• разработать экспериментальный стенд для исследования процесса крепления и изоляции модели проницаемой прискважинной зоны с применением легкоплавкого связующего материала и теплового тампонирующего пенетратора уплотняющего типа;

• оценить с применением методов санитарно-химического исследования выбранные тампонажные композиции с точки зрения их экологической безопасности;

• установить закономерности образования в пустотах и дренажных каналах прискважинной зоны изолирующего слоя застывшего расплава и консолидированного слоя уплотненной композиционной смеси с фрагментами породы и дать рекомендации по технологии реализации нового способа беструбного крепления в полевых условиях.

Методика исследования имеет экспериментально-теоретический характер, включает использование математического анализа, методов изучения структуры, химических и физико-механических свойств как исходных композиций легкоплавких материалов, так и продуктов их термического преобразования в сочетании с минеральным наполнителем и фрагментами горной породы. Для этого существующий на кафедре ТТБС экспериментальный буровой стенд был усовершенствован, оснащен контрольно-измерительной аппаратурой и ПЭВМ типа Pentium. Стенд позволяет исследовать процессы, происходящие в модельном стволе скважины при креплении и изоляции его осложненных участков с применением легкоплавких материалов, регистрировать основные параметры на ПЭВМ, отбирать образцы проб для изучения изменений околоскважин-ной зоны после крепления и изоляции. При изучении степени влияния определяющих факторов использовались расчеты на ПЭВМ по специально разработанной программе.

Обоснование методики экспериментальных исследований и обработка их результатов проводились на ПЭВМ с использованием теории подобия, методов планирования эксперимента и математической статистики.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

научно обоснован выбор доступных и технологически эффективных для беструбного крепления метафосфатных стекол и композиций легкоплавких смесей на основе органических полимеров с минеральными добавками-наполнителями;

• методами санитарно-химического исследования легкоплавких тампо-нажных смесей на основе выбранных термопластов доказано практическое отсутствие их вредного воздействия на человека и окружающую среду и обоснована возможность их экологически безопасного применения;

• установлены основные закономерности процесса крепления и изоляции неустойчивого, проницаемого интервала пород с помощью легкоплавкой композиционной смеси и теплового тампонирующего пенетра-тора вытяжного типа.

Научная новизна.

Лабораторными исследованиями установлены оптимальные составы легкоплавких тампонажных смесей связующих термопластов и инертных минеральных наполнителей. Санитарно-химическими исследованиями органолептических показателей качества воды в изолируемой зоне ствола подтверждена экологическая безопасность применения выбранных материалов для беструбного крепления скважин.

Аналитически установлена и экспериментально подтверждена зависимость радиальной толщины изолирующего слоя застывшего расплава и распределения плотности композиционного тампонажного камня в пустотах и трещинах массива от состава гранулированной смеси термопласта и наполнителя, её исходной плотности в насыпном состоянии, тепловой мощности тампонирующего пенетратора и скорости его принудительного перемещения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем теоретических и достаточным объемом экспериментальных исследований, близкой сходимостью их результатов и воспроизводимостью данных при повторных измерениях.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• получены рациональные составы недорогих и экологически безопасных легкоплавких тампонажных материалов, имеющих высокие конструкционные и технологические свойства, что позволяет использовать их для беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов разведочных скважин;

• обоснованно выбранные метафосфатные стекла и смеси легкоплавких связующих термопластов с минеральными наполнителями устраняют необходимость в дорогих и дефицитных жаропрочных материалах для изготовления тепловых тампонирующих пенетраторов вытяжного типа.

• установлена реальная возможность механически надежного и экологически безопасного беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов геологоразведочных скважин на основе разработанных легкоплавких тампонажных материалов, что позволит во многих случаях упростить конструкции скважин и снизить стоимость их сооружения за счет экономии обсадных труб, энерго- и трудозатрат на производство обсадных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых и студентов в 1996, 1997, 1998 г.г. (Санкт-Петербург, СПГГИ) и на 4-м Меж-

дународном симпозиуме "Бурение скважин в осложненных условиях" (Санкт-Петербург, СПГГИ, 1998г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 7 печатных работ в журналах и сборниках научных трудов.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы, включающего 47 наименований, изложена на 132 страницах машинописного текста, включает 23 рисунка и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, исходя из необходимости снижения стоимости буровых разведочных работ, экономии дорогостоящих стальных обсадных труб и обеспечения экологической безопасности крепления и изоляции осложненных интервалов скважин.

В первой главе выполнен аналитический обзор основных работ, посвященных современному состоянию технологии и техники беструбного крепления неустойчивых, изоляции поглощающих и флюидопроявляю-щих горных пород при бурении скважин. Критический анализ работ российских и зарубежных исследователей в этой области показал, что проблема беструбного крепления и изоляции даже отдельных интервалов скважин, пройденных традиционным механическим способом, ещё далека от своего разрешения.

Разрабатываемый новый способ крепления стволов скважин, помимо других преимуществ, позволяет при тампонировании отдельных интервалов пробуренной скважины обойтись без установки специальных паке-ров или временных мостов.

На основе выполненного аналитического обзора сформулированы цель и конкретные задачи исследования.

Во второй главе рассмотрена методика теоретических и экспериментальных исследований, подробно описан опытный стенд для крепления и изоляции стенок скважин с использованием легкоплавких связующих материалов, применяемая контрольно-измерительная аппаратура. Приведены формулы математической статистики, по которым обрабатывались данные экспериментов.

В третьей главе проведен обоснованный выбор недефицитных и дешевых легкоплавких связующих материалов, физико-химические свойства которых позволяют использовать их при беструбном креплении сква-

жин. Подробно рассмотрено их токсичное действие на человека и окружающую среду.

Помимо относительно легкоплавких минеральных материалов, проведен анализ пригодности органических термопластичных материалов для экологически безопасного применения при беструбном креплении и изоляции.

В четвертой главе на основе общепринятых в горной теплофизике упрощающих допущений получены приближенные аналитические зависимости радиальной толщины изолирующего слоя застывшего расплава тампонажной смеси и распределения её плотности в пустотах и дренажных каналах массива от определяющих факторов. С их помощью выполнен детальный расчетный анализ влияния всех основных природных и технологических факторов на результаты беструбного крепления и изоляции на ПЭВМ по специально разработанной программе.

В пятой главе описывается проведение экспериментальных исследований на стенде, приводятся и обсуждаются их результаты, даётся сопоставление расчетных данных с опытными, оценка достоверности теоретических положений и формулируются основные рекомендации по технологии способа.

Основные выводы отражают обобщенные результаты исследований, выполненных в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение автором цели диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Применительно к способу беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин с помощью теплового тампонирующего пенетратора в качестве легкоплавких связующих материалов пригодны метафосфаты, а в интервалах, приуроченных к водоносным горизонтам, содержащим кондиционные воды, для предупреждения их загрязнения - органические термопласты.

Многолетними исследованиями кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ) доказана возможность и целесообразность бурения скважин в рыхлых, слабосвязных, пористых, в том числе влагона-сыщенных, мёрзлых породах и техногенных фунтах, высокотемпературными (до 2500°С) пенетраторами уплотняющего типа с одновременным беструбным креплением за счёт уплотнения, высушивания и термических преобразований проходимой породы. При этом в слабосвязных, рыхлых породах имеет место автомодельный процесс отторжения гравитацион-

ной воды. В образующейся вокруг высокотемпературного пенетратора зоне перегретого пара устойчиво протекают процессы уплотнения, дегидратации, спекания, обжига и частичного оплавления консолидированной в стенках скважины породы.

Применительно к отдельным интервалов трещиноватых, раздробленных или кавернозных пород, пройденных традиционным механическим способом, перспективным является беструбное крепление и изоляция с применением легкоплавких связующих материалов и теплового тампонирующего пенетратора (рис. 1). Экспериментами в стендовых и полевых условиях доказаны преимущества низкотемпературного, например, из легированной стали, теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа, что обеспечивает в процессе крепления и изоляции осложнённых интервалов скважин вытеснение флюидов из каверн и закрытых трещин через вышележащий слой гранулированного легкоплавкого материала.

Пенетратор вытяжного типа опускается в зону крепления на грузоне-сущем электрокабеле или на бурильных трубах с проложенным внутри электрокабелем. При этом в состав тампонирующего снаряда включается контейнер для доставки в обрабатываемую зону гранулированной смеси легкоплавкого связующего материала и инертного минерального наполнителя (рис. 1).

Такая компоновка позволяет отказаться от использования дорогих и дефицитных особо жаропрочных конструкционных материалов для изготовления тепловых тампонирующих пенетраторов.

Для реализации нового способа беструбного крепления предприняты изыскания относительно легкоплавких связующих материалов.

Из большого количества аморфных стеклообразных материалов в наибольшей мере удовлетворяют буровым технологическим требованиям сигаллы и шлакоситаллы, которые производятся на основе доменных, печных и иных шлаков.

Температура образования ситаллов и шлакоситаллов без применения катализаторов составляет 1100-900°С. Применение катализаторов позволяет понизить температуру до 800-780°С.

Существует целый класс стёкол, имеющих низкую температуру размягчения и плавления (до 650°С). Эти стекла вполне удовлетворяют условиям беструбного крепления скважин и к тому же не имеют в своем составе дорогостоящих редкоземельных элементов, что позволяет снизить стоимость шихты в несколько десятков раз.

Легкоплавкие боратные (В203) стёкла отличаются низкой химической устойчивостью (вплоть до растворения в воздухе). Фосфатные стекла, в отличие от боратных, устойчивы к действию агрессивных

Рис.1 Принципиальная схема способа Лебедка

Источник электропитания Направляющий блок-баланс Грузонесущий электрокабель Электроуправляемый контейнер Жесткий несущий элемент с кабелем внутри

Гранулированный легкоплавкий материал в скважине Низкотемпературный тепловой пе-нетратор вытяжного типа Осложненная зона 10. Закрепленный интервал скважины

сред, кроме того, температура плавления фосфатных стекол ниже, чем стекол на основе кремния.

Для целей надёжного и длительного беструбного крепления скважин не все фосфатные стекла пригодны по своим химическим свойствам (растворяются в воде). Из бессвинцовых метафосфатов наиболее пригодным является стекло, состоящее из На20-Р205 (50%) и А120з-ЗР205 (50%), имеющее температуру начала размягчения 450°С и потери при кипячении в воде 0,4%.

Из широкого разнообразия органических соединений в качестве легкоплавких связующих материалов больше всего подходят полимеры термопластичного типа, которые имеют низкую температуру фазового перехода (-120-210°С), близкую к режимам крепления ствола скважины низкотемпературными тепловыми пенетраторами.

Из термопластичных полимеров в настоящее время наиболее распространены и доступны: полиэтилен низкого давления (ПЭНД), полиэтилен

высокого давления (ПЭВД) и полипропилен (ПП). Их основные свойства приводятся в табл. 1. Эти материалы имеют низкую стоимость и практически не оказывают вредного воздействия на окружающую среду. Низкая температура стеклования аморфной фазы в полиэтилене (около -80 °С) обусловливает его значительную морозостойкость. Стереорегулярный полипропилен менее морозостоек, чем полиэтилен. Полиэтилен и полипропилен при обычной температуре стойки к действию воды, моющих средств, минеральных кислот, растворов щелочей и многих растворителей.

Экономическая целесообразность требует снижения стоимости легкоплавких тампонажных материалов. Этого можно достичь, введя в полимер инертный наполнитель. Из практики применения полимеров в промышленности известно, что стоимость шихты можно понизить на 50 и более процентов. Из всего многообразия наполнителей, применяемых в промышленности для снижения себестоимости композиционных материалов, наиболее распространены гидрооксид алюминия, тальк, слюда, диоксид кремния.

Гидрооксид алюминия (как и оксид) вводится в композиционный материал для повышения теплопроводности, электроизоляционных свойств и в качестве антипрена, что при беструбном креплении скважин не требуется.

Тальк и слюда добавляются в качестве наполнителей для изделий повышенной точности изготовления, благодаря мелкодисперсионности частиц наполнителя.

В условиях беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин в качестве наиболее доступных и дешёвых наполнителей могут быть использованы песок, глинопорошок, цемент и их смеси. При этом следует учитывать, что такие минеральные наполнители, в сочетании с которыми в стенках скважины формируется композиционный там-понажный камень крупнозернисты и крупноблочны. Поэтому главным условием надежности беструбного крепления и изоляции с применением оргашгческих связующих материалов является повышение плотности материала за счёт принудительного давления при формовании.

Проведенный анализ физико-химических и прочностных характеристик доступных легкоплавких связующих материалов позволяет выбрать в качестве первоочередных для практического применения метафосфат-ное стекло, состоящее из Ка20-Р205 (50%) и А1203'ЗР203 (50%), и термопластичные полимеры - полиэтилен и полипропилен (с инертным минеральным наполнителем до 40% по массе).

Минеральные легкоплавкие связующие материалы имеют в своем со-

Таблица 1

Основные физико-химические параметры термопластичных полимеров

Пока1ятепи ПЗНЛ ПЭР л ПП

Плотность, кг/м3 917-930 950-955 900-910

Разрушающие напряжения при растяжении, МПа 12-15 22-30 25-40

Относительное удлинение, % 500-600 300-800 200-800

Модуль упругости при изгибе, МПа 120-260 650-700

Твердость по Бринелю, МПа 18-20 49-53 63-70

Теплостойкость по Вика, "С 80-90 120-125 105-110

Температура размягчения, °С 105-120 125-140 160

Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) 0,3 В 0,77 0,175

Коэффициент линейного расширения, 1/К 1810"3 НО'3 НЮ5

Морозостойкость, °С не ниже -60 -60 -15

Устойчивость к агрессивным, средам: Кислота соляная Углеводороды Моющие средства Хорошая Удовлетв. Отличная Хорошая Удовлетв. Отличная Неудовлет. Удовлетв. Отличная

ставе оксид фосфора и диоксид алюминия.

Токсичность оксида фосфора (красный фосфор), в основном, зависит от примесей белого фосфора. Применение этого материала с высокой степенью очистки от примесей сильно удорожает стоимость шихты. Поэтому рассмотрены легкоплавкие фосфатные стекла, для синтеза которых используется красный фосфор с примесями. Самой токсичной примесью является белый фосфор.

Опасны отравления при приеме белого фосфора внутрь (возможно также отравление парами). Характерны сердечная недостаточность, симптоматика инфаркта миокарда и разнообразные нарушения деятельности сердечно-сосудистой системы. Необходим инструктаж буровой бригады и соблюдение мер техники безопасности. Помимо этого, не исключена возможность загрязнения окружающей среды из-за попадания оксида фосфора в недра. По экологическим соображениям применение данного минерального связующего материала не представляется возможным в интервалах, приуроченных к водоносным горизонтам, особенно, содержащим кондиционные воды, для предупреждения их загрязнения.

Исследования на токсичность композиционного материала, состоящего из полипропилена (ПП) в смеси с тальком, были направлены в основном на органическую матрицу, так как тальк является экологически чистым материалом. Санитарно-химическое исследование водных вытяжек

из ПП не обнаружило заметного влияния полимера на органолептические показатели качества воды. Введение 8 мг/кг нестабилтированного ПП не вызывает гибели белых мышей, развития симптомов интоксикации или изменений в гистологическом строении внутренних органов. Аналогичные результаты получены при введении мышам ПП в количестве 10—15 мг/кг.

Данные исследования показали, что токсичность синтетического полимерного материала низкая, и его предпочтительно применять в условиях, когда необходимо обеспечить экологическую чистоту при беструбном креплении скважин.

2. Основными технологическими факторами, определяющими устойчивость процесса и надежность беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин являются состав легкоплавкой гранулированной смеси термопласта и наполнителя, исходная плотность легкоплавкой шихты в насыпном состоянии, тепловая мощность тампонирующего пенетратора и скорость его принудительного перемещения.

При беструбном креплении рассматриваемым способом в пустотах и трещинах стенок скважины образуется экранирующая оболочка из застывшего расплава термопласта в смеси с наполнителем и далее из уплотненного слоя той же гранулированной смеси с включением фрагментов породы.

На основе анализа механических и теплообменных процессов, сопровождающих крепление и изоляцию осложненных интервалов скважин легкоплавкими материалами, с использованием общепринятых в горной теплофизике упрощающих допущений получено приближенное аналитическое выражение для радиальной толщины изолирующего экрана из застывшего расплава в пустотах и трещинах обрабатываемого интервала

где Г\ - внешний радиус зоны застывшего расплава смеси, м; г0 - радиус пенетратора в его максимальном сечении, м; к - коэффициент полезного действия, учитывающий нерациональные потери теплоты на рассеивание в массиве и на перегрев расплава смеси, доли единицы; N - электрическая мощность пенетратора, Вт; рн - плотность наполнителя, кг/м3; ш -массовое содержание термопласта в смеси, доли единицы; рг - плотность термопласта, кг/м3; и - скорость принудительного перемещения тампо-

(1)

нирующего пенетратора к устью скважины, м/с; п - пустотность массива (относительная площадь сечения дренажных каналов), доли единицы; у/ - теплота фазового перехода термопласта, Дж/кг; ст, с„ - удельная массовая теплоемкость, соответственно, термопласта и наполнителя, Дж/(кг-°С); 1ф - температура фазового перехода термопласта, °С; / - естественная температура полимера и наполнителя, °С.

Средняя толщина 5 изолирующего слоя застывшей композиционной смеси в трещинах и пустотах окружающего скважину массива составляет разность

¿ = 1 -'о • (2)

Для описания распределения плотности композиционной смеси в пустотах и трещинах в радиальном направлении за пределами застывшего слоя расплава используем дифференциальное уравнение Б.Б. Кудряшова для случая уплотнения рыхлой, слабосвязной, пористой породы при пе-нетрационном бурении, которое применительно к нашему случаю представим в виде

2гс/г <1р

= (3)

где г 1-текущий радиус, м; а-безразмерный коэффициент пропорциональности; р -переменная плотность композиционной смеси, кг/м3; ро -плотность смеси в насыпном состоянии, кг/м3.

Интегрируя это выражение в пределах от г/ до г и от плотности застывшего расплава рх до р получим

2 4

1

а

1-т-

г.

Р = (Р1~Р0)е 4 ' ' +Р0 (4)

Выражение (3) отвечает граничным условиям: при г = г1 р=р/,при г-> «5 р = р0.

Проведенный анализ и расчеты показали, что плотность композиционной смеси в пустотах и трещинах массива в радиальном направлении снижается очень быстро. Реальный радиус зоны изменения плотности смеси в зависимости от ее плотности в насыпном состоянии находится в пределах от 2 г1 до 1,5 /7 и принимает тем меньшие значения, чем выше исходная плотность шихты. В порядке первого приближения можно принять радиус зоны уплотнения Л=1,75г/.

На усовершенствованном буровом стенде кафедры ТТБС, оснащённом контрольно-измерительной аппаратурой и компьютером, выполнены

эксперименты по креплению и изоляции интервалов скважин диаметром 76 мм в искусственно приготовленных на основе керамзита, небольшого количества портландцемента марки 400 и воды блоках проницаемой породы. Диаметр блоков 0,3 м, высота 1,0 м. В качестве легкоплавкого там-понажного материала использовалась гранулированная смесь полипропилена (от 90 до 60 % масс.) и талька (от 10 до 40% масс.) с температурой размягчения 160°С. Макет тампонирующего пенетратора вытяжного типа изготовлен из алюминиевого сплава, тепловой генератор высотой 500 мм имеет коническую форму с верхним диаметром 50 мм и нижним 70 мм. Формователь стенок скважины цилиндрический диаметром 70 мм, высотой 100 мм. Электрическая мощность пенетратора в процессе экспериментов колебалась в пределах 2-2,5 кВт, при этом удельный тепловой поток с его рабочей поверхности составлял ~ 2-2,5 Вт/см2. В процессе опытов обработаны 10 блоков.

С помощью полученных аналитических выражений применительно к условиям проведения экспериментов на стенде по специально разработанной программе на ПЭВМ выполнен детальный расчетный анализ влияния всех основных природных и технологических факторов на радиальную толщину оболочки из застывшего расплава и распределение плотности смеси полипропилена с тальком за её пределами.

При расчетах принято: мощность тампонирующего пенетратора N=2 кВт; радиус его максимального сечения г0=0,035м; плотность полипропилена рг=900 кг/м3; плотность талька /?,,=2800 кг/м3; содержание полипропилена в гранулированной смеси /и=0,6; удельная массовая теплоёмкость полипропилена су= 1930 Дж/(кг-°С) и талька с,г=798 Дж/(кг-°С); теплота фазового перехода полипропилена ^2,5-105 Дж/кг; температура плавления полипропилена г^=160°С и его естественная температура ?=20оС; пустотность массива «=0,3; КПД использования тепловой энергии к=0,5.

На рис. 2, 3, 4 в графической форме представлены фрагменты расчетного анализа, наглядно демонстрирующие влияние основных природных и технологических факторов на радиальную толщину изолирующего экрана из застывшего расплава композиционной смеси в пустотах, трещинах и др. дренажных каналах прискважинной зоны.

В табл. 2. и на рис. 5. приводится сопоставление опытных и расчетных (при с7=1) значений распределения плотности тампонажного камня в пустотах модели проницаемой породы в радиальном направлении, показывающее для столь сложного многофакторного процесса удовлетворительное их совпадение. По результатам экспериментов толщина изолирующего слоя застывшего расплава в среднем составляет <£=12 мм, что

8, мм 60 50 40 30 20 10

•О

—н

--- '--?ч

-N=1 кВт -N=2 кВт -N=3 кВт -N=5 кВт

0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40

п, доли единицы

Рис.2. Расчетная толщина изолирующего слоя из застывшего расплава смеси в зависимости от пустотности горных пород при различных значениях мощности тампонирующего пенетратора

6, мм 50

40 30 20 10

- N=1 кВт -N=2 кВт

- N=3 кВт

2,5 5,0 7,5 10,0 12,5 15,0 и, м/ч

Рис.3. Расчетная толщина изолирующего слоя в зависимости от скорости перемещения тампонирующего пенетратора при разных значениях его мощности

5, мм

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 ш, доли единицы

Рис.4. Расчетная толщина изолирующего слоя в зависимости от содержания полипропилена в композиционной смеси при различных значениях мощности тампонирующего пенетратора

практически полностью совпадает с расчетными данными (при N = 2 кВт, у=10 м/ч, /?7=0.6, 77=0.3). Заметное отклонение расчетной плотности там-понажного камня в большую сторону при г> 70 мм объясняется недостаточно глубоким проникновением гранулированной смеси в дренажные каналы и малым сопротивлением при механическом уплотнении смеси при высокой пустотности модельного массива (л=0,3).

На этом основании можно считать, что полученные приближенные аналитические выражения могут быть использованы для разработки методики технологических расчетов по проектированию режимов беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин с применением термопластов в качестве легкоплавкого связующего материала и низкотемпературного тампонирующего пенетратора вытяжного типа.

Таблица 2.

Сопоставление опытных и расчетных данных распределения плотности там-

г. мм 40 50 70 90 110

р,„„ кг/м3 1170 1160 900 810 720

/>,«, кг/м1 1144 1114 972 917 902,8

(Рис-Роп)/Роп, % -2,2 -4,0 +8,0 + 13,2 +25,4

Полученные приближенные аналитические выражения учитывают все основные технологические факторы: мощность и габариты тампонирующего пенетратора, скорость его принудительного перемещения, количе-

ство, состав и теплофизические свойства компонентов легкоплавкой там-понажной смеси и могут быть положены в основу разработки теории нового способа беструбного крепления скважин.

р,кг/м3 1200 ! 1100 ! юоо

! Г,=47 900 ! 800 I г,i=35 70Q.

! Ш

! 500

! 400

i зоо

\ 200

i loo

; о

г, мм

Рис. 5. Расчетная кривая и опытные значения распределения плотности тампонажного камня в пустотах и трещинах массива в радиальном направлении

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Среди существующих и разрабатываемых способов и средств беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов скважин, пройденных традиционным механическим способом, перспективным является способ, основанный на применении легкоплавких связующих материалов и теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа.

2. Температурный режим образования ситаллов и шлакоситаллов без применения катализаторов составляет 1100-900°С. Применение катализаторов позволяет снизить температуру до 900-780°С, что все же требует использования высокотемпературных тампонирующих пенетраторов, для изготовления которых необходимы дефицитные и дорогостоящие жаропрочные материалы.

3. Легкоплавкие метафосфатные стекла имеют низкие температуры плавления и размягчения (порядка 450°С), хорошую устойчивость к агрессивным средам, в составе шихты нет дорогостоящих редкоземельных элементов. Не исключена вероятность вредного влияния оксида фосфора

на человека и окружающую среду. По экологическим соображениям применение этого минерального связующего материала не представляется возможным в интервалах, приуроченных к водоносным горизонтам.

4. Органические связующие на основе синтетических термопластов позволяют получить прочное и недорогое беструбное крепление, удовлетворяющее буровым требованиям. Полиэтилен и полипропилен не имеют экологических противопоказаний при креплении и проведении изоляционных работ в скважине. Гранулированные композиционные составы с органической матрицей и минеральными наполнителями наиболее полно соответствуют условиям экологически чистого беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин.

5. Полученные на основе общепринятых в горной теплофизике допущений приближенные аналитические выражения для радиальной толщины изолирующего слоя застывшего расплава композиционной смеси и распределения плотности тампонажного камня за его пределами в пустотах и дренажных каналах околоскважинной зоны в радиальном направлении соответствуют физике процесса, отвечают граничным условиям, учитывают влияние всех основных природных, конструктивных и технологических факторов и использованы для расчётного анализа их влияния на результаты беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин.

6. Основными факторами, определяющими устойчивость процесса и надежность беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин, являются пустотность массива, количество, состав и теплофи-зические свойства компонентов легкоплавкой композиционной смеси, габариты, тепловая мощность вытяжного тампонирующего пенетратора и скорость его принудительного перемещения.

7. Радиальная толщина изолирующего экрана из застывшего расплава композиционной смеси в общем случае пропорциональна мощности теплового тампонирующего пенетратора и обратно пропорциональна скорости его принудительного перемещения и пустотности обрабатываемого массива, а радиальная глубина распространения уплотненной гранулированной смеси в пустотах и трещинах за пределами изолирующего экрана и её средняя плотность пропорциональны исходной плотности шихты в насыпном состоянии, которая по расчётным и опытным данным не должна быть ниже 600 кг/м3.

8. Увеличение содержания инертного наполнителя в легкоплавкой композиционной смеси влечет изменения прочностных свойств застывшего расплава в сторону снижения упругости, повышения жесткости и

хрупкости. При этом снижается также прочность адгезионной связи застывшего расплава с породой.

9. С увеличением пустотности обрабатываемого интервала сокращается глубина проникновения расплава в дренажные каналы и радиальная толщина его застывшего слоя, что можно компенсировать соответствующим увеличением объема расплава в единицу времени за счет изменения параметров режима беструбного крепления новым способом - увеличения тепловой мощности тампонирующего пенетратора или снижения скорости его принудительного перемещения.

10. Допустимая скорость принудительного перемещения тампонирующего пенетратора фиксированной мощности обратно пропорциональна пустотности обрабатываемого интервала и квадрату диаметра скважины. Снижение затрат времени на беструбное крепление возможно за счет соответствующего увеличения мощности тампонирующего пенетратора и затрат электроэнергии, что в любом случае экономически целесообразнее обсадки стальными трубами.

11. По итогам выполненных экспериментов на данном этапе вполне пригодной легкоплавкой шихтой для реализации разрабатываемого способа беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин в полевых условиях можно считать гранулированную смесь полипропилена (60% по массе) и талька (40% по массе).

12. Расчетные значения радиальной толщины слоя застывшего расплава и распределения плотности тампонажного камня в пустотах и трещинах обрабатываемого интервала обеспечивают полное качественное и близкое количественное совпадения с опытными данными, что позволяет использовать полученные приближенные аналитические формулы для инженерных расчетов технологических режимов беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин и положить их в основу разработки теории способа.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Перспективы беструбного теплового способа крепления скважин. //Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тез. докл. / СПб.: СПГГИ, 1996. - с. 32.

2. Анализ и выбор легкоплавких тампонажных материалов для беструбного крепления ствола скважины. //Ежегодная научная конференция молодых ученых "Полезные ископаемые России и их освоение". Тез. докл. / СПб.: СПГГИ, 1997. - с. 46.

3. Анализ и выбор легкоплавких связующих материалов для беструбного крепления ствола скважины. // 5-ый Международный горно-

геологический форум «Минерально-сырьевые ресурсы стран СНГ». Тез. докл. / СПб., СПГГИ 1997. - с. 49.

4. Экспериментальные исследования процесса экологически чистого беструбного крепления скважин легкоплавкими материалами. /СПГГИ, СПб., 1999, 8 с. |Деп. в ВИНИТИ 14.12.99, №3690-В99.

5. Выбор легкоплавких связующих материалов для экологически чистого беструбного крепления скважин. /СПГГИ, СПб., 1999, 11 с. |Деп. в ВИНИТИ 14.12.99, №3691-В99.

6. Крепление и изоляция отдельных интервалов ствола скважины с применением легкоплавких связующих материалов. //Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые., 2 ч., Екатеринбург, УГГГА, 1999 г.

7. Теплообмен в скважине, частично заполненной газожидкостным тампонажным раствором. //Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые, 2 ч., Екатеринбург, УГГГА, 1999 г. (соавторы: Николаев Н.И, Яковлев A.A. и др.).

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНИКИ КРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИН.

1.1. Основные факторы, оказывающие влияние на устойчивость горных пород в скважинах.

1.2. Технология и техника крепления неустойчивых интервалов скважин.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Теоретические исследования.

2.2. Экспериментальные исследования.

2.2.1. Стендовые экспериментальные исследования.

2.2.2. Экспериментальный буровой стенд.

2.2.3.Моделирование слабосвязного трещиноватого проницаемого интервала ствола скважины.

2.2.4. Производство экспериментов на стенде.

2.5. Обработка экспериментальных данных.

ГЛАВА 3. ВЫБОР ЛЕГКОПЛАВКИХ СВЯЗУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ, АНАЛИЗ ИХ ПРИМЕНИМОСТИ ДЛЯ БЕСТРУБНОГО КРЕПЛЕНИЯ СКВАЖИН.

3.1. Обзор материалов, применяемых в производстве ситаллов и шлакоситаллов.

3.2. Легкоплавкие стекла.

3.2.1.Боратные стекла.

3.2.2 Фосфатные стекла.

3.3. Токсичность компонентов легкоплавких соединений.

3.3.1. Неорганические соединения фосфора.

3.3.2.Токсическое действие неорганических соединений алюминия.

3.4. Органические полимерные связующие материалы.

3.4.1.Анализ пригодности органических термопластичных материалов для беструбного крепления ствола скважин.

3.4.2.Токсичность органических матриц.

3.4.2.1. Полиэтилен.

3.4.2.2. Полипропилен.

3.4.3.Наполнители для композиционных материалов.

3.5. Определение плотности бимодальной упаковки частиц.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА БЕСТРУБНОГО КРЕПЛЕНИЯ НЕУСТОЙЧИВЫХ ИНТЕРВАЛОВ СКВАЖИН.

4.1. Анализ процесса образования изоляционного слоя из застывшего расплава термопласта с наполнителем в пустотах и трещинах массива.

4.2. Анализ распределения плотности тампонажного камня из смеси термопласта с наполнителем за пределами её застывшего расплава

4.3. Расчетный анализ влияния определяющих параметров на толщину изолирующего слоя застывшего расплава.

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

5.1. Процесс крепления и изоляции.

5.2. Оценка достижимой скорости беструбного крепления и изоляции на моделях слабосвязных, проницаемых интервалов.

5.3. Анализ температурного режима

5.4. Характеристика полученного крепления.

5.5. Оценка застывшего расплава композиционной смеси на прочность адгезионной связи с горной породой.

Выводы по главе 5.

В связи с реорганизацией и перестройкой народного хозяйства для работы в рыночных условиях важное значение приобретают новые перспективные технологии, позволяющие снизить стоимость геологоразведочного бурения. Известно, что стоимость буровых работ может резко возрастать в связи с осложнениями, возникающими в процессе проходки скважин (поглощения, флюидопроявления, обрушение стенок скважин и др.). Современная технология бурения позволяет решать эти проблемы различными способами и техническими средствами, прежде всего, за счет крепления скважин обсадными трубами, что требует больших материальных и трудовых затрат. Необходимо разрабатывать и внедрять новые технологии, дающие возможность снизить расход обсадных труб. Кроме экономических требований, с каждым годом все более жесткими становятся экологические требования к проведению крепления скважин, поэтому при создании конкурентоспособных разработок необходимо применять материалы, не наносящие экологического вреда окружающей среде. Перспективными можно назвать направления, которые позволяют вместо подвергающихся коррозии стальных труб использовать материалы техногенной природы: цемент, печные и доменные шлаки, минеральные быстросхваты-вающиеся смеси (БСС), органические смолы, отходы химических производств и др.

Существенный вклад в разработку способов беструбного крепления скважин, новых эффективных тампонажных материалов, метода сухого тампонирования, в частности, с применением таблетированных БСС внесли исследования отечественных ученых А.Г. Аветисова, Э.А. Бочко, А.И. Булатова, JI.K. Горшкова, JI.M. Ивачева, В.И. Коваленко, Б.Б. Кудряшова, B.C. Литвиненко, Н.И. Николаева, Г.Н. Соловьева, A.M. Яковлева и др.

Большинство из них относятся к школе Санкт-Петербургского государственного горного института (технического университета) - СПГГИ

ТУ) в области наукоемких технологий бурения и крепления скважин, к ней же относит себя и автор.

Разрабатываемый в СПГГИ (ТУ) в течение более десяти лет под руководством проф. B.C. Литвиненко комплекс вопросов теории, техники и технологии бурения скважин плавлением горных пород привел, в частности, к обоснованию принципиально нового способа экологически чистого беструбного способа крепления и изоляции отдельных интервалов неустойчивых, трещиноватых, раздробленных скальных пород, зон поглощений и флюидопроявлений с помощью относительно легкоплавких связующих материалов и теплового тампонирующего пенетратора вытяжного ти-па1.

Реализации этого нового эффективного способа беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов скважин колонкового разведочного бурения наилучшим образом соответствуют современные относительно недорогие и доступные синтетические легкоплавкие связующие материалы, научно обоснованный выбор которых является предметом предлагаемого исследования.

Работа выполнена на кафедре технологии и техники бурения скважин (ТТБС) СПГГИ (ТУ) под руководством доктора технических наук, профессора B.C. Литвиненко. Актуальность темы диссертационной работы подтверждается ее соответствием Государственной научно технической программе «Прогрессивные технологии комплексного освоения топливно-энергетических ресурсов России» (Недра России), 2-е основное направление: Новые способы разрушения горных пород, технологии проведения горных выработок и бурения скважин. Проект 2.5. Технология бурения и одновременного крепления скважин с использованием эффектов оплавления горных пород (1993-1998 г.г.).

1 Патент РФ №2057901 от 10.04.96. Бюл. изобретений - 1996, №10 Авторы: Литвиненко В.С, Соловьев Г.Н., Кудряшов Б.Б.

Автор выражает свою искреннюю благодарность научному руководителю проф. B.C. Литвиненко, заслуженному деятелю науки и техники РФ проф.Б.Б Кудряшову, проф. Н.И. Николаеву, вед. науч. сотр. Г.Н. Соловьеву, сотрудникам кафедры ТТБС за постоянное внимание и помощь в проведении исследований.

Цель работы - Целью исследования является научно обоснованный выбор экологически чистых легкоплавких связующих материалов и наполнителей для обеспечения беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов неустойчивых, трещиноватых и раздробленных скальных пород, зон поглощений и флюидопроявлений в разведочных скважинах с помощью теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа, не требующего для своего изготовления дефицитных и дорогих жаропрочных конструкционных материалов.

Задачи исследования:

• разработать экспериментальный стенд для исследования процесса крепления и изоляции модели проницаемой прискважинной зоны с применением легкоплавкого связующего материала и теплового тампонирующего пенетратора уплотняющего типа; оценить с применением методов санитарно-химического исследования выбранные тампонажные композиции с точки зрения их экологической безопасности;

• установить закономерности образования в пустотах и дренажных каналах прискважинной зоны изолирующего слоя застывшего расплава и консолидированного слоя уплотненной композиционной смеси с фрагментами породы и дать рекомендации по технологии реализации нового способа беструбного крепления в полевых условиях.

Методика исследования имеет экспериментально-теоретический характер, включает использование математического анализа, методов изучения структуры, химических и физико-механических свойств как исходных композиций легкоплавких материалов, так и продуктов их термического преобразования в сочетании с минеральным наполнителем и фрагментами горной породы. Для этого существующий на кафедре ТТБС экспериментальный буровой стенд был усовершенствован, оснащен контрольно-измерительной аппаратурой и ПЭВМ типа Pentium. Стенд позволяет исследовать процессы, происходящие в модельном стволе скважины при креплении и изоляции его осложненных участков с применением легкоплавких материалов, регистрировать основные параметры на ПЭВМ, отбирать образцы проб для изучения изменений околоскважинной зоны после крепления и изоляции. При изучении степени влияния определяющих факторов использовались расчеты на ПЭВМ по специально разработанной программе.

Обоснование методики экспериментальных исследований и обработка их результатов проводились на ПЭВМ с использованием теории подобия, методов планирования эксперимента и математической статистики.

Научная новизна.

Лабораторными исследованиями установлены оптимальные составы легкоплавких тампонажных смесей связующих термопластов и инертных минеральных наполнителей. Санитарно-химическими исследованиями ор-ганолептических показателей качества воды в изолируемой зоне ствола подтверждена экологическая безопасность применения выбранных материалов для беструбного крепления скважин.

Аналитически установлена и экспериментально подтверждена зависимость радиальной толщины изолирующего слоя застывшего расплава и распределения плотности композиционного тампонажного камня в пустотах и трещинах массива от состава гранулированной смеси термопласта и наполнителя, её исходной плотности в насыпном состоянии, тепловой мощности тампонирующего пенетратора и скорости его принудительного перемещения.

Основные научные результаты, полученные лично соискателем:

• научно обоснован выбор доступных и технологически эффективных для беструбного крепления метафосфатных стекол и композиций легкоплавких смесей на основе органических полимеров с минеральными добавками-наполнителями;

• методами санитарно-химического исследования легкоплавких там-понажных смесей на основе выбранных термопластов доказано практическое отсутствие их вредного воздействия на человека и окружающую среду и обоснована возможность их экологически безопасного применения;

• установлены основные закономерности процесса крепления и изоляции неустойчивого, проницаемого интервала пород с помощью легкоплавкой композиционной смеси и теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа.

Основные научные положения, защищаемые в диссертации:

1. Применительно к способу беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин с помощью теплового тампонирующего пенетратора в качестве легкоплавких связующих материалов пригодны ме-тафосфаты, а в интервалах, приуроченных к водоносным горизонтам, содержащим кондиционные воды, для предупреждения их загрязнения - органические термопласты.

2. Основными технологическими факторами, определяющими устойчивость процесса и надежность беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин являются состав легкоплавкой гранулированной смеси термопласта и наполнителя, исходная плотность легкоплавкой шихты в насыпном состоянии, тепловая мощность тампонирующего пенетратора и скорость его принудительного перемещения.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяется современным уровнем теоретических и достаточным объемом экспериментальных исследований, близкой сходимостью их результатов и воспроизводимостью данных при повторных измерениях.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• получены рациональные составы недорогих и экологически безопасных легкоплавких тампонажных материалов, имеющих высокие конструкционные и технологические свойства, что позволяет использовать их для беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов разведочных скважин;

• обоснованно выбранные метафосфатные стекла и смеси легкоплавких связующих термопластов с минеральными наполнителями устраняют необходимость в дорогих и дефицитных жаропрочных материалах для изготовления тепловых тампонирующих пенетраторов вытяжного типа.

• установлена реальная возможность механически надежного и экологически безопасного беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов геологоразведочных скважин на основе разработанных легкоплавких тампонажных материалов, что позволит во многих случаях упростить конструкции скважин и снизить стоимость их сооружения за счет экономии обсадных труб, энерго- и трудозатрат на производство обсадных работ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых и студентов в 1996, 1997, 1998 г.г. (Санкт-Петербург, СПГГИ) и на 4-м Международном симпозиуме "Бурение скважин в осложненных условиях" (Санкт-Петербург, СПГГИ, 1998г.).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Среди существующих и разрабатываемых способов и средств беструбного крепления и изоляции отдельных интервалов скважин, пройденных традиционным механическим способом, перспективным является способ, основанный на применении легкоплавких связующих материалов и теплового тампонирующего пенетратора вытяжного типа.

2. Температурный режим образования ситаллов и шлакоситаллов без применения катализаторов составляет 1100-900°С. Применение катализаторов позволяет снизить температуру до 900-780°С, что все же требует использования высокотемпературных тампонирующих пенетрато-ров, для изготовления которых необходимы дефицитные и дорогостоящие жаропрочные материалы.

3. Легкоплавкие метафосфатные стекла имеют низкие температуры плавления и размягчения (порядка 450°С), хорошую устойчивость к агрессивным средам, в составе шихты нет дорогостоящих редкоземельных элементов. Не исключена вероятность вредного влияния оксида фосфора на человека и окружающую среду. По экологическим соображениям применение этого минерального связующего материала не представляется возможным в интервалах, приуроченных к водоносным горизонтам.

4. Органические связующие на основе синтетических термопластов позволяют получить прочное и недорогое беструбное крепление, удовлетворяющее буровым требованиям. Полиэтилен и полипропилен не имеют экологических противопоказаний при креплении и проведении изоляционных работ в скважине. Гранулированные композиционные составы с органической матрицей и минеральными наполнителями наиболее полно соответствуют условиям экологически чистого беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин.

5. Полученные на основе общепринятых в горной теплофизике допущений приближенные аналитические выражения для радиальной толщины изолирующего слоя застывшего расплава композиционной смеси и распределения плотности тампонажного камня за его пределами в пустотах и дренажных каналах околоскважинной зоны в радиальном направлении соответствуют физике процесса, отвечают граничным условиям, учитывают влияние всех основных природных, конструктивных и технологических факторов и использованы для расчётного анализа их влияния на результаты беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин.

6. Основными факторами, определяющими устойчивость процесса и надежность беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин, являются пустотность массива, количество, состав и теп-лофизические свойства компонентов легкоплавкой композиционной смеси, габариты, тепловая мощность вытяжного тампонирующего пе-нетратора и скорость его принудительного перемещения.

7. Радиальная толщина изолирующего экрана из застывшего расплава композиционной смеси в общем случае пропорциональна мощности теплового тампонирующего пенетратора и обратно пропорциональна скорости его принудительного перемещения и пустотности обрабатываемого массива, а радиальная глубина распространения уплотненной гранулированной смеси в пустотах и трещинах за пределами изолирующего экрана и её средняя плотность пропорциональны исходной плотности шихты в насыпном состоянии, которая по расчётным и опытным данным не должна быть ниже 600 кг/м3.

8. Увеличение содержания инертного наполнителя в легкоплавкой композиционной смеси влечет изменения прочностных свойств застывшего расплава в сторону снижения упругости, повышения жесткости и хрупкости. При этом снижается также прочность адгезионной связи застывшего расплава с породой.

9. С увеличением пустотности обрабатываемого интервала сокращается глубина проникновения расплава в дренажные каналы и радиальная толщина его застывшего слоя, что можно компенсировать соответствующим увеличением объема расплава в единицу времени за счет изменения параметров режима беструбного крепления новым способом - увеличения тепловой мощности тампонирующего пенетратора или снижения скорости его принудительного перемещения.

10. Допустимая скорость принудительного перемещения тампонирующего пенетратора фиксированной мощности обратно пропорциональна пустотности обрабатываемого интервала и квадрату диаметра скважины. Снижение затрат времени на беструбное крепление возможно за счет соответствующего увеличения мощности тампонирующего пенетратора и затрат электроэнергии, что в любом случае экономически целесообразнее обсадки стальными трубами.

11. По итогам выполненных экспериментов на данном этапе вполне пригодной легкоплавкой шихтой для реализации разрабатываемого способа беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин в полевых условиях можно считать гранулированную смесь полипропилена (60% по массе) и талька (40%> по массе).

125

12. Расчетные значения радиальной толщины слоя застывшего расплава и распределения плотности тампонажного камня в пустотах и трещинах обрабатываемого интервала обеспечивают полное качественное и близкое количественное совпадения с опытными данными, что позволяет использовать полученные приближенные аналитические формулы для инженерных расчетов технологических режимов беструбного крепления и изоляции осложненных интервалов скважин и положить их в основу разработки теории способа.

126

Задачи дальнейших исследований

1. В связи с принципиальной возможностью использования в качестве легкоплавких связующих материалов других разновидностей синтетических термопластичных материалов необходимо, прежде всего, их сани-тарно-химическое исследование с целью оценки экологической безопасности.

2. Большое разнообразие возможных инертных минеральных наполнителей, помимо снижения стоимости легкоплавких тампонажных смесей, ставит задачу определения оптимального состава смесей с позиций надежности и долговечности беструбного крепления и изоляции.

3. Имеющийся задел в области основ теории разрабатываемого способа беструбного крепления показывает возможность уточнения ряда её положений и разработки на этой основе детальной методики расчетов по совершенствованию техники и технологии способа.

1. Бобкова Н.М., Бесщелочные ситаллы и стеклокристаллические материалы, Минск 1992;

2. Булатов А.И. Формирование и работа цементного камня в скважине. -М.: Недра, 1990

3. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1991.

4. Вахромеев И.И. Теоретические основы тампонажа горных пород. М.: Недра, 1968.

5. Войтенко B.C. Прикладная геомеханика в бурении. -М.:Недра,1990.

6. Гигиена и токсикология высокомолекулярных соединений и химического сырья, используемого для их синтеза, Тез. докл. 6-й Всесоюзной конф. /под ред. Калинина Б.Ю./, Л., 1979, с.63.

7. Гигиена применения полимерных материалов: Тез. докл. 3-го всесоюз. сов. "Новые методы гигиенического контроля за применениемполимеров в народном хозяйстве'. Киев, 2-4 декабря, 1981, /под ред. Станкевича К.И./, К.: ВНИИГИНТОКС, 1981, с. 197.

8. Говаринер В.Р., Висванатхан Н.В., Шридхар Дж. Полимеры, М.: Наука, 1990.

9. Ю.ГОСТ 21553-76. Методы определения температуры плавления.11 .ГОСТ 11645-73. Метод определения текучести расплава.

10. ГОСТ 15088-83. Метод размягчения термопластов по Вика.

11. ГОСТ 26996-86. Полипропилен и сополимеры пропилена.

12. ГОСТ 16338-85. Полиэтилен низкого давления. Технические условия.

13. ГОСТ 16337-77. Полиэтилен высокого давления.

14. Ивачев J1.M. Промывка и тампонирование геологоразведочных скважин. М.: Недра, 1989.

15. Казенкова Е.П. Общая технология стекла и стеклянных изделий, Москва, 1989;

16. Кайгородов Г.К., Логинов B.C., Полиэтиленовые подземные газовые сети. Л.: Недра, ЛО, 1991.

17. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных скважин с применением воздуха. -М.: Недра, 1990.

18. Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко B.C. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. Л.: Недра, 1991

19. Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C. Исследование влияния высоты пенетратора на эффективность бурения горных пород плавлением. В сб.: Технология и техника геологоразведочных работ. М.: МГРИ, 1987, №10. С. 112-119

20. Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C. Анализ и расчет процесса бурения горных пород плавлением. В сб.: Совершенствование методов разведки и добычи полезных ископаемых Крайнего Севера. Коми филиал АН СССР, Сыктывкар, 1988.- С. 6-19.

21. Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C. Закономерности и основы расчета процесса бурения горных пород плавлением. Нефтяное хозяйство. Деп. во ВНИИОЭНГе 19.03.88, №1527-нг 1988, №5. С.6.

22. Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C., Соловьев Г.Н. Оценка закономерностей процесса бурения рыхлых пород высокотемпературным пенетратором уплотняющего типа //Методика и техника разведки, №1 (139),-СПб.:ВИТР, 1993.

23. Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C., Соловьев Г.Н. и др. Исследование механизма крепления стенок скважины при бурении плавлением // Межвуз. сб. научн. тр. "Устойчивость и крепление горных выработок" СПб.: Изд. СПГГИ , 1994.

24. Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C. Новые способы крепления скважин на основе процесса плавления. В сб.: Проблемы физикохимии и технологии дисперсных систем в бурении. -Екатеринбург: УГГГА, 1994.

25. Литвиненко B.C. Обоснование методики экспериментальных исследований электротеплового бурения. В сб.: Бурение разведочных скважин в сложных условиях. Зап. ЛГИ. Изд. ЛГУ, 1985. С. 94-97

26. Литвиненко B.C. Технология крепления стенок скважины остеклованным слоем при бурении плавлением. В сб.: Совершенствование и внедрение технологии промывки и тампонирования скважин в условиях Восточной Сибири и Крайнего Севера. Л.: ВИТР, 1987, С. 97-100.

27. Литвиненко B.C. Результаты экспериментального бурения горных пород плавлением. В сб.: Совершенствование методов разведочного бурения. Зап. ЛГИ. Изд. ЛГУ, 1988, т.116 С. 94-97

28. Литвиненко B.C. Изоляция поглощающих и неустойчивых горизонтов методов плавления. В сб.: Международный симпозиум по бурению разведочных скважин в осложненных условиях: Тезисы докладов (05-09.06.89).- Л.: ЛГИ, 1989.-С. 65-66

29. Масленков С.Б., Масленкова Е.А. Стали и сплавы для высоких температур. В 2-х томах, М., 1991.

30. Наполнители для полимерных композиционных материалов. Справочное пособие. /Под. ред. Каца Г.С. и Милевски Д.В./, М.: Химия, 1991.

31. Николаев H.H. Беструбное закрепление неустойчивых интервалов разведочных скважин. JL: Зап. СПГГИ, т. 136, 1993

32. Николаев H.H., Фролов A.A. Метод беструбного крепления неустойчивых интервалов скважин. В сб.: Научные и практические проблемы геологоразведки. - ВИТР, 1990

33. Николаев H.H. Научные основы и практика беструбного крепления геологоразведочных скважин модифицированными быстросхва-тывающимися смесями, Докторская диссертация, СПб.: СПГГИ, 1995.

34. Патент РФ №2057901 от 10.04.96 "Способ электоротермиче-ского крепления ствола скважины и устройство для его осуществления", авторы Соловьев Г.Н., Кудряшов Б.Б., Литвиненко B.C.

35. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. -М.: Недра, 1971, 192с.

36. Русаков П.В. Производство полимеров, М.: Высшая школа,1988

37. Соломенко М.Г., Шредер В.Л., Кривошей В.Н., Тара из полимерных материалов. Справочник, М.: Химия, 1990.

38. Сутягин В.В. Снижение проницаемости межпластовой изоляции в скважинах. -М.: Недра, 1989.

39. Тугоплавкие металлы и сплавы. Под. ред. д.т.н. Буханова Г.С., Москва, 1991.132

40. Физико-химические исследования цементного камня и бетона. Труды НИИБЖ, Вып. 7, М., 1972, с. 121-129.

41. Чистяков В.К., Чугунов В.А., Литвиненко B.C. Исследование процесса формирования стенок скважины при бурении плавлением. В сб.: Создание и совершенствование съемного инструмента для геологоразведочного бурения. Л.: ВИТР, 1986. С. 105-114.

42. Шефтель В.О., Вредные вещества в пластмассах, М.: Химия,1991.

43. Яковлев A.M., Николаев Н.Н. Очистные агенты и оперативное тампонирование скважин. Л.: ЛГИ, 1990.

44. Kudryashov В.В., Yakovlev A.V. Drilling in the Permafrost. Oxonian Press Pvt. Ltd., New Delhi, 1990.

45. Rapid Excavation by Rock Melting LASL Subterrene Program 09. 1973-06.1976. Compeled by R.J. Hanold. La-5979-SR, 1977.