Обґрунтування раціональних технологічних режимів ударно-вібраційного буріння підводних свердловин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти України

Національна гірнича академія України

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеню

кандидата технічних наук

Спеціальність 05.15.10 -- "Буріння свердловин"

Обґрунтування раціональних технологічних режимів ударно-вібраційного буріння підводних свердловин

Русанов Владислав Адольфович

Дніпропетровськ 1999

Дисертація є рукописом

Робота виконана на кафедрі технології і техніки геологорозвідувальних робіт Донецького державного технічного університету

Науковий керівник -- кандидат технічних наук, доцент Калініченко Олег Іванович, Донецький державний технічний університет, завідувач кафедри технології і техніки геологорозвідувальних робіт, член-кореспондент ТА України

Офіційні опоненти -- доктор технічних наук Пасинков Роман Юхимович, АТ "Буран" (м. Донецьк), директор з науки

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Данільченко Ігор Євдокимович Дніпропетровське відділення Українського Державного інституту мінеральних ресурсів (м. Дніпропетровськ), завідувач відділом

Ведуча організація -- Інститут геотехнічної механіки НАН України (м. Дніпропетровськ)

Захист дисертації відбудеться 16 червня 1999 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національній гірничій академії України, (320027, м. Дніпропетровськ, пр. Карла Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної гірничої академії України.

Автореферат розісланий 14 травня 1999 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук

О.В. Анциферов

1. Загальна характеристика роботи

свердловина буріння вібраційний гідроударний

Актуальність теми. В сучасних умовах інтенсивного засвоєння прибережної зони і розвитку нової вітчизняної галузі морського будівництва особливу важливість набувають задач перекладу техніки і технології розвідки на шельфі на більш високий рівень. Як показують дослідження ряду виробничих організацій, ведучих НДІ і вузів, в тому числі Донецького державного технічного університету (ДонДТУ), досить складним питанням є забезпечення підвищених вимог до якості кернової проби при однорейсовому бурінні свердловин глибиною 8 -- 10 м в пухких відкладеннях морського дна. Складність відбору проб в незв'язних грунтах пояснюється наявністю “пальового ефекту” в керноприймальній трубі, початок настання якого можна віддалити створенням зворотної промивки свердловини. Дані розробки і використання заглибних гідровібраційних установок (УГВП), створених на базі принципових схем, розроблених в ДонДТУ, вперше в світовій і вітчизняній практиці показали можливість однорейсового буріння підводних свердловин глибиною до 6 м при експлуатації з мало- і средньотонажних бурових суден. Однак недостатня проробленість питань визначення області ефективної роботи насосного блоку (НБ), оцінки впливу роботи НБ на динаміку заглиблювача бурового снаряду, виявлення залежності цілості керну, рейсового поглиблення і механічної швидкості буріння підводних свердловин від технологічних параметрів режиму буріння і конструкції керноприймача до нинішнього часу призводить до систематичних перерозвідок підводних родовищ із-за недостатнього технологічного забезпечення бурових робіт. Тому задача розробки раціональної технології ударно-вібраційного буріння підводних свердловин в пухких ґрунтах є дуже актуальною. Її рішення дозволити підвищити продуктивність бурових робіт і якість відбору кернового матеріалу при бурінні підводних свердловин однорейсовими автономними установками з гідроударним приведенням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота безпосередньо зв'язана з науковим напрямком кафедри технології і техніки геологорозвідувальних робіт ДонДТУ -- буріння свердловин в ускладнених умовах -- і є частиною держбюджетної теми "Розвиток теорії і розробка ударних приладів і механізмів для буріння свердловин в ускладнених умовах" (шифр теми Г-3-95).

Мета роботи -- шляхом аналітичних та стендових експериментальних досліджень уточнити закономірності робочого циклу гідродвигуна і встановити ефективні області роботи насосного блоку гідроударних бурових снарядів для обґрунтування і розробки технології ударно-вібраційного буріння підводних свердловин заглибними однорейсовими установками. В відповідності з поставленою метою були поставлені і вирішені наступні задачі:

Встановити характер зміни і вплив гідравлічних опорів в колонковому наборі на енергетичні параметри гідроударного заглиблювача, в якому поршень гідродвигуна функціонально забезпечує висхідний рух рідини в керноприймачі.

Встановити області ефективної роботи насосного блоку і розробити методику визначення вигідного поєднання силових і конструктивних параметрів гідроударного заглиблювача і технологічних режимів буріння підводних свердловин по пухким осадкам континентального шельфу.

Виявити залежність рейсового поглиблення, виходу і цілості структури керну при однорейсовому бурінні свердловин від параметрів режиму буріння, фізико-механічних властивостей донних відкладень і інтенсивності висхідного потоку рідини в керноприймальній трубі.

Провести дослідно-промислову перевірку технології буріння і витягу керну з керноприймача установки УГВП при бурінні підводних свердловин глибиною до 10 м.

Ідея роботи полягає в встановленні характеру і міри впливу зворотної промивки порожнини керноприймальної труби заглибного бурового снаряду (ЗБС) на якість керну, механічну швидкість буріння і рейсове поглиблення пробовідбірників для розробки технології ударно-вібраційного буріння підводних свердловин.

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувалися шляхом аналізу літературних джерел, проведення теоретичних і експериментальних досліджень, аналізу фактичного матеріалу, отриманого в результаті виробничих випробувань. Отримані диференційні рівняння вирішувались за допомогою ПЕОМ. При проведенні експериментальних досліджень було використано стенд, імітуючий природне залягання масиву порід. Оцінка ефективності отриманих результатів проводилася шляхом їх використання в виробничих умовах.

Основні наукові положення, які виносяться на захист:

Збільшення опору всисанню рідини з керноприймальної труби призводить до росту часу розгону бійка гідроударного механізму, що знижує частоту ударів та енергію співударяння бійка з ковадлом.

Ступінь впливу зворотної промивки на рейсове заглиблення, механічну швидкість буріння і цілість керну визначається зміною видатку рідини, яка всисається з керноприймача. Граничною умовою початку "пальового ефекту" є рівність обсягу робочої камери насосного блоку і розмірів кавітаційної порожнини.

Збільшення глибини відбору цілого керну в пухких грунтах забезпечується підтримкою амплітуди вібрації близькою до розміру часток грунту при підтримці постійної зворотної промивки порожнини керноприймальної труби.

Наукова новизна отриманих результатів.

Розроблена математична модель гідроударного механізму (ГМ) подвійної дії, яка відрізняється тим, що вперше враховано вплив додаткового тиску під нижнім диференціальним ступенем поршня, який визначається гідравлічними опірами в порожнині керноприймальної труби, що дозволило оцінити міру впливу витрат енергії на приведення насосного блоку на характер робочого циклу і величину силових параметрів гідроударного механізму;

Розроблена математична модель динаміки рідини в порожнині керноприймальної труби заглибного бурового снаряду, яка відрізняється тим, що вперше врахована наявність кавітаційного процесу в робочій камері насосного блоку, що дало можливість поширити область ефективної роботи установки УГВП до глибини опробування 10 м;

Розроблена методика вибору сполучення робочих і конструктивних параметрів гідроударних машин, що забезпечують задані технологічні режими ударно-вібраційного буріння, в якій врахований вплив фізико-механічних властивостей ґрунту і довжини кернової проби на енергетичні параметри гідроударника. На основі отриманих результатів розроблена технологія буріння підводних свердловин в пухких відкладеннях морського дна з відбором цілого керну.

Наукове значення отриманих результатів полягає в тому, що:

в рівнянні динаміки поршня-бійка гідроударного механізму підводної установки для ударно-вібраційного буріння введено складову, яка дозволяє враховувати витрати енергії на приведення вбудованого насосного блоку здійснюючого зворотну промивку порожнини керноприймальної труби;

розроблено математичну модель динаміки рідини в робочій камері насосного блоку, яка дозволяє визначити залежність продуктивності насосу від поглиблення керноприймача в грунт і прогнозувати початок настання "пальового" ефекту.

Практичне значення полягає в тому, що:

визначені припустимі області відбору цілого керну при ударно-вібраційному бурінні за наявністю зворотної промивки свердловини;

запропонована методика визначення параметрів технологічного режиму ударно-вібраційного буріння пухких відкладень морського дна;

відпрацьована раціональна технологія ударно-вібраційного буріння підводних свердловин глибиною до 10 м автономними установками УГВП-130/8.

Вірогідність результатів роботи. Вірогідність отриманих результатів забезпечується значним обсягом теоретичних і експериментальних досліджень, близькою збіжністю їх результатів (5 -- 10%), з підтвердженням ефективності технологічних режимів в виробничих умовах.

Реалізація результатів роботи. Технологія буріння автономними ударно-вібраційними установками УГВП-130/8 пройшла виробничі випробування та впроваджена в ДГП "Причерноморгеологія" і державному малому геоекологічному підприємстві "Екорт" при бурінні підводних свердловин на шельфі Чорного моря.

Апробація. Основні результати досліджень доповідалися на Ювілейній науково-технічній конференції, присвяченій 100-річчю зі дня народження Ф.А. Шамшева (Санкт-Петербург, 1993), на Всеросійській науково-технічній конфе-ренції "Проблеми науково-технічного прогресу в бурінні геологорозвідуваль-них свердловин" (Томськ, 1994), на науково-технічній конференції "Буріння свердловин в ускладнених умовах", (Донецьк, 1996), на Другій Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених ім. академіка М.А. Усова "Проблеми геології та опанування надр" (Томськ, 1998), на Міжнародній науково-практичній конференції “XXI сторіччя -- проблеми і перспекиви опанування родовищ корисних копалин” в НГА України (Дніпро-петровськ, 1998г.), на наукових семінарах кафедри "Технологія і техніка геологорозвідувальних робіт" ДонДТУ (1995 -- 1998 рр.).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 12 наукових робіт.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація викладена на 150 сторінках машинописного тексту і складається з вступу, п'яті розділів, висновків, списку використаних джерел із 110 найменувань, текстова частина ілюстрована 36 малюнками, містить 29 таблиць і 14 додатків.

2. Огляд змісту дисертації

В першому розділі освітлений сучасний стан буріння свердловин по м'яким гірничим породам на шельфі і акваторіях морів, виділені особливості буріння неглибоких свердловин і відбору донних проб в морських умовах, даний аналіз легких технічних засобів і засобів однорейсового буріння підводних свердловин.

З розроблених за кордоном віброударних агрегатів з гідравлічним приве-денням широко відомі установки компанії "Companie Francaise Geomechanique" (Франція) і фірми "Konrad Stork d'Aarlem" (Нідерланди). З вітчизняних установок з гідроударним приведенням слід відзначити ПГУ-72 і її модернізований варіант -- ПУВБ-150, які забезпечували буріння свердловин глибиною 4 -- 5 м. В подальшому в ДонДТУ створені і впроваджені установки з рейсовим поглибленням до 6 м (УГВП-130/8 і УГВП-150). На шельфі Чорного моря переконливу ефективність показала установка УГВП-130/8, змонтована на науково-дослідному судні (НДС) “Топаз”. Високі техніко-економічні показники досягнуті установками УГВП-130/8 і УГВП-150 на шельфі морів Крайньої Півночі та Дальнього Сходу.

На підставі аналізу кінематики, конструктивних особливостей і результативності УГВП в різно-манітних умовах зроблено висно-вок про наявність резервів підви-щення їх техніко-технологічних і експлуатаційних показників.

В підрозділі 1.3 даний аналіз робіт по підвищенню рейсового поглиблення і збереженню кернового матеріалу при бурінні свердловини підводними автономними установками. При вивченні питання розглянуті роботи Луги О.О., Асєєва А.Г., Хворостовського С.С., Шелковнікова І.Г., Московитина В.В., Фоменко В.С. і інших вчених. Дослідниками визначена основна причина обмеженого рейсового поглиблення при ударно-вібраційному і вібраційному бурінні підводних свердловин, зумовлена виникненням "пальового" ефекту. В апробованих наукових розробках автори відзначають перспективність установок, що реалізують зворотну промивку порожнини колонкової труби.

В результаті аналізу відомих робіт визначене коло питань, яке вимагає проведення комплексу теоретичних і експериментальних досліджень областей ефективної роботи НБ установок типу УГВП; впливу засобу заглиблення пробовідбірнику, форми і розмірів ріжучої окрайки "башмаку" на вірогідність структури залягання грунту в масиві і в керновому матеріалі; технології витягу керну з колонкового набору в специфічних умовах морського виробництва.

В підрозділі 1.4 даний аналіз і обґрунтування проведення теоретичних робіт по вдосконаленню технологічних режимів ударно-вібраційного буріння свердловин в породах пухкого комплексу. В відповідності з дослідженнями, проведеними Барканом Б.Б., Ребриком Б.М., Шелковніковим І.Г., основними технологічними параметрами ударно-вібраційного буріння слід вважати: частоту ударів бійка ГМ (n); енергію одиничного удару бійка ГМ (W); видаток зворотної промивки, що розвивається НБ (q). Фоменко В.С. стосовно до установок ПУВБ і УГВП зроблена спроба зв'язати подачу НБ з частотою подвійних ходів, припускаючи величину q залежною від обсягу робочої камери НБ і частоти n.

В дійсності, високочастотний режим роботи витискувача НБ може призвести до розвитку в робочій камері НБ кавітаційного процесу і, як наслідок, до зниження або припинення циркуляції в порожнині керноприймальної труби. В зв'язку з цим, застосування в ударно-вібраційних пробовідбірниках вбудованого насоса зумовлює необхідність визначення області ефективної роботи НБ для грунтів з різними фізико-механічними властивостями.

Для успішного рішення задачі визначення раціонального поєднання робочих і конструктивних параметрів ГМ і технологічних параметрів режиму буріння важливої є задача уточнення розрахункової моделі ГМ з встановленням істотності впливу витрат потужності гідродвигуна ГМ на приведення НБ.

В другому розділі наведені теоретичні розробки технології однорейсового буріння свердловин і відбору проб ґрунту ударно-вібраційними пробовід-бірниками.

В підрозділі 2.1 виконані теоретичні дослідження по оцінці впливу умов роботи НБ гідровібраційних установок УГВП на енергетичні параметри гідроударного заглиблювача. Особливість ГМ, працюючих в складі гідро-вібраційних пробовідбірників полягає в тому, що гідродвигун ГМ в течію циклу реалізує дві задачі: 1).Розгін і переміщення бійка до зустрічі з ковадлом; 2).Подолання опорів під малим ступенем диференційного поршня, зумовлених роботою НБ.

Дослідження динаміки зворотно-поступового руху бійка припускає наявність рішення, що враховує повний взаємозв'язок процесів, що протікають на всіх фазах робочого циклу ГМ. Тому до традиційного набору сил в циліндрі ГМ додається додаткова складова P, зумовлена рухом рідини в колонковій трубі зі швидкістю, пропорційною швидкості переміщення поршня (dx/dt), і яка змінюється по мірі збільшення довжини керну (l₂):

(1)

де -- коефіцієнт пропорційності, який характеризує умови формування керну в колонковій трубі.

В відповідності з теоретичними розробками, виконаними Неудачиним Г.І., Коломойцєм А.В., Калініченко О.І. і з урахуванням (1) рівняння динаміки поршня ГМ установок УГВП записується співвідношенням

(2)

Рішення (2) дає можливість отримати залежність для визначення швидкості бійка в кінці робочого ходу (V₁)

(3)

В формулі (3) невідома величина часу робочого ходу бійка (t₁) встановлюється з умови нерозривністі потоку рідини (4):

(4)

де P_Д -- додатковий тиск в циліндрі ГМ, якій є кількісною характеристикою енергії потоку рідини, необхідної для приведення в дію ГМ.

(5)

Умовні позначки, що використаються в рівняннях (2), (3), (4), (5):

-- прискорення бійка ГМ; m -- маса бійка ГМ; P_ГУ -- гідроударна складова тиску рідини в робочому циліндрі ГМ; R -- сумарні гідравлічні і механічні опірі в ГМ; --густина робочої рідини ГМ; c -- швидкість розповсюдження гідроударної хвилі в трубопроводі; F -- площа поршня ГМ; k -- коефіцієнт витрат рідини на робочому ході.

Інші умовні одиниці наведені в підмалюночному написі (рис. 1).

Для ґрунтів, що зберігають в колонковій трубі циліндричну форму, величину можна розрахувати по формулі:

(6)

де -- динамічна глейкість промивочної рідини; -- зазор між керном і керно-приймальною трубою; d_Т -- діаметр керноприймальної труби; g -- прискорення вільного падіння;

Аналіз результатів рішення рівняння (4) показує незначне зниження частоти подвійних ходів бійка ГМ (до 0,5...1,6%) при зміні довжини керну з 0 до 9 м (табл. 1).

В підрозділі 2.2 виконана теоретична оцінка допустимої області роботи НБ заглибних гідровібраційних установок. Стосовно до розглядуваної гідравлічної системи характер руху рідини в робочій камері НБ записується інтегралом Бернулі для несталого руху глейкої рідини.

Таблиця 1 Залежність частоти подвійних ходів (n) від заповнення колонкового набору l₂ при пересіченні ґрунтів з діаметром часток

l2, м	, м	n, с-1	, м	n, с-1	, мм	n, с-1
0	0,001	28,847	0,0005	28,847	0,00025	28,847
3	0,001	28,847	0,0005	28,827	0,00025	28,810
6	0,001	28,829	0,0005	28,824	0,00025	28,792
9	0,001	28,827	0,0005	28,819	0,00025	28,774

Рішення інтегралу Бернулі, з урахуванням умови нерозривності потоку рідини, дає закон переміщення вільної поверхні рідини в робочій камері НБ:

(7)

_П -- наведений гідравлічний опір колонкового набору; P_ВАК -- вакууметричний тиск пружних парів рідини; P_а -- атмосферний тиск повітря.

При укладання рівняння динаміки вільної поверхні рідини в робочій камері НБ зроблене припущення, що в момент часу t=0 над поверхнею знаходящейся в стані спокою рідини виникає порожнина, заповнена пружними парами води (кавітаційна порожнина). Кавітаційний процес в робочій камері НБ буде мати місце лише за умови, коли прискорення переміщення витискувача перевищує прискорення поверхні рідини (4). Спільне рішення (2) і (7) дасть можливість простежити динаміку виникнення і розвитку кавітаційного процесу в робочій камері НБ.

На графіках зміни продуктивності НБ зворотної промивки в залежності від заглиблення пробовідбірника в пухкі відкладення (рис. 2) горизонтальна лінія О' -- О' відповідає питомому видатку промивочної рідини для заданого гранулометричного складу і щільності порід.

Отже, при переході характеристики НБ в область нижче лінії О' -- О' швидкість висхідного потоку стає менш критичної, настає замулювання кільцевого зазору, що приводить до припинення циркуляції. В даних умовах фактична продуктивність НБ стає рівною нулю в наслідок зростання розмірів кавітаційної порожнини до величини робочої камери НБ. Починається "пальовий ефект", який приводить до порушення якості керну і зниженню механічної швидкості буріння.

Дослідження продуктивності НБ при різноманітному заглибленні "башмаку" колонкового набору під рівень моря при частоті ударів, оптимальної для конкретного гранулометричного складу ґрунту, дозволяє теоретично обгрунтувати можливість розширення області застосування установок УГВП до 8...10 м.

В підрозділі 2.3 запропонована методика вибору раціо-нального поєднання робочих і конструктивних параметрів ГМ і технологічних режимів буріння свердловин.

Основні вимоги до методики вибору можна сформулювати наступним чином: конструктивні параметри ГМ повинні забезпечувати задану амплітуду і частоту вібрації для заглиблення в грунт конкретного гранулометричного складу; поєднання конструктивних і робочих параметрів повинно гарантувати отримання достатніх енергетичних показників для заглиблення пробовідбірника в грунт; вбудований НБ повинен забезпечувати циклічну циркуляцію рідини в порожнині керноприймальної труби протягом всієї довжини рейсу.

Отримані в результаті розрахунку теоретичні значення раціональних параметрів режиму буріння, а також конструктивні параметри і розрахункові робочі параметри ГМ наведені відповідно в табл. 2, 3.

Таблиця 2 Раціональні технологічні параметри буріння в незв'язних ґрунтах

№	Найменування породи	d0, мм	n, c-1	W, Дж	q, л/хв.	lC, м
1.	Пісок дуже крупний	1... 2	20,83	54,2	78	9,5
2.	Пісок крупний	0,5... 1	21,28	47,9	35	Більш 10
3.	Пісок середній	0,25... 0,5	23,11	33,4	15	Більш 10
4.	Пісок дрібний	0,1... 0,25	29,31	18,6	6,8	8,5
5.	Пісок тонкий	0,05... 0,1	33,33	12,1	4,1	8,0

При цьому конструктивні параметри ГМ: довжина -- 2134 мм; зовнішній діаметр корпуса -- 127 мм; діаметр поршня -- 80 мм; діаметр штока -- 52 мм; хід поршня загальний -- 25 мм; хід поршня робочий -- 22 мм; хід вільний -- 3 мм; хід клапанів -- 6 мм; маса бійка -- 80 кг.

Таблиця 3 Розрахункові робочі параметри ГМ

Q, л/хв.	n, c-1	P, МПа	W, Дж	NЭ, кВт	NП, кВт	К.К.Д.,%
150	16,1	1,25	64,9	1,0	3,1	33,3
180	19,9	1,94	102,8	2,0	5,8	35,2
210	23,9	2,82	151,6	3,6	9,9	36,6
240	27,9	3,92	211,9	5,9	15,7	37,7
270	32,1	5,26	284,4	9,1	23,7	38,6
300	36,4	6,85	369,8	13,4	34,2	39,3

В третьому розділі приводиться результати досліджень впливу умов роботи НБ установки УГВП-130/8 на енергетичні параметри ГМ заглиблювача, вказані задачі і дана методика експериментальних досліджень, приведені обладнання і апаратура. Дослідження по встановленню впливу умов роботи НБ на робочу характеристику ГМ зводилися до оцінки величини змін швидкості руху бійка за наявності опорів під штоком механізму шляхом аналізу осцилограм швидкості переміщення бійка і проводилися на спеціальному стенді, який дозволяє здійснювати комплекс досліджень і одержувати дані, для визначення закономірностей роботи ГМ.

В підрозділі 3.3 викладені результати дослідження впливу умов роботи НБ на енергетичні характеристики ГМ підводного пробовідбірника УГВП-130/8. Всього було вироблено 4 серії опитів. Одна з них без врахування опорів під штоком НБ, а в трьох інших у всисаючій лінії НБ відтворювалися опори, орієнтовно відповідні умовам руху рідини в колонковій трубі з висотою колонки керна 3, 6 і 9 м. Статистична обробка отриманих в результаті експерименту даних, виконана з допомогою ПЕОМ, показує, що залежності частоти (n) і передударної швидкості (V₁) від довжини керна можуть бути апроксимовані наступними виразами (табл. 4).

Таблиця 4 Результати статистичної обробки експериментальних даних

Q, л/хв.	Кінцеві опори під штоком НБ	Кореляційне відношення
	l=0	l=3; 6; 9 м
180			0,968 -- 0,996
-' -			0,968 -- 0,996
240			0,968 -- 0,996
-' -			0,968 -- 0,996

В результаті аналізу експери-ментальних осцилограм (рис. 3) можна зробити наступний висновок: втрати ефективної потужності гідродвигуна ГМ на приведення НБ для створення циркуляції рідини в колонковій трубі, заповненої керном, не перевищують 3,5% при зміні глибини буріння від 0 до 9 м. Результати, отримані в процесі експериментальних робіт, підтверджують вірогідність викладених в розділі 2.1 теоретичних досліджень.

В четвертому розділі наведені результати експериментальних досліджень процесу однорейсового буріння і відбору проб порід пухкого комплексу ударно-вібраційними пробовідбірниками, викладені задачі і методика експериментальних досліджень по виявленню міри впливу засобу заглиблення пробовідбірника на якість зразків керна, а також впливу конструктивних особливостей пробовідбірника і технологічних параметрів режиму буріння на зміну якості керну і механічну швидкість буріння.

Дослідження вироблялися в два етапи. На першому етапі -- в лабораторних умовах з використанням спеціально розробленого стенду, імітуючого горизонтально-шарове залягання порід піщано-глинястого комплексу

На другому етапі експериментальні дослідження проводилися на робітничих дільницях ГГП "Причерноморгеологія" на північно-західній частині шельфу Чорного моря. В виробничих умовах уточнювалися дані першого етапу пробовідбіру і вироблялися конкретні рекомендації по технології ударно-вібраційного буріння.

В підрозділі 4.2 наведені результати вивчення залежності міри порушеності гірської породи в зразках керну від засобу заглиблення і конструкції керноприймального снаряду.

В процесі експерименту вивчено більш 30 зразків керну відібраних еталонними засобами і ударно-вібраційним засобом. Фрагмент повздовжнього розрізу зразків керну показаний на рис. 4.

Серія лабораторних експериментів дозволяє зробити наступні висновки:

а).Ударно-вібраційний засіб заглиблення пробовідбірника дасть можливість одержувати задовільні за якістю зразки керну, які незначно відрізняються від зразків відібраних удавлюванням і ударним засобом;

б).Наявність зворотної промивки сприяє зростанню механічної швидкості буріння і знижує імовірність настання “пальового” ефекту;

в).Раціональними технологічними параметрами режиму буріння слід вважати: енергію ударів -- 120…180 Дж, частоту ударів -- 18…28 Гц;

г).Експериментально встановлено (на підставі теоретичних рекомендацій Фоменко В.С. і Шелковнікова І.Г.), що найбільша цілість керну забезпечуються формою породоруйнувального "башмаку" з наступними параметрами: кут пригострення поверхні --27…30⁰; висота конуса пригострення -- 10…15 мм.

В підрозділі 4.3 наведені результати вивчення впливу параметрів гідроударної машини і величини інтенсивності зворотної промивки на механічну швидкість, рейсову проходку і вихід керну (табл. 4).

Таблиця 5 Вплив параметрів ГМ і інтенсивності зворотної промивки на механічну швидкість (V_МЕХ), рейсову проходку (l_Р) і вихід керну (ВК)

n, с-1	W, Дж	q, л/хв.	VМЕХ, м/хв.	lР, м	ВК,%	Примітки
27,1	108	-	1,21	1,9	100	Фольга по кільцю
36,0	194,4	-	1,64	1,9	100
44,8	284	-	1,67	2,1	100
27,1	108	42,3	1,84	3	73	Фольга навпівкільцем
36,0	194,4	45,6	2,16	3	67
44,8	284	64,8	2,64	3	68
27,1	108	42,3	1,86	3	92	Фольга по кільцю
36,0	194,4	45,6	2,11	3	94
44,8	284	64,8	2,62	3	89

Результати дослідження підтвердили позитивний вплив зворотної промивки на зростання механічної швидкості буріння і рейсового заглиблення. Збільшення частоти ударів бійка ГМ веде до значного (до 38 -- 43%) збільшення механічної швидкості буріння при деякому зниженні показника виходу керна, що погоджується з теоретичними висновками про вплив зростання розмірів кавітаційної порожнини в робочій камері НБ на якість керну.

В п'ятому розділі приводяться дані по визначенню техніко-економічної ефективності технічних засобів і технологічних режимів буріння свердловин на шельфі. В підрозділі 5.1 надані результати виробничих іспитів і впровадження технології витягу керну довжиною 6 м з керноприймача установки УГВП-130/8. Відпрацювання технології витягу керну виконано на спеціально розробленому стенді, імітуючому робочий палубний простір НДС "Топаз". Виробничі іспити проводилися на робітничих дільницях ГГП "Причерноморгеологія" на північно-західній частині шельфу Чорного моря.

В результаті виробничих випробувань розроблена і впроваджена "Інструкція по отриманню кондиційного виходу керну заглибною гідровібраційною установкою УГВП-130/8" і "Тимчасові інструктивні вказівки по технології і безпечним прийомам витягу керну".

В підрозділі 5.2 викладені мета і методика виробничих іспитів технології однорейсового буріння свердловин глибиною 8 -- 10 м гідровібраційним установками. Об'єктом іспитів був модернизований варіант гідровібраційній установки УГВП-130/8М, змонтований на НДС “Топаз” ГГП "Причерноморгеологія". Метою виробничих іспитів є встановлення ефективності застосування установки УГВП-130/8М для вивчення геологічних характеристик четвертинних відкладень морського дна з плавучих підстав, оздоблених вантажопідйомним обладнанням малої потужності з обмеженим вилітом вантажної стріли.

В підрозділі 5.3 наведені основні показники, досягнуті при впровадженні технічних розробок і технології однорейсового буріння підводних свердловин. Іспити проводилися в два етапи. На першому з них, з метою визначення максимальних можливостей вдосконаленої установки УГВП-130/8М була пройдена експериментальна свердловина, глибиною 8,3 м. Зроблено висновок, що буріння підводних свердловин глибиною 8 і більш метрів установкою УГВП-130/8М принципово можливе і реалізується за рахунок високих енергетичних і експлуатаційних показників установки за умови дотримання раціональної технології буріння і витягу кондиційного крену.

Подальші іспити проводилися з установкою, зразок якої минув попередні іспити при бурінні досвідної свердловини. Основний обсяг іспитів виконаний при рішенні конкретної геологічної задачі в прибережній зоні, яка прилягає до Тендровської коси (Чорне море). В результаті іспитів виконана робота по визначенню раціональних параметрів режиму буріння і уточнені області застосування технології. Модернізація, вироблена з колонковим набором, а також ретельне дотримання технології буріння по пухких породах дозволило досягнути практично абсолютного виходу керну 100% (табл. 6).

Таблиця 6 Виробничі дані експлуатації УГВП-130/8М

№ п/п	Найменування донних відкладень	Загальний обсяг буріння, м	Потужність по свердловині, м	Вихід керну, %
1.	Пісок мілкозернистий	33,2	5,1	100
2.	Пісок середньозернистий	5,0	2,9	100
3.	Алеврит м'якопластичний	1,6	1,0	100
4.	Алеврит пластичний	1,3	0,8	100
5.	Алеврит тугопластичний	2,1	0,9	100
6.	Черепашечник	9,4	2,1	100
7.	Мул глинястий	47,7	4,6	100

В підрозділі 5.4 запропоновані перспективи застосування розробок при геологорозвідувальних і інженерно-геологічних пошуках на шельфі, аналіз тенденцій засвоєння шельфової зони Світового океану і зони "критичного мілководдя". З цією метою доцільно вести розробку технічних засобів і технології буріння з підвищеною глибиною опробування (12 і більш метрів) з мало- і середньотонажних плавзасобів, що істотно знизить вартість 1 п.м. буріння.

Висновки

В дисертаційній роботі виконані науково-дослідні розробки раціональної технології ударно-вібраційного буріння неглибоких свердловин в осадових породах, складаючих морське дно. Дане рішення актуальної задачі, що полягає в обгрунтуванні раціональних технологічних режимів ударно-вібраційного буріння підводних свердловин на континентальному шельфі, які забезпечують підвищення якості кернового матеріалу за умови збереженні високих показників механічної швидкості буріння і досягнення заданого рейсового заглиблення пробовідбірника (8 -- 10 м).

Основні наукові результати, висновки і рекомендації полягають в наступному:

Теоретично встановлено та експериментально підтверджено, що збільшення опору всисанню в порожнині керноприймальної труби, яке обумовлено зростанням довжини кернової проби по мірі заглиблення з 0 до 9 м пробовідбірника, оздобленого гідроударним заглиблювачем і вбудованим насосом зворотної промивки, призводить до зниження частоти ударів бійка на 0,2…0,4% та енергії співударяння бійка з ковадлом на 3,5…3,7%.

Зростання кавітаційної порожнини під витискувачем насосу в ході всисання обумовлено збільшенням гідравлічних опорів в керноприймальній трубі по мірі заглиблення пробовідбірника в грунт. Збільшення кавітаційної порожнини до розміру робочої камери насосного блоку відповіда початку "пальового" ефекту, який настає на глибині 8 м при рівні моря 10 м та 10м при рівні моря більш 10 м, за умовами підтримки амплітуди вібрації близькою до розміру частки грунту.

Експериментально встановлено на підставі порівняння з еталонними зразками, відібраними еталонними засобами (удавлювання і забивний), що за наявності зворотної промивки в порожнині керноприймальної труби ударно-вібраційний засіб втілення пробовідбірника дозволяє відбирати керн малозміненого фізико-механічного стану, уточнені параметри ріжучої окрайки "башмаку" пробовідбірника, що дозволяють реалізувати максимальну механічну швидкість буріння з збереженням якості кернової проби (кут пригострення -- 27⁰ -- 30⁰; висота конуса пригострення -- 10 -- 15 мм).

Запропоновано методику визначення частоти ударів бійка гідроударного механізму, енергії одиничного удару і зон ефективної роботи насосу зворотної промивки, які забазпечують рейсове поглиблення до 10 м з відбіром задовільного за якістю кернового матеріалу, для різних грунтів. На підставі вивчення і аналізу технологічних карт буріння неглибоких підводних свердловин підтверджені розрахункові технологічні параметри буріння установкою УГВП-130/8 в донних відкладеннях: енергія одиничного удару -- 120...180 Дж, частота ударів -- 18...28 Гц. Відпрацьована в виробничих умовах технологія буріння установкою УГВП-130/8 в пухких ґрунтах. Досягнуто показника виходу керну в породах I -- IV категорій по буримості з різноманітним гранулометричним складом -- 100%, при цьому механічна швидкість буріння підтримувалася в межах 1,5... 1,8 м/хв.

Основні положення дисертації опубліковані в наступних роботах

Бурение инженерно-геологических скважин с малотоннажных плавсредств на мелководной части шельфа / Чаленко А.А., Куракин И.М., Русанов В.А., Гуджабидзе А.В., Базирашвили М.М. // В сб. “Инженерно-геологические условия шельфа и методы их изучения”. -- Рига: Зинатне, 1991. -- С. 22 -- 25.

Калиниченко О.И., Русанов В.А., Рязанов А.Н. Методика проектирования конструктивных и рабочих параметров забойных гидроударных машин. // В сб. "Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые".-- Екатеринбург: УГИ, 1993.-- С. 97 -- 102

Калиниченко О.И., Русанов В.А., Квашин Е.В. Влияние условий работы насосного блока на энергетические характеристики гидроударной машины подводного пробоотборника типа УГВП и ПУВБ // В сб. “Бурение скважин в осложненных условиях”. -- Донецк: ДонГТУ, 1996. -- С.47 -- 49.

Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Русанов В.А., Рязанов А.Н., Комарь П.Л. Совершенствование технологии однорейсового бурения подводных скважин с НИС “Топаз” // В сб. “Бурение скважин в осложненных условиях”. -- Донецк: ДонГТУ, 1996.-- С.44 -- 47.

Цабут И.И., Русанов В.А., Тарарыева Л.В. К вопросу выбора методики исследований по инженерно-геологической оценке качества образцов керна, отбираемого с помощью погружной установки для бурения морских неглубоких скважин (УГВП) // В сб. “Бурение скважин в осложненных условиях”. -- Донецк: ДонГТУ, 1996.-- С.91 -- 95.

Калініченко О.І., Русанов В.А. Аналіз стану робіт по підвищенню рейсової проходки і збереженню кернового матеріалу при бурінні підводних свердловин // Сб. научн. трудов НГА Украины. №3,Том 2 Геология полезных ископаемых и технология разведки.- Днепропетровск, 1998.-- С.247 -- 252.

Калиниченко О.И., Каракозов А.А., Русанов В.А., Рязанов А.Н., Юшков И.А. Новые технические средства бурения скважин в условиях морского шельфа // Сб. научн. трудов НГА Украины. №3,Том 2 Геология полезных ископаемых и технология разведки.- Днепропетровск, 1998.-- С.255 -- 258.

Русанов В.А. Теоретическая оценка допустимой области работы насосного блока погружной гидровибрационной установки УГВП-130/8 // В сб. “Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые” Вып. 21. Межвузовский научно-тематический сборник. -- Екатеринбург: Уральская гос. горно-геол. академия, 1998.-- С. 148 -- 155.

А.с.№1620603 СССР МКИ4 Е21B25/18. Подводный пробоотборник. / Каракозов А.А., Русанов В.А., Калиниченко О.И., Блинов В.И. (СССР) -- №4641306, заявлено 25.01.89, опубл. 15.01.91 г. БИ №2.

А.с.№1648099 СССР МКИ4 Е21B25/18. Подводный пробоотборник. / Равилов В.И., Русанов В.А., Блинов В.И., Турянский А.А. (СССР) -- №4732836, заявлено 29.08.89, опубл. 8.01.91 г. ДСП.

А.с. №1676292 СССР МКИ4 Е21B25/18 Пробоотборник / Равилов И.В., Трендяк В.Д., Русанов В.А., Сахно В.И. (СССР) -- №4744824, заявлено 03.10.89, опубл. 8.05.91 г. ДСП.

А.с. №1743247 СССР МКИ4 Е21B25/18 Пробоотборник / Равилов И.В., Русанов В.А. Ерофеев О.А. (СССР) -- №4793678, заявлено 19.02.90, опубл. 22.02.92 г., ДСП

Аннотация

Русанов В.А. Обоснование рациональных технологических режимов ударно-вибрационного бурения подводных скважин. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.10 -- “Бурение скважин”.-- Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 1999.

Диссертация посвящена вопросам повышения эффективности бурения неглубоких подводных скважин. Дано решение актуальной задачи, заключающейся в обосновании рациональных технологических режимов ударно-вибрационного бурения подводных скважин на континентальном шельфе, обеспечивающих повышение качества кернового материала при условии сохранении высоких показателей механической скорости бурения и достижения заданной рейсовой углубки пробоотборника (8 -- 10 м).

Экспериментально установлено на основе сравнения с образцами, отобранными эталонными способами (вдавливание и забивной), что при наличии обратной промывки в полости керноприемной трубы ударно-вибрационный способ внедрения пробоотборника позволяет отбирать керн малоизмененного физико-механического состояния. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что увеличение сопротивления всасыванию жидкости из керноприемной трубы приводит к увеличению времени разгона бойка гидроударного механизма, что снижает частоту ударов и энергию соударения бойка с наковальней. Определена степень влияния обратной промывки на рейсовую углубку, механическую скорость бурения и сохранность керна, которая зависит от изменения расхода всасываемой из керноприемника жидкости (граничным условием начала “свайного эффекта” является равенство объема рабочей камеры насосного блока и размеров кавитационной полости); увеличение глубины отбора сохранного керна в рыхлых грунтах обеспечивается поддержанием амплитуды вибрации пробоотборника близкой к размеру частиц грунта при поддержании постоянной обратной промывки полости керноприемной трубы. На основании проведенных исследований определены области отбора сохранного керна при ударно-вибрационном бурении с наличием обратной промывки скважины.

Предложена методика расчета рациональных технологических режимов ударно-вибрационного бурения. Отработана в производственных условиях технология ударно-вибрационного бурения в рыхлых грунтах. Достигнут показатель выхода керна 100% в породах I -- IV категорий по буримости с различным гранулометрическим составом. При этом механическая скорость бурения поддерживалась в пределах 1,5...1,8 м/мин. Технология бурения автономными установками УГВП-130/8 прошла производственные испытания и внедрена в ГГП “Причерноморгеология” и государственном малом геоэкологическом предприятии “Экорт” при бурении подводных скважин на шельфе Черного моря.

Ключевые слова: эффективность, ударно-вибрационное бурение, подводная скважина, гидроударный механизм, насосный блок, обратная промывка.

Анотація

Русанов В. А. Обґрунтування раціональних технологічних режимів ударно-вібраційного буріння підводних свердловин. -- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15. 10 -- “Буріння свердловин”. -- Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 1999.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності буріння неглибоких підводних свердловин. В роботі досліджується ударно-вібраційне буріння пухких ґрунтів з зворотною промивкою колонкової труби. Встановлено, що збільшення гідравлічних опорів в колонковій трубі веде до зниження енергетичних параметрів гідроударного механізму загліблювача і виникнення кавітації в циліндрі насосного блоку. Запропонована методика розрахунку раціональних технологічних режимів ударно-вібраційного буріння.

Основні результати роботи знайшли застосування при бурінні неглибоких підводних свердловин на шельфі Чорного моря.

Ключові слова: ефективність, ударно-вібраційне буріння, підводна свердловина, гідроударний механізм, насосний блок, зворотна промивка.

Annotation

Rusanov V.A. Substantiation of rational technological regimes shock-vibration drilling of submarine holes. -- Typescript.

Thesis on competition of an academy degree of the candidate of engineering sciences on a specialty 05.15.10 -- “Drilling of holes” -- National mining academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 1999.

The tesis is devoted to task of efficiency drilling of non-deep submarine holes. The work investigates shock-vibration drilling of loose soil with reverse washing of core pipe. Is established, that increase hydraulic resistance in core pipe leads to decrease power parameters of hydro-shocking mechanism of the deeper and to beginning cavitation in cylinder of pump block. The new methods computation of rational technological parameters shock-vibration drilling are offered. The main outcomes of work have founded application in practice of drilling of non-deep submarine holes in shelf of Black Sea.

Key words: efficiency, shock-vibration drilling, submarine hole, hydro-shocking mechanism, pump block, reverse washing.

Размещено на Allbest.ru

...