Разработка теоретических основ и совершенствование бурения геологоразведочных скважин алмазным породоразрушающим инструментом

Ожидаемое развитие всех отраслей народного хозяйства нашей страны потребует расширения разведки и добычи полезных ископаемых, являющихся базой индустрии, а также значительной статьей российского экспорта, призванной способствовать подъему нашей промышленности. С другой стороны, многие известные горно-промышленные районы в своей верхней, легко доступной, части полностью разведаны, а иногда и отработаны. Неуклонно уменьшается также число легко открываемых месторождений, выходящих на дневную поверхность или под рыхлые отложения небольшой мощности. Все больше ощущается необходимость перспективной оценки глубоких горизонтов, а также поисков и разведки месторождений, залегающих под мощной толщей непродуктивных отложений. Практика геологоразведочных работ в стране за последние десятилетия показывает, что 70 — 80% средств, выделяемых на геологоразведочную службу, приходилось вкладывать в разведку месторождений.

Успешная разведка глубоко залегающих месторождений немыслима без бурения глубоких разведочных скважин. На буровые работы в последние доперестроечные годы расходовали до 40% ассигнований геологоразведочной службы. С увеличением средней глубины разведочных скважин по России до 500 — 600, а на отдельных месторождениях до 1200 — 1500 м (и выше), еще более повысится относительный расход средств на бурение скважин.

В области бурения, как и в других областях, способствующих развитию материально-технической базы страны, задача состоит в том, чтобы эти вложения использовались разумно и экономно, с максимальным эффектом и выигрышем времени. С этой целью при проектировании геологоразведочных работ большое внимание должно уделяться повышению экономической эффективности, внедрению более совершенных методов разведки, новой техники и технологии бурения, а также повышению качества и скорости разведочных работ. Нет ничего удивительного в том, что требования повышения скорости и качества разведки выдвигаются на передовые позиции.

По мере роста научного и промышленного уровня в любом высокоразвитом государстве все чаще возникает и будет возникать необходимость в экстренных поисках, разведке и передаче в разработку месторождений дефицитного и нетрадиционного минерального сырья. Например, в 70−80-е годы в СССР решением некоторых из подобных задач занимались производственные геологические объединения (ПГО) Первого главка. В Сибири это Степное, Березовское, Волковское и другие ПГО. Сама же цель создания этих организаций и поставленные перед ними задачи привели их руководство и технический персонал к тому, что они постоянно и целенаправленно стремились к повышению скорости разведки месторождений, а соответственно и к повышению скоростей бурения скважин. В этих организациях очень скоро осознали необходимость комплексного системного подхода к решению задачи постоянного повышения скорости бурения скважин. Совершенствовали буровую технику, технологию и организацию буровых работ. Создавали собственной конструкции буровые снаряды, забойные машины и устройства, изготавливали даже буровые установки. С этой целью ПГО имели конструкторские и технологические группы, а также необходимую базу для производства буровой техники.

Опыт работ отмеченных организаций заслуживает специального обобщения и пропаганды. Здесь же отметим лишь то, что применение специализированной и приспособленной к местным условиям буровой техники, организации работ и постоянный поиск неиспользованных возможностей приводили указанные организации к значительному повышению производительности и качества буровых работ. Так, по Волховскому ПГО скорость бурения в последние доперестроечные годы росла следующим образом (в м/ст.-мес.): в 1985 г. — 3505, в 1986 г. — 4198, в 1987 г. — 4828, в 1988 г. — 4480, в 1989 г. — 5025. Наибольший рост скорости бурения наблюдался при алмазном бурении. Указанный уровень скоростей в 4 — 4,5 раза (а иногда и больше) был выше, чем в остальных ПРО МинГео СССР.

По мере продвижения по избранному пути руководство отмеченных ПГО все больше средств выделяло на научные исследования в области техники и технологии бурения, привлекая к исследованиям и разработкам ВУЗы, НИИ и академические институты. Эта тенденция была вполне закономерной. т.к. рано или поздно наступает период применения наукоемкой техники, технологии и организации работ. Этот этап особенно наглядно стал проявляться в начале — средине восьмидесятых годов. Так, Березовское ПГО финансировало несколько хоздоговорных работ по созданию перспективных технических средств, промывочных жидкостей и тампонажных смесей новых поколений с необычными для буровой практики свойствами, а так же технологий их применения. В этом направлении были достигнуты значительные успехи, однако экономическая перестройка страны заставила отказаться от многих перспективных научных исследований и разработок, резко снизить темпы работ по другим и даже сменить тематику исследований и ОКР с целью выживания в новых экономических условиях.

По мере роста скоростей бурения в упомянутых ПГО все чаще стали наблюдаться случаи, когда требование высоких скоростей бурения приходило в противоречие с другими требованиями, предъявляемыми к разведочным работам. В первую очередь к ним относится надежность данных геологической разведки и повышение качества буровых работ. Со средины восьмидесятых годов на такой же уровень выходит требование экологической чистоты геологической разведки, а с экономической перестройкойособое значение приобретает требование экономичности работ и, как частный вопрос, требование максимального энергосбережения при всех трудоемких работах. При таких требованиях и ограничениях, а так же достигнутых уровнях и темпах роста скоростей бурения, далеко не всякие научные, конструкторские и технологические работы могут приобрести право на разработку и внедрение.

Технико-экономическими исследованиями, выполненными в СКБ МинГео СССР по обоснованию путей совершенствования буровой техники в последней пятилетке убедительно было доказано, что при современном развитии техники и структуре затрат времени на отдельные технологические операции нельзя добиться существенного (порядка двукратного) увеличения скорости бурения скважин путем совершенствования одного какого-либо процесса. Этой цели можно достичь лишь совершенствованием комплекса основных трудоемких процессов, что вполне согласуется с технической политикой упомянутых выше ПГО.

В силу изложенного нами также был принят комплексный подход к решению проблемы повышения скорости бурения, но путем исследования значительного количества наукоемких вопросов и на их основе был выполнен ряд технических разработок. В первую очередь осуществлен значительный объем исследований по бурению алмазными коронками в твердых породах с наложением ударных импульсов, как одного из способов интенсификации бурения геологоразведочных скважин, а также исследования по созданию промывочных жидкостей с повышенными смазочными свойствами и др.

По мере выполнения исследований по разрушению пород мелкоалмазным инструментом (как при статическом, так и динамическом нагру-жении) становилось все очевиднее значительное различие процессов разрушения пород мелкими (алмазными) и крупными (твёрдосплавными) резцами, ошибочность и малоэффективность применения к процессу алмазного бурения физико-технических характеристик пород, полученных экспериментальными методами, разработанными для резцового и шарошечного инструмента, необходимость в дифференциации и конкретизации понятий твердости и абразивности горных пород применительно к разрушению их алмазами. Именно эти две физико-технические характеристики пород, в первую очередь, создают фундамент для объективного исследования забойных процессов, обоснованного проектирования и применения породо-разрушающего инструмента. Поэтому значительный объем исследований посвящен разработке объективных способов и специальных средств определения показателей твердости и абразивности горных пород, отражающих специфику разрушения забоя алмазным инструментом, большое внимание уделено разработке методики определения твердости и абразивности пород.

Основной объем исследований выполнен на кафедре техники разведки Томского политехнического университета, и незначительная часть — на кафедре технологии и техники разведки Красноярской государственной академии цветных металлов и золота. Некоторые из этих исследований выполнялись для СКБ МинГео СССР, Западно-Сибирского и Березовского ПГО, другие (в основном после 1990 г) — на инициативной основе (как логическое продолжение прежних работ) — для получения единого комплекса, пригодного для организаций, занимающихся исследованиями алмазного бурения, разработкой алмазного породоразрушающего инструмента или скоростной разведкой месторождений.

Основные положения, результаты теоретических исследований и конкретные разработки докладывались на научных семинарах кафедры техники разведки Томского политехнического университета (1969;1981, 1983, 1984, 1989, 1994 и 1997 гг.), на технических советах и школах передового опыта Западно-Сибирского (1976 — 1981 гг.) и Березовского (1985;1990 гг.) ПГО, на технических советах отдела гидроударных машин СКБ МинГео СССР (1972 — 1976 гг.), на трех Всесоюзных конференциях «Разрушение горных пород при бурении скважин» (Уфа: 1978, 1982 и 1986 гг.), на научно-практической конференции «Предупреждение и ликвидация осложнений при бурении глубоких скважин» (Красноярск, 1981 г), на конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика М. А. Усова «Проблемы геологии и разведки месторождений полезных ископаемых Сибири» (Томск, 1983 г), на трех конференциях «Проблемы научно-технического прогресса в бурении геологоразведочных скважин» (Томск, 1984, 1989 и 1994 гг.), на юбилейной конференции, посвященной «25-летию пребывания института цветных металлов и золота (бывш. Минцветметзолото) в г. Красноярске^(Красноярск, 1984 г), на секции экспертно-координационного совета МинГео СССР (Иркутск, 1989 г), на Всесоюзной конференции «Оп.

13 тимизация бурения скважин в сложных условиях" (Донецк, 1991 г), на конферен ции «Научные разработки — геологоразведчикам региона» (Днепропетровск, 199С г), на научно-технических семинарах и советах лаборатории глубокого буренш Крас. НИИГГИМСа (1989 — 1992 гг.).

Основные положения и результаты исследований опубликованы в 3 монографиях, 35 статьях, 1 авторском свидетельстве и 3 депонированных отчетах пс хоздоговорным работам.

Автор приносит большую благодарность всему коллективу кафедры техникг разведки Томского политехнического университета за интерес к работе автора г деловые критические замечания. Особая благодарность заслуженному деятелю науки и техники РФ, чл.-корр. Международгой академии наук высшей школы Лауреату премии Совета министров СССР, д.т.н., проф. С. С. Сулакшину и заслуженному деятелю науки РФ, чл.-корр. Академии технологических наук, д.т.н., проф. Буткину В. Д. за методическую помощь и поддержку при подготовке диссертациидоц. В. Г. Храменкову и инж. В. Н. Козмину за квалифицированные консультации и помощь при создании специального лабораторного оборудования и приборовдоц. И. А, Нейштетеру, A.JI. Неверову, ст.преп. В. А. Дельва и A.B. Матвееву,.

V так же бывшим студентам-дипломникам М. Д. Марьину, М. А. Зуеву, А.Г. Мили-метьеву, М. С. Дмитрюку, И. В. Немцевичу и В. И. Куприенко за участие в экспери ментальных работах.

Ь Постановка задачи и методика исследований.

Основные выводы.

1. Разработаны методы и семейство приборов для лабораторных исследований и производственного контроля основных свойств полимерных растворов, консистентных и полужидких смазок для бурильной колонны, а длятрибомет-ров выполнены детальные метрологические исследования, свидетельствующие о их высоких метрологических характеристиках.

2. На трибометрах со свободно подвешенной маятниковой измерительной системой легко фиксируются колебательные процессы, периодически возникающие при трении бурильных труб о стенки скважины, чего не удаётся фиксировать при измерении сил трения по затраченной энергии.

3. С помощью созданных приборов разработаны полимерные промывочные жидкости с повышенными смазочными свойствами без потери полезных свойств полимерных жидкостей.

4. Полимер-эмульсионные жидкости дают более прочный слой смазочного вещества на трущихся поверхностях, чем эмульсионные. Этот слой способен обеспечить устойчивую работу маятника даже при значительных частотах вращения (1000 — 1500 об/мин) барабана. Поэтому полимер-эмульсионные растворы следует считать более перспективными, чем чистые эмульсии Ленола-32.

5. Из испытанных полимер-эмульсионных жидкостей самыми высокими смазочными свойствами (табл. 35) обладают жидкости из Ленола-32 и полиак-риламида со степенью гидролиза 70 — 90% и приближаются к действию индустриального масла (табл. 34).

6. При вращении барабана в промывочной жидкости наблюдается адсорбция смазочного вещества эмульсий на трущихся металлических поверхностях, а толщина слоя зависит от частоты и времени вращения барабана. При вибрациях маятника наблюдается удаление этого слоя с поверхностей трения.

7. При скольжении стальных вкладышей по стальному барабану, смоченных любой из испытанных жидкостей, с увеличением частоты вращения барабана наблюдаются три характерные области:

— область стабильной работы маятника трибометра (до 500 — 550 об/мин), в которой коэффициент трения меняется незначительно, либо вообще не меняется;

— область вибраций, которой соответствует интервал частот, зависящий от нагрузки и типа промывочной жидкости;

— область стабилизации работы маятника, в начале которой резко, а затем всё медленнее затухают колебания маятника и наблюдается переход к слабому росту или сохранению коэффициента трения (наступает, как правило, при частотах вращения барабана более 900 об/мин).

8. Полимер-эмульсионные растворы, приготовленные из ПАА различной степени гидролиза и Ленола-32, имеют слабо щелочную среду (рН = 7,5 — 8) или нейтральную (рН = 7). Это указывает на возможность использования их с консистентной смазкой КАВС при бурении с обычными снарядами. Эти же растворы можно успешно применять при бурении водочувствительных горных пород.

9. Во всех экспериментах отмечалось снижение (или по крайней мере постоянство) коэффициента трения за счёт адсорбции смазочного вещества Ленол-32. Это подтверждает необходимость углеводородного смазочного слоя на колонне труб, который выполняет КАВС. Однако адсорбция ОТП на трущихся поверхностях приводит к неустойчивой работе маятника (рывки, вибрации). Поэтому в КАВС целесообразно добавлять минеральное масло, для придания большей пластичности смазочного слоя (что и наблюдалось в ГРП-53 Березовского ПГО в бригаде бурового мастера B.C. Лисичкина).

10. Использование полимер-эмульсионных растворов с добавлением омыленного талового пека (ОТП) следует считать не перспективным для бурения с комплексами ССК, т.к. возможны залипання керноприёмника, что подтверждается производственными наблюдениями в ГРП-53. Увеличение щелочности раскомплексами ССК, т.к. возможны залипания керноприёмника, что подтверждается производственными наблюдениями в ГРП-53. Увеличение щелочности раствора ликвидирует залипания, но приводит к смыванию КАВС.

11. Разработана методика определения деструкции полимерных растворов без использования громоздких скважинных моделей.

12. Для оценки влияния механического воздействия на разрушение полимерных цепей следует пользоваться суммарной деформацией, определяемой зависимостью (146).

13. Выявлен способ оценки чувствительности полимеров к механической деструкции, что даёт возможность объективного сопоставления растворов при создании долговечных полимерных жидкостей.

14. Реология растворов товарного и гидролизованного полиакриламида, а также созданных на их основе растворов с повышенными смазочными свойствами, с высокой точностью описывается трёхпараметрическим законом (149), учитывающим механическую деструкцию полимера, поэтому он рекомендуется для решения ряда практических задач (оценки реологических параметров растворов ПАА, расчёта потерь давления при промывке скважин растворами полиакриламида, нормировании их расхода и т. п.).

15. Разработан метод расчёта потерь гидравлического давления при бурении снарядами со съёмными керноприёмниками и промывке скважин полимерными промывочными жидкостями, учитывающая винтообразное движение жидкости в стеснённом затрубном кольцевом пространстве и механическую деструкцию полимеров, что отвечает современным тенденциям развития буровой техники.

16. Компьютерное моделирование, выполненное на основе разработанного метода, показало, что основные потери давления при бурении с ССК возникают при движении бурового раствора в затрубном кольцевом пространстве, а потерями давления в трубах в некоторых случаях можно пренебречь. Основной фактор повышенных потерь давления в затрубном пространстве — малые зазоры между бурильными трубами и скважиной. Рост частоты вращения бурильных труб и деструкция полимеров приводят к снижению потерь давления. Концентрация полимера в растворе увеличивает его эффективную вязкость и, соответственно, увеличивает потери давления.

Исходя из изложенного в данном разделе и полученных выводов, вытекают пятое, шестое и седьмое защищаемые положения:

5. Разработанные полимер-эмульсионные промывочные жидкости на основе гидролизованного до уровня 70−90% полиакриламида, имеющие слабощелочную (рН=7,5−8) или нейтральную (рН-7') среду, обеспечивают более прочный слой смазочного вещества на бурильных трубах, чем эмульсионныедопускают их использование при бурении водочувствительных пород и совместимы с консистентной смазкой КАВС (желательно с добавкой минерального масла).

6. Реологическое поведение полимерных и полимер-эмульсионных промывочных жидкостей на основе гидролизованного до любой степени полиакриламида с высокой точностью (при коэффициенте корреляции 0,980−0,999) описывается трёхпараметрическим законом (149) показатель убывающей экспоненты которого учитывает суммарную деформацию и чувствительность молекул полимера к механической деструкции.

7.Разработанный метод расчёта потерь давления для алмазного колонкового бурения, характеризующегося узким кольцевым затрубным пространством, высокими частотами вращения бурового снаряда и применением полимерных и полимер-эмульсионных промывочных жидкостей, учитывает винтообразное движение жидкости в затрубном кольцевом пространстве, реологические свойства полимерных жидкостей и степень механической деструкции молекул полимера, что соответствует современным тенденциям развития техники и технологии бурения скважин.

5. Эффективность разработок.

5.1. Разработка новых методов исследованийобъективная необходимость.

При исследовании вопросов вращателыю-ударного бурения твёрдых горных пород серийным алмазным инструментом была выявлена недостаточность методов и средств, учитывающих специфику изучаемых процессов. Однако срочность исследований по вращательно-ударному бурению привели к необходимости решать их в основном имеющимся методическим и техническим арсеналом*). Поэтому понимая, что исследования по вращательно-ударному бурению алмазами будут продолжаться долго после получения этим способом права на существование как одного из способов интенсификации бурения скважин в твёрдых породах, в последствии основное внимание сосредоточили на создании методической и экспериментальной базы для дальнейших исследований.

Экспериментально было показано, что агрегатная твёрдость и абразив-ность пород по ЦНИГРИ мало приемлемы для исследований разрушения пород алмазами во вращательно-ударном режиме, но в то же время довольно информативной характеристикой пород является их динамическая прочность. Разработке методов и средств определения недостающих объективных характеристик пород посвящен раздел 2 данной работы.

Создание гидроударных машин (ССГ1, ССК-59ЭВ), работающих совместно с комплексами со съёмными керноприёмниками поставило ряд задач по повышению надёжности и эффективности работы таких объединённых систем. К ним можно отнести разработку специальных полимерных жидкостей для работы комплексов в сложных геологических условиях, разработку промывочных.

Из принципиально новых средств успели, например, создать охлаждаемый водой электроударник с регулируемой энергией ударов, но не успели завершить работы по созданию инвертора для плавной регулировки частоты ударов электроударника и др. жидкостей с повышенными смазочными свойствами, разработку методики расчёта гидравлических потерь при использовании полимерных промывочных жидкостей, разработку простых и надёжных приборов для непрерывного контроля расхода, плотности и смазывающей способности жидкостей и др. Разработке и совершенствованию части из этих вопросов посвящён раздел 4.

В целом, совершенствование и создание новых технологических процессов на современной стадии развития науки и техники представляет собой сложную и длительную процедуру, включающую в себя исследование природы изучаемых процессов и создание на основе установленных объективных фактов новых технических средств и технологических процессов. Эффективность нового поколения техники и технологических процессов, как правило, тем выше, чем на большее количество новых закономерностей они опираются и чем глубже изучена природа положенных в их основу закономерностей материального мира.

Однако, для изучения новых процессов и их особенностей часто возникает необходимость в новых специфичных методах и средствах, учитывающих природу изучаемых процессов (с чем мы и столкнулись). Отсутствие таких методов (или сложность их реализации) порою тормозит развитие науки, техники и технологии на многие десятилетия. Поэтому изучение новых процессов и создание эффективных методов их исследования всегда сложно переплетены и, в сущности, представляют собой двуединый процесс. Однако, когда новые экспериментальные методы и средства созданы, то они (при их большой важности и эффективности) приобретают «статус самостоятельности» и до предела востребованности их фундаментальной идеи развиваются независимо. При этом методы исследования могут служить не только методической основой, но и стимулятором дальнейших исследований в определённой отрасли знания.

В выполненных исследованиях присутствуют все три составляющие: выявление закономерностей, разработка специфических методов исследования, разработка приборов и технологических средств, научные факты и рекомендации для разработки более совершенной техники и технологии бурения. Несмотря на то, что перечисленные этапы значительно переплетены, для достижения системности, результаты будем излагать по отдельным этапам.

5.2. Закономерности технологических процессов.

1. Одной из основных составляющих разрушения горных пород является статическое деформирование породы индентором. До исследований, выполненных нами [183,219,220], нагружение породы единичным алмазным индентором в СССР, в России и за рубежом, выполняли исключительно в динамическом режиме (строгание на различных скоростях и усилиях подачи), подразумевая, что статическое вдавливание мелкого алмазного индентора ни чем не отличается от вдавливания крупного. Однако выполненные нами исследования показали, что процесс статического вдавливания алмазного индентора в твёрдую породу не только количественно, но и качественно отличается от аналогичного процесса при внедрении крупного твердосплавного индентора, т.к. эффекта спонтанного скола породы под индентором, открытого Е. Ф. Эпштейном [307], не происходит. Вокруг алмаза наблюдается постепенное «отшелушивание» частичек породы, даже при большой её твёрдости, а при завершении очередной «формы скола» — едва заметная разгрузка индентора (рис. 6). Этот процесс занимает промежуточное положение между хрупким (спонтанным) сколом под крупным индентором и пластическим деформированием, поэтому он был нами назван псевдопластическим.

Поскольку описанный процесс деформирования пород, как качественно, так и количественно, совершенно не схож с процессом деформирования твёрдой породы при определении агрегатной твёрдости по Л. А. Шрейнеру, и в то же время является основным при внедрении алмазов в породу, то он был положен в основу для разработки метода определения микротвёрдости (микропрочности) пород. Установленная закономерность должна также получить использование при проектировании алмазного инструмента.

2. Экспериментально установлено, что энергоёмкость разрушения твёрдых пород алмазным индентором с ростом приложенной энергии меняется качественно сходным образом, что и при внедрении крупных инденторов Л. А. Шрейнера, т.к. волнообразно уменьшается с ростом приложенной энергии (рис.3). Эту закономерность необходимо учитывать при создании забойных ударных машин, разработке алмазного инструмента и технологии бурения.

3. Величина микротвёрдости (микропрочности) пород в значительной степени зависит от интенсивности нагружения алмазов (даже в пределах технологических возможностей современного оборудования и инструмента) и присутствия между алмазом и породой ПАВ. Первая часть закономерности должна учитываться при разработке методики определения микротвёрдости (микропрочности) пород и обе — при интенсификации технологии бурения.

4. Отдельные измерения микротвёрдости (микропрочности) горных пород с большой точностью распределяются по нормальному закону, а размеры частиц бурового шлама при бурении алмазами — по логарифмически нормальному закону. Причём при вращательно-ударном режиме бурения алмазными коронками диапазон крупных частиц шлама увеличивается за счёт сокращения мелких частиц, что свидетельствует об эффективности вращательно-ударного режима. Закон распределения результатов измерения микротвёрдости создаёт методическую основу для получения характеристик микротвёрдости пород с заданной точностью и надёжностью, а закон распределения величины частиц бурового шлама — для определения характеристик разрушения пород, средств и методов удаления шлама с забоя.

5. Экспериментально на материале большого объёма показано, что абразивный износ алмазного инструмента обуславливается не только действием бурового шлама, но главным образом естественной абразивностью породы в целике, обусловленной различием в твёрдости слагающих минералов, связующего цемента, дефектами и неоднородностями строения, а также шероховатостью забоя, обусловленной особенностями режущего аппарата породоразрушающего инструмента.

Это использовано в разработанном способе определения абразивности горных пород по суммарному действию всех забойных факторов износа эталонных стержней о постоянно обновляющийся забой экспериментальной скважины. Установленный факт может найти использование при разработке алмазного и комбинированного породоразрушающего инструмента, включая специфический алмазный инструмент для пород средней твёрдости.

6. На большом количестве жидкостей и композиций, созданных на основе гидролизованного полиакриламида, показано, что их реологическое поведение с большой точностью описывается законом Оствальда-де Ваале, а механическая деструкция молекул полимера подчиняется убывающей экспоненте, показатель которой является чувствительностью полимера к механической деструкции.

Использование отмеченных закономерностей в сочетании с учётом винтообразного движения жидкости в узком кольцевом пространстве скважины позволило разработать современную методику расчёта потерь давления при движении полимерных растворов по бурильным трубам и скважине.

Установленный показатель чувствительности полимеров к механической деструкции в сочетании с разработанным устройством для реализации в лабораторных условиях деструкции полимерных растворов создают основу для экспериментальных исследований без применения сложных скважинных моделей при разработке буровых растворов с высокой устойчивостью к механической деструкции.

7. На большом количестве опытов экспериментально установлено, что по лимер-эмульсионные растворы дают более прочный смазочный слой, чем чисто эмульсионный. Самыми высокими смазочными свойствами (приближающимися к свойствам индустриального масла) обладают жидкости из Ленола-32 и полиакриламида со степенью гидролиза 70−90%. Эта особенность отмеченной композиции позволяет снизить энергетические затраты при бурении глубоких скважин.

8. При относительном движении частей трущейся пары в любой смазочной жидкости или композиции наблюдается адсорбция смазочного вещества на трущихся металлических поверхностях, а толщина слоя смазки зависит от скорости и времени перемещений, т. е. от частоты и времени вращения бурильной колонны в скважине. При вибрациях колонны — смазка удаляется. Эта закономерность позволяет сформулировать технологические правила применения смазочных промывочных жидкостей.

5.3. Объективность разработок.

Все разработанные методы при их создании опирались на надёжно установленные закономерности или проходили дополнительную экспериментальною проверку на объективность получаемых в результате их применения данных, а основанные на них экспериментальные средства — на точность и чувствительность показаний.

Так, при разработке метода определения микротвёрдости (микропрочности) пород было выполнено большое количество опытов на различных горных породах для обоснования приемлемого коэффициента формы и режимных параметров нагружения индентора, обеспечивающих максимум идентичности лабораторных условий производственным при бурении алмазным инструментом (п.п. 2.1.2, 2.1.3). Выполнены исследования корреляционных связей механической скорости алмазного бурения с агрегатной твёрдостью и микротвёрдостью пород и показало, что связь скорости бурения с микротвёрдостью более тесная, чем с агрегатной твёрдостью (п. 2.1.7). Экспериментально показано также, что точность и чувствительность метода микротвёрдости (п. 2.1.5) вполне достаточны для исследования различных эффектов при разрушении горных пород (анизотропии микротвёрдости, влияния на микротвёрдость ПАВ).

При разработке метода определения абразивности пород большое внимание уделено моделированию забойных условий, возможности применения истираемых элементов из материалов, соответствующих материалам матриц алмазного инструмента, возможности создания линейной скорости их перемещения и нагружения, соответствующих реальным в производственных условиях (п.п. 2.2.4, 2.2.5, 2.2.8).

Об объективности метода определения категорий горных пород по абра-зивности и геофизическим данным можно лишь отметить, что они опираются на уже обоснованные и опробованные методы: описанный метод определения аб-разивности пород по истиранию эталонных элементов об обновляющийся забой скважины и хорошо отработанные в производственных условиях геофизические методы.

Объективность метода оценки чувствительности полимеров к механической деструкции подтверждается большим количеством исследованных полимерных жидкостей и их композиций, а также закономерным изменением чувствительности полимерных растворов с изменением степени гидролиза ПАА.

Несколько особняком стоит разработанный метод расчёта потерь давления. В работе показано лишь принципиальное отличие положенных в его основу принципов (которые несомненно современнее и прогрессивнее традиционных) и различие расчётных величин, поллченных по традиционной и созданной нами методике, т.к. экспериментальная проверка требует больших производственных затрат, что в настоящее время практически не реально. Однако, постановка вопроса о необходимости новой методики расчёта давления, положенные в её основу идеи и реализация новой методики уже имеют значительную ценность.

Приборы, созданные на основе отмеченных выше методах, проходили испытания на точность и чувствительность. Это касается прибора для определения микротвёрдости (микропрочности) горных пород (п.п. 2.1.5, 2.1.7), установки и скважинного снаряда для определения абразивности пород и коэффициенте трения материалов о горные породы (п.п. 2.2.8, 2.2.9, 2.2.10). Особое внимание уделено исследованию точности и чувствительности показаний приборов типТЖ, поскольку их сущность и конструкции таковы, что допускают аналитиче ское исследование метрологических характеристик (п. 4.1.2).

5.4. Разработанные методы и средстваметодическая основа для дальнейших исследований.

В данной работе создан целый комплекс новых методов, методик и средств их реализации (стенды, приборы устройства), которые в значительной мере восполняют имеющийся пробел в экспериментальной и производственной практике.

К разработанным методам и методикам можно отнести: метод определения микротвёрдости и микропрочности пород, метод определения абразивного действия забоя на породоразрушающий инструмент, метод определения коэффициента трения технических материалов об обновляющийся забой скважины, метод определения категорий горных пород по буримости (по абразивности и геофизическим данным), метод определения смазочной способности промывочных жидкостей (с помощью свободно подвешенной маятниковой системы), метод определения чувствительности полимерных растворов к механической деструкции, методика расчёта потерь давления при прокачивании полимерных жидкостей по бурильным трубам и скважине, комплексная методика расчёта технических показателей абразивных свойств горных пород и расчёта износа забойного инструмента.

Каждый из перечисленных методов либо является принципиально новым, либо имеет существенные преимущества перед имеющимися и предназначенными для аналогичных целей. Так, метод микротвёрдости и микропрочности учитывает совершенно специфичную механику разрушения твёрдых пород алмазным индентором (не свойственную для крупных стальных и твёрдосплавных инденторов) и фиксирует в основном твёрдость минералов, а не породы в целом. Поэтому этот метод даёт возможность дополнительно оценить структурную составляющую абразивности твёрдых пород, чего не обеспечивает агрегатная твёрдость (п. 2.1.).

Метод определения абразивного действия забоя на породоразрушающий инструмент основан на комплексном учёте всех факторов абразивного действия забоя, а износ эталонного технического материала производится о постоянно обновляющийся забой скважины при обычных забойных условиях, включая вид промывочной жидкости и интенсивность промывки забоя (п. 2.2). Кроме того, он позволяет определить коэффициент трения породоразрушающих элементов о забой скважины, что имеет существенное значения при исследовании или разработке многих вопросов (например, при разработке промывочных жидкостей с особыми свойствами). Такими качествами не обладает ни один из известных методов.

Оригинальность метода определения буримости пород по их абразивно-сти (определённой по разработанному нами методу) и геофизическим данным (п. 2.3) состоит в том, что при соответствующих предварительных работах по изучению абразивности пород на месторождении, процесс определения категорий пород по скважинам может быть автоматизирован и компьютеризирован. В этом случае значительно сокращаются сроки обработки кернового материала и удешевляются геологические работы.

Вопрос о лабораторном изучении смазочной способности полимерных и полимер-эмульсионных промывочных жидкостей лабораторным путём с помощью свободно подвешенной маятниковой системы (которая в большей мере соответствует свободно вращающейся колонне в скважине, чем система с жестким приводом) впервые был поставлен и осуществлён нами. Разработаны соответствующие методики определения смазочной эффективности жидкостей и точности показаний приборов. С помощью этого метода уже удалось обнаружить несколько эффектов, не фиксируемых другими методами (п. 4.2).

Метод определения чувствительности полимерных жидкостей к механической деструкции позволяет при использовании очень простых лабораторных устройств и вискозиметра ВСН-3 получить показатель чувствительности, легко учитываемый в реологическом уравнении промывочной жидкости. При этом отпадает необходимость в сложных скважинных моделях, а точность результатов очень высокая, т.к. позволяет получить реологические уравнения с коэффициентом корреляции 0,980 — 0,999. Этот метод (при его незначительной трудоёмкости и высокой точности) может служить основным методом при разработке растворов с высокой устойчивостью к механической деструкции.

Методика расчёта потерь давления при бурении со съёмными кернопри-ёмниками имеет большое значение при определении возможностей этого вида бурения. Однако особо важное значение она приобретает, когда необходимо выполнить соответствующие расчёты для комплекса, состоящего из снаряда со съёмным керноприёмником и съёмной гидроударной машины. В этом случае ошибки расчёта по традиционной методике могут быть особо значительными, что несомненно повлечёт за собой всякого рода технические осложнения, а затем трудоёмкие, длительные и дорогостоящие эксперименты.

Для практического использования разработанных методов и производственной реализации разработанных рекомендаций был создан комплекс приборов и устройств: микротвёрдомеры (УМГП-Зм и автоматический), трибометры, трибометр-адгезиометр, проточный плотномер, прибор для непрерывного контроля за смазочной способностью промывочных жидкостей, стенд и снаряды для определения абразивности горных пород и коэффициента трения технических материалов о забой скважины.

Полезность и эффективность перечисленных методов и средств вполне очевидна. Так, разработанные методы и экспериментальные приборы позволяют исключить (или значительно сократить) производственные эксперименты на стадии разработки режимов бурения, различных промывочных жидкостей с заданными свойствами и т. п. Использование, например, методик определения смазывающей способности позволило исключить ряд трудоёмких и длительных производственных экспериментов по определению оптимального количества эмульсола и времени, в течение которого полимер разрушается до определённого уровня. В лаборатории были установлены оптимальные количества сульфо-нола и омыленного талового пека в промывочном растворе, обеспечивающем минимальное снижение нагрузки на забой по сравнению с нагрузкой на устье.

При исследованиях, выполненных на трибометрах были обнаружены зоны вибраций, приуроченные к определённым сочетаниям усилия сжатия трущихся пар и частот вращения барабана. При снижении и увеличении частоты вращения барабана наблюдалась спокойная работа маятника (без колебаний). На величину колебаний влияют вязкость полимер-эмульсионного раствора, а также тип эмульсола. Например, на одних и тех же режимах работы трибометра Ленол-32 не создаёт рывков, а омыленный таловый пек создаёт значительные колебания, что связано с адсорбцией смол на металле и возникающей шероховатостью поверхности барабана.

Описанные явления многократно наблюдали при бурении скважин комплексами ССК-46 и 59 в ГРП-53 Березовского ПГО. Так, применение 1%-ой эмульсии из ОТП наряд} со снижением затрат мощности приводило к «залипанню» керноприёмников. Несмотря на то, что применение такой эмульсии в сочетании с КАВСом позволило бригаде № 48 работать на форсированных режимах и установить рекорд скорости по ПГО (1784 п.м. на ст.- мес. при средней категории пород по буримости равной 9,1) пришлось отказаться от применения ОТП. В этой же бригаде в результате длительных экспериментов был сделан вывод о необходимости добавления индустриального масла к КАВСу для повышения пластичности смазки. Аналогичный вывод был сделан в лаборатории при исследованиях с Ленолом-32 и ОТП с помощью трибометра ТЖ-1м, но чтобы придти к такому выводу и установить рациональное количество добавляемого масла оказалось достаточно 4 часов экспериментальных работ.

5.5. Экономическая эффективность разработок.

Вклад, внесённый в развитие гидроударно-алмазного бурения результатами работ, изложенными в п. З, главным конструктором СКБ по инструменту А. Т. Киселёвым оценен в 25%. Учитывая, что экономическая годовая эффективность нового способа по сравнению с алмазным вращательным бурением на момент выдачи справки (1976 г) по стране составляла 600 тыс. руб., годовая эффективность наших разработок составит 150 тыс. руб. (в ценах 1976 года).

Внедрение растворов со смазочными свойствами на объектах работ Березовского ПГО в 1989 г. позволило :

1) снизить затраты мощности на бурение на 25−30% по сравнению с затратами мощности при бурении с безглинистыми растворами на основе товарного ПАА;

2) при бурении трещиноватых пород иметь значительно меньшее количество подклинок керна.

Так, при бурении ССК-46 с полимерным раствором на основе ГПАА с содержанием 0,1 масс. % ПАА длина рейса была в 5 — 6 раз больше, чем при бурении с водой.

Экономическую эффективность использования разработанных методов и технических средств определить крайне сложно по многим причинам и их полезность скорее определяется научной ценностью.

Основные в ы в оды.

1. Разработка новых методов, методик и технических средств для экспериментальных исследований вызвана объективной необходимостью постоянного совершенствования техники и технологии бурения скважин.

2. Основой для разработки специализированных (конкретно-научных) методов исследования, учитывающих природу исследуемых процессов, могут быть только закономерности протекания интересующих процессов.

3. Созданные методы, экспериментальные и производственные средства их реализации являются методической основой для дальнейших исследований на более высоком уровне.

Заключение

.

Данная работа содержит комплекс теоретических и экспериментальных исследований, являющихся определённым вкладом в становление и развитие вращательно-ударного бурения, а результаты п. 2 и 4 носят общий характер и применимы к алмазному бурению в целом. Научная и практическая ценность выполненных исследований показана в п. 5. Полученные научные результаты, созданные методы, методики и технические средства ценны ещё и тем, что открывают путь к дальнейшим исследованиям как прежних, так и качественно новых научных проблем на более высоком уровне.

Так, разработка метода определения микротвёрдости горных пород и подтверждение его научной и практической эффективности ставит целый комплекс новых научных и практических задач. Преимущества этого метода перед методом агрегатной твёрдости при исследовании вопросов алмазного бурения могут раскрыться особенно ярко при изучении пространственной неоднородности микротвёрдости горных пород, которая может стать основой для разработки аналитической теории износа алмазного инструмента, разрушения забоя и искривления алмазных скважин. При использовании метода агрегатной твёрдости такие тонкие эффекты либо не фиксируются, либо фиксироваться приближённо, хотя бы потому, что разрушение пород алмазами производится в тонком приповерхностном слое, а при определении агрегатной твёрдости порода разрушается на значительно большую глубину. Приповерхностный слой, как известно, всегда покрыт трещинами предразрушения и в значительно большей мере подвержен действию ПАВ.

Список исследований с применением метода микротвёрдости пород на этом далеко не исчерпывается. Многообещающими являются вопросы изучения влияния типа (в отношении строения пород) и величины неоднородности микротвёрдости на износ породоразрушающего инструментаопределение рациональной износостойкости матрицы алмазной коронки в зависимости от типа и величины неоднородности микротвёрдости пород, зернистости и насыщенности матрицы коронки алмазамиисследование анизотропии микротвёрдости основных типов горных пород и её связи с геологическими структурамиразработка метода определения усреднённого коэффициента формы резцов в буровом инструменте для алмазов различных групп и зернистости, что позволило бы по микротвёрдости пород определять величину погружения алмазного вооружения в породу при заданном усилии подачи, не прибегая к сложным и неточным расчётам с применением теории упругости (пластичности) — накопление фактического материала по микротвёрдости пород и разработка классификации, пригодной для основных геологических регионов страны.

Динамический характер разрушения пород при вращательно-ударном способе является аргументом в пользу разработки метода определения динамической микротвёрдости горных пород, которая с большой степенью вероятности имела бы более тесную корреляционную связь со скоростью бурения, чем статическая микротвёрдость. О целесообразности разработки такого метода говорит и тот факт, что скорость вращательно-ударного бурения хорошо коррелирует с коэффициентом динамической прочности пород по методу толчения, несмотря на то, что разрушение породы при этом методе далеко не соответствует микроразрушению пород алмазами.

Нецелесообразность применения вращательно-ударного бурения в пластичных породах со значительной динамической прочностью указывает на необходимость разработки метода определения хрупкости пород, который позволил бы точнее определить область рационального применения вращательно-ударного способа и, возможно, расширить её рамки.

Не меньший научный и практический интерес представляет совершенствование методики расчёта показателей абразивности горных пород и разработка на их основе обобщённых методов расчёта износа алмазного инструментаразработка классификации горных пород по буримости алмазным способом на основе учёта микротвёрдости, структурной неоднородности микротвёрдости, аб-разивности и хрупкости (пластичности).

Большое практическое значение имела бы разработка полимерных промывочных жидкостей с повышенной стойкостью к механической деструкции полимера. Теоретическое решение этого вопроса в обозримом будущем, как крайне сложного в химическом и физико-химическом отношениях, представляется мало вероятным. Упомянутые отрасли знания в решении поставленной задачи могут играть лишь вспомогательную роль. Например, оказать существенную помощь в подборе исходных веществ. Однако поставленную задачу можно решить современными методами оптимизации по критерию чувствительности полимерных жидкостей к механической деструкции. Методика и экспериментальная техника определения чувствительности полимеров к деструкции достаточно разработаны и описаны в п. 4.

Одним из сложных и пока не поддающихся научному обоснованию и тем более сравнительно точному математическому расчёту является вопрос о достаточной интенсивности промывки забоя скважин полимерными промывочными жидкостями для очистки с минимальными затратами энергии. Обычно для решения такого вопроса требуется задаться формой и размерами частиц бурового шлама, выбор которых производится довольно произвольно, а потому с просчётами в широких пределах. Результаты работ по исследованию фракционного состава бурового шлама при алмазном бурении (п. 3.9) совместно с результатами исследования гидравлики полимерных растворов при бурении скважин (п. 4.4} позволяют разработать своеобразную статистическую теорию промывки скважин, лишенную отмеченных недостатков.

Из приведённого следует, что алмазный способ бурения скважин в твёрдых породах далеко не исчерпал свои резервы в отношении совершенствования, а изложенные в работе результаты исследований не только увеличивают его возможности, но и в совокупности с разработками других исследователей открывают перспективы дальнейшего всестороннего развития.