Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле
На правах рукописи
КОЛОМИЕЦ Алексей Маркович
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СООРУЖЕНИЯ
ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
НА ОСНОВЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ
Специальность 25.00.14 Ц Технология и техника геологоразведочных работ
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
доктора технических наук
Москва Ц 2011
Работа выполнена в Федеральном государственном геологическом предприятии Волгагеология (г. Н.Новгород) и Российском государственном геологоразведочном университете имени С. Орджоникидзе (г. Москва).
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Калинин Анатолий Георгиевич
доктор технических наук, профессор
Третьяк Александр Яковлевич
доктор технических наук
Будюков Юрий Евдокимович
Ведущее предприятие: ФГУГП Гидроспецгеология.
Защита состоится л22 июня 2011 г. в 15.00 часов ауд. 4-15А на заседании диссертационного совета Да212.121.05 при Российском государственном геологоразведочном университете имени С. Орджоникидзе.
Адрес: 117997, Москва, ул.Миклухо-Маклая, д. 23.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.
Автореферат разослан л________________2011 г.
Учёный секретарь диссертационного совета,
кандидат технических наук А.П. Назаров
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В настоящее время всё более актуальное значение имеет использование подземных вод для обеспечения, прежде всего, питьевых потребностей населения страны. Это обусловлено всё более нарастающим отрицательным воздействием техногенного и антропогенного воздействия на поверхностные ресурсы пресных вод, а также нарастающей опасностью нежелательного воздействия на их качество.
В 2006 г. вышло Постановление Правительства РФ Об утверждении правил резервирования источников питьевого водоснабжения № 703, в котором декларируется необходимость обеспечения подземной водой (именно - защищёнными источниками водоснабжения!) крупных и средних городов России.
В Приволжском федеральном округе Коллегией аппарата Уполномоченного представителя Президента РФ 26.12.2008 г. принято Постановление О состоянии экологической безопасности на территории субъектов РФ, находящихся в пределах ПФО, где также констатируется острая необходимость обеспечения больших и средних городов защищённой от внешнего воздействия подземной водой. Аналогичные решения приняты и руководителями других федеральных округов России, а также руководством большинства субъектов Российской Федерации. Наконец, в 2010 г. по инициативе партии Единая Россия принята программа Чистая вода.
Таким образом, актуальность разработки рациональных, эффективных технологий сооружения скважин на воду приобретает особую актуальность.
Известно, что более половины (по некоторым данным - до 60%) используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения подземных вод приурочено к рыхлым неустойчивым песчано-гравийным отложениям. Вместе с тем, существующие технологии сооружения скважин, вскрытия и освоения водоносных горизонтов в таких условиях с применением глинистых промывочных жидкостей, технической воды, ударно-канатного способа либо не обеспечивали надлежащего уровня освоения водоносных горизонтов, либо отличались высокой аварийностью и металлоёмкостью.
Поэтому различным проблемам и аспектам сооружения скважин в таких условиях уделялось большое внимание, именно на них автор сосредоточил направление своих исследований. Большое внимание было уделено анализу и научной разработке различных проблем и задач буровых промывочных жидкостей, созданию эффективных типов буровых растворов и технологий их применения.
В России в настоящее время существенно нарастает интерес к развитию отрасли производства нерудных строительных материалов, к поискам и разведке дефицитных для российской экономики полезных ископаемых, приуроченных к россыпям.
При разведке твёрдых полезных ископаемых решающее место отводится бурению скважин. Технология сооружения скважин такого назначения, залегающих в сложных горно-геологических условиях, связана с серьёзными трудностями по отбору кондиционного керна, борьбой с осложнениями и авариями.
Поэтому автором рассматривается задача теоретической разработки и создания новых рациональных технологий, прежде всего за счёт создания принципиально новых промывочных жидкостей, технологии и техническим средствам их эффективного применения.
Цель работы: Повышение эффективности сооружения геоло-горазведочных скважин в сложных геологических условиях за счёт разработки научных основ теории и технологий создания высокоэффективных очистных агентов на базе многокомпонентных полимерных промывочных жидкостей и газожидкостных систем.
Основные задачи исследований:
- разработка методологии оценки базовых технологий сооружения скважин на воду в сложных условиях и критериев их выбора в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий;
- исследование широкого аспекта технологических и санитарно-гигиенических параметров ряда водорастворимых полимеров с целью создания на их базе принципиально новых эффективных промывочных жидкостей;
- разработка принципиально новых безглинистых полимерных промывочных жидкостей для бурения скважин на воду в рыхлых неустойчивых отложениях;
- разработка новой эффективной технологии бурения скважин на воду в рыхлых неустойчивых отложениях с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей;
- разработка новых эффективных технологий и технических средств бурения скважин на твёрдые полезные ископаемые в сложных условиях с использованием водорастворимых полимеров.
Методы исследований. Поставленные в данной диссертационной работе задачи исследовались и решались с помощью широкого спектра методов. Это научное обобщение передового опыта российской и мировой практики по теме исследований, анализ и научное обобщение собственного производственного опыта, лабораторные, стендовые, полигонные испытания и широкая производственная апробация их результатов.
Настоящая диссертация базируется на результатах теоретических и технологических исследований, производственных экспериментов, выполненных автором и под его руководством в ФГУГП Волгагеология, ФГУГП Центргеология, Востокбурводе, в Болгарии, Монголии, Эфиопии, Мавритании.
абораторные и стендовые исследования велись на созданных с участием автора технических средств и методик.
Научная новизна:
1. Установлены и исследованы закономерности взаимодействия ряда водорастворимых полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ) с ионами поливалентных металлов, характерных для пресных подземных вод, а также между собой, что позволило рекомендовать их, а затем широко внедрить в практику гидрогеологического бурения в сложных условиях.
2. Установлены закономерности формирования устойчивости рыхлых песчаных стенок скважин в зависимости от гранулометрического состава песков и параметров промывочных жидкостей.
3. Открыто явление образования гель-агрегатов, как результата взаимодействия водорастворимых полимеров с подземными водами, являющихся наиболее существенным фактором надёжной кольматации песчаных водоносных горизонтов, изучен общий механизм кольматации и декольматации песчаных водоносных горизонтов при бурении по ним с промывкой безглинистыми полимерными промывочными жидкостями.
4. Открыто явление кавитационной эрозии забоя скважин при бурении с ГЖС и доказана возможность его системного целевого использования при бурении с ГЖС по твёрдым и крепким породам.
5. Выявлена зависимость упрочнения в скважине во времени предложенных нами гель-цементов (ПГЦС) в связи со свойством содержащихся в них полимеров взаимодействовать с ионами поливалентных металлов подземных вод.
6. Разработана методология оценки базовых технологий сооружения гидрогеологических скважин в сложных условиях и разработаны критерии их выбора в конкретных геолого-гидрогеологических условиях.
Практическая ценность и реализация работы в производстве
На основе выполненных исследований разработаны принципиально новые эффективные технологии сооружения скважин на воду в сложных условиях. Они широко внедрены в практику работ в ФГУГП Волгагеология, входили как основные мероприятия в планы внедрения новой техники Мингео СССР в 80-е годы, успешно применялись в других организациях нашей страны и за рубежом - в Монголии, Эфиопии, Мавритании, Болгарии.
Разработанные технологии позволили при существенном сокращении затрат повысить эффективность вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных условиях, повысить достоверность получаемых гидрогеологических параметров, полноту и качество получаемого кернового материала, значительно повысить коммерческие скорости бурения, резко сократить сроки разведки месторождений полезных ископаемых (воды; строительных, стекольных и формовочных песков, каменно-строительных материалов, россыпей, солей и др.).
Результаты выполненных исследований могут быть использованы в учебном процессе геологических и геологоразведочных учебных заведений.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы неоднократно докладывались на научно-технических совещаниях и школах передового опыта в ПГО Центргеология и ФГУГП Волгагеология, в тресте Востокбурвод; на II, III и IV Международных симпозиумах (г. Санкт-Петербург) в 1992, 1995 и 1998 годах; на 2, 6, 7, 8, 9, 10, 11 и 12 Международных научно-промышленных форумах Великие Реки (г. Н.Новгород) в 2000, 2004-2010 годах; Международном симпозиуме Горно-геологической службе России 300 лет (г. Санкт-Петербург, 2000 г.); на 1, 2 и 3 съездах Горнопромышленники России (г. Москва) в 1998, 2002 и 2006 годах; форуме Стратегии регионального развития (г. Пермь, 2002г.); на Х Международном промышленно-экономическом форуме Единая Россия (г. Н.Новгород, 2005 г.), Международном геологическом конгрессе (г. Флоренция, 2006г.), научно-практических конференциях МГГА (МГРИ) (г. Москва, 1998 г., 2002 г.), заседании Учёного Совета ВСЕГЕИ (г. Санкт-Петербург, 2007 г.); Международном гидрогеологическом симпозиуме во ВСЕГИНГЕО (Московская обл., п.Зелёный, 2011 г.); Международном геологическом симпозиуме в Китае (г. Пекин, 2006г.); Международном симпозиуме Минеральные ресурсы Монголии в XXI веке (г. Улан-Батор, 2006 г.) и многих других.
Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в монографиях Прогрессивная технология бурения гидро-геологических скважин (1992 г.), Оптимизация процессов разведочного бурения (1997 г.), Новые технологии и технические средства для сооружения, освоения и ликвидации гидрогеологических скважин (2002 г.), Инновационные инженерные решения и их экономические оценки (2005 г.), Новые технические средства и технологии для бурения скважин на воду и нерудное сырьё (2010 г.), Некоторые предложения по методике оценки условий применения базовых технологий бурения (2001 г.), 76 печатных брошюрах и статьях, 12 авторских свидетельствах и 4 патентах.
Из них 9 статей изданы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученых степеней доктора наук.
Объём и структура диссертации.
Диссертационная работа изложена на 260 страницах машинописного листа, иллюстрирована 18 таблицами и 28 рисунками. Список литературы состоит из 148 источников.
Диссертация состоит из введения, 5-ти глав и заключения.
В первой главе дан анализ существующих технологий сооружения гидрогеологических скважин в сложных условиях песчано-гравийных отложений и анализ применяемых промывочных жидкостей для вскрытия и освоения водоносных горизонтов в этих условиях.
Во второй главе диссертации изложено содержание лабораторных, стендовых, полигонных, а также технологических свойств полимерных промывочных жидкостей, определению граничных условий их применения при гидрогеологическом бурении.
В третьей главе изложено содержание производственных исследований по выработке инновационных технологий вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных условиях песчано-гравийных отложений с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей.
В четвёртой главе исследуются и разрабатываются инновационные технологии сооружения скважин на нерудное сырье и россыпи в сложных условиях с применением полимерных промывочных жидкостей.
В пятой главе анализируются аспекты экономической эффективности от внедрения предлагаемых научно-производственных разработок.
Основные защищаемые положения
Первое защищаемое положение.
Для надёжного вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных условиях рыхлых неустойчивых песчано-гравийных отложений необходимо применять принципиально новые безглинистые полимерные промывочные жидкости в связи с тем, что они обеспечивают безаварийность бурового процесса, полноту и достоверность получаемых гидрогеологических параметров в этих условиях за счёт механизма взаимодействия молекул полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ) между собой и с ионами поливалентных металлов, характерных для подземных вод питьевого назначения. Это позволило разработать, исследовать и внедрить в производство новые эффективные технологии вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных условиях с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей.
При вскрытии и освоении водоносных горизонтов, приуроченных к рыхлым песчаным отложениям, которые во многих регионах являются основным источником водоснабжения, промывочная жидкость должна обладать следующими основными свойствами:
-аобеспечивать достаточно надёжную кольматацию водоносного горизонта в процессе бурения для снижения фильтрационного расхода и повышения устойчивости стенок скважин;
-ане препятствовать быстрой и эффективной декольматации водоносного горизонта с целью получения достоверной геолого-гидрогеологической информации, позволяющей чётко прогнозировать количество и качество отбираемой из скважины воды;
-асодержать минимальное количество твёрдой фазы для уменьшения абразивного износа инструмента и улучшения буримости пород;
-аобладать хорошими несущими свойствами для обеспечения эффективного выноса шлама с забоя и уменьшения осложнений в виде прихватов бурового снаряда;
-абыть нетоксичной, экологически безопасной, дешёвой и доступной для широкого применения.
Как показывает практика работ, наиболее полно этим требованиям отвечают разработанные и научно-обоснованные нами полимерные безглинистые промывочные жидкости на основе реагентов гипан-1, КМЦ и ВПРГ.
Первой полимерной безглинистой промывочной жидкостью, разработанной, изученной и внедрённой в ГП Волгагеология по предложению, под руководством и при личном участии автора были водогипановые растворы (ВГР). С целью изучения технологических свойств водогипановых растворов и выработки оптимальной технологии его применения был выполнен комплекс лабораторных, стендовых и полигонных исследований.
Наиболее существенными недостатками воды как промывочного агента при вскрытии и освоении водоносных горизонтов, заключённых в рыхлых неустойчивых отложениях, как известно, являются следующие:
-азначительные расходы технической воды на бурение в связи с высокими её поглощающими свойствами, что практически делает невозможным применение воды при высоких значениях коэффициента фильтрации (при Кф >20 м/сут);
-аплохая устойчивость стенок скважины, что требует в процессе бурения, при спускоподъёмных и др. вспомогательных операциях соблюдения строгих технологических требований. При статическом уровне водоносного горизонта менее 3 м практически сооружение скважин с прямой промывкой водой невозможно;
-анизкая вязкость воды, в связи с чем она обладает плохой способностью выноса шлама; при бурении скважин в песчано-гравийных отложениях большой мощности (до 100 м и более) на забое скважин образуются шламовые пробки до 10 м и более из крупнозернистого и гравелистого материала, что затрудняет посадку фильтров в заданные интервалы скважин;
-абурение скважин в указанных отложениях с прямой промывкой водой лишь на малых скоростях вращения ротора (на I-й и редко на II-й), так как при повышении числа оборотов ухудшается устойчивость стенок скважин и увеличивается расход воды на бурение;
-атрудность применения технической воды при бурении в зимнее время.
Поэтому в лабораторных условиях изучались следующие свойства водогипановых растворов: вязкость, несущая способность (скорость оседания частиц песка различного фракционного состава); морозостойкость, характер кольматирующих свойств. Применялись стандартные лабораторные приборы, опыты проводились по известным методикам. Кроме того, проводились экспериментальные полигонные исследования в условиях, приближённых к производственным, изучалась зависимость выносной способности водогипанового раствора различной концентрации от скорости восходящего потока промывочной жидкости и числа оборотов бурового снаряда, исследовалась зависимость степени поглощения водогипанового раствора от коэффициента фильтрации водоносных пород (Кф), вязкости водогипанового раствора (Т), статического уровня, мощности пласта, диаметра скважины. Здесь же изучалась зависимость выносной способности водогипанового раствора различной вязкости от скорости восходящего потока промывочной жидкости.
Исследование вязкости ВГР проводилось в лабораторных условиях с помощью стандартного полевого вискозиметра СПВ-5. Выбор этого прибора, определяющего так называемую лусловную вязкость промывочной жидкости в секундах, обусловлен тем, что в полевых условиях других методов определения вязкости не применяют.
Вязкость. Вязкость раствора должна быть достаточно высокой для обеспечения эффективного выноса из скважины шлама и уменьшения поглощения промывочной жидкости (фильтрационного расхода). Вязкость ВГР существенно зависит от содержания в нём гипана (табл.1).
Таблица 1
Содержание гипана, % | Вязкость ВГР, с* | Температура замерзания ВГР, оС | Ориентировочное снижение фильтрационного расхода ВГР по сравнению с водой, раз |
0 | 15 | 0 | - |
1 | 17 | -1,5 | 2,0 |
2 | 20 | -2,5 | 5,0 |
3 | 23 | -3,5 | 7,5 |
4 | 26 | -4 | 10,0 |
5 | 30 | -4,5 | 14,0 |
10 | 50 | -6,5 | Не опр. |
20 | 108 | -7,5 | Не опр. |
35 | 256 | Не опр. | Не опр. |
* При температуре воздуха 10оС.
Несущая способность ВГР. Представляет собой отношение скорости оседания песчаных частиц различных фракций в воде к скорости оседания их в растворе. При изменении вязкости ВГР от 17 до 30 с его несущая способность по сравнению с водой увеличивается от 3 до 14 раз (табл.2).
Таблица 2
Содержание гипана, % | Вязкость ВГР, с | Несущая способность ВГР для песчаных смесей различных фракций, мм | |||
0,25 | 0,26-0,50 | 0,5-1,0 | 1,0-2,0 | ||
0 | 15 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 |
1 | 17 | 2,4 | 2,6 | 3,4 | 3,7 |
2 | 20 | 3,9 | 4,3 | 3,9 | 4,8 |
3 | 23 | 6,5 | 6,2 | 5,6 | 6,1 |
4 | 26 | 9,5 | 10,0 | 9,6 | 8,8 |
5 | 30 | 14,7 | 15,3 | 13,4 | 12,7 |
Нами выполнены также исследования зависимости температуры замерзания ВГР от содержания в нём гипана и добавления NaCI, что необходимо как для выяснения условий приготовления промывочной жидкости в зимнее время, так и для выяснения возможности создания промывочных жидкостей на полимерной основе для бурения по неустойчивым при растеплении многолетнемёрзлым породам.
Проведённые автором исследования на морозоустойчивость ВГР также показали положительные результаты (табл.3).
Таблица 3
Содержание гипана, % | Температура замерзания раствора (в оС) при содержании NaCL в растворе, % по массе | ||||||
0 | 4,5 | 6,0 | 8,5 | 10,0 | 14,0 | 26,4 (до насыщения) | |
0 | 0 | -2,7 | -4,0 | -5,5 | -6,7 | -10,4 | -22,0 |
1 | -1,5 | -7,0 | -7,5 | -8,5 | -10,5 | -16,0 | -22,5 |
2 | -2,5 | -8,0 | -8,5 | -9,0 | -12,0 | -16,0 | -22,5 |
3 | -3,5 | -8,0 | -8,5 | -9,5 | -13,0 | -16,0 | -23,0 |
4 | -4,0 | -8,5 | -9,0 | -9,6 | -13,0 | -15,0 | -22,5 |
5 | -4,5 | -8,5 | -9,0 | -9,6 | -12,5 | -14,6 | -21,5 |
10 | -6,5 | -8,5 | -8,5 | -9,0 | -12,0 | -13,5 | -20,5 |
20 | -7,5 | -8,0 | -8,0 | -9,0 | -11,5 | -13,0 | -20,0 |
Выявляется следующая закономерность. Температура замерзания водогипанового раствора с малым содержанием гипана (1-5%) незначительно отличается от температуры замерзания воды (на 1,5-4,5оС). Температура замерзания соленой воды с малым содержанием NaCI (4,5%) также незначительно отличается от температуры замерзания воды (на 2,7оС). При совместном введении в раствор гипана и NaCI в указанных количествах температура замерзания раствора резко снижается до Ц9оС, вместе с тем сохранятся достаточные для бурения по пескам технологические свойства (вязкость, несущая способность, кольматирующие свойства).
Известно, что в нашей стране отрицательные температуры многолетнемёрзлых пород колеблются в самых широких пределах, в среднем от 0 до Ц9 и реже до Ц13оС. В результате проведённых лабораторных и полигонных опытных работ по изучению морозостойкости полимерных безглинистых растворов нами разработана и была внедрена в тресте Востокбурвод принципиально новая технология бурения скважин в многолетнемёрзлых породах, прежде всего в толщах неустойчивых при растеплении осадочных пород, сооружаемых для вскрытия подмерзлотных пресных вод при глубине залегания от 100 и более метров.
Применяемая ранее технология бурения с промывкой скважин глинистыми растворами приводила к растеплению ствола скважин, сооружаемых в многолетнемёрзлых породах осадочного рыхлого комплекса, что вызывало высокую аварийность и требовало спуска ряда промежуточных обсадных колонн. Нами разработана технология бурения по таким разрезам охлаждёнными до Ц5оС - -9оС (в зависимости от конкретных условий) с использованием полимерных безглинистых растворов ВГР или ВКГР с добавлением NaCI и при сохранении достаточных их технологических свойств.
Технологические приёмы, применённые по нашим разработкам и рекомендациям впервые, позволили широко внедрить охлаждённые от Ц5оС - -9оС полимерные промывочные жидкости для эффективного вскрытия подмерзлотных подземных вод. В лабораторных и полевых условиях исследовались также кольматирующие свойства ВГР, влияние параметров ВГР на устойчивость стенок скважин и фильтрационный расход. Эти параметры рассматриваются в следующих разделах.
На основании проведённых лабораторных, стендовых и полигонных исследований, а затем на основании огромного опыта применения ВГР для вскрытия и освоения водоносных горизонтов в рыхлых неустойчивых отложениях были выявлены граничные области применения ВГР: статический уровень водоносного горизонта - от 0 до +3 м, коэффициент фильтрации песчано-гравийных отложений - до 25 м/сут при эффективной по технологическим и экономическим параметрам вязкости ВГР до 30-35 с по СПВ-5.
Выработаны технологические рекомендации по вскрытию и освоению водоносных горизонтов, приуроченных к рыхлым неустойчивым отложениям, по вскрытию таких водоносных горизонтов, залегающих в многослойных толщах, представленных чередованием глин, суглинков, алевролитов, мергелей и прослоями обводнённых слабых песчаников и песков.
Вместе с тем, в практике работ встречаются геолого-гидрогеологические условия, в которых ВГР не даёт требуемые результаты (коэффициент фильтрации более 30-40 м/сут, глубина статического уровня менее 3 м, диаметр бурения - 400 - 450 мм). В данном случае необходимы более высокая вязкость раствора, его несущая способность и кольматирующие свойства при сохранении всех положительных качеств, присущих ВГР.
С этой целью были разработаны и успешно применены на практике трёхкомпонентые полимерные жидкости на основе гипана и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) - водокарбоксиметилцеллюлозогипановый раствор (ВКГР). ВКГР обладает высокой вязкостью, которая может изменяться в широких пределах в зависимости от концентрации реагентов (табл.4) вплоть до состояния не течёт. При понижении температуры раствора от 17 до 5С его вязкость увеличивается в 1,5 раза.
В трёххкомпонентых растворах при изменении содержания в воде гипана от 1 до 5% и КМЦ-400 от 0,5 до 1,5% вязкость изменяется от 21 с до 60 с, а при использовании КМЦ-700 - соответственно от 23 с до 122 с. Вязкость ВКГР существенно возрастает. Необходимо подчеркнуть, что вязкость ВКГР в упомянутом выше диапазоне содержаний реагентов представляет из себя не сумму вязкостей водных растворов этих реагентов, а существенно большую величину, тем большую, чем выше содержание гипана и КМЦ в ВКГР. Это объясняется особенностями электростатического взаимодействия молекул гипана и КМЦ в растворе: наличие у гипана значительного количества отрицательно заряженных карбоксильных групп и некоторого количества сильно отрицательно заряженных нитрильных групп существенно способствует повышению жёсткости молекул КМЦ в этом растворе. Вместе с тем, в ВКГР сохраняется присущее гипану свойство коагуляции при взаимодействии с ионами поливалентных металлов, что в комбинации со значительной вязкостью обеспечивает высокие кольматирующие свойства трёххкомпонентых промывочных жидкостей.
Таблица 4
Содержание гипана, % | Вязкость раствора (в с) при концентрации КМЦ-700, % | |||
0 | 0,25 | 1,0 | 1,5 | |
1 | 17 | 22 | 34 | 65 |
2 | 20 | 25 | 41 | 77 |
3 | 23 | 30 | 47 | 90 |
4 | 26 | 33 | 50 | 105 |
5 | 30 | 40 | 66 | 122 |
6 | 35 | 45 | 78 | - |
Трёхкомпонентые промывочные жидкости по сравнению с ВГР позволяют за счёт более высокой вязкости, небольшого фильтрационного расхода, хороших кольматирующих свойств осуществлять успешное сооружение скважин в самых сложных геолого - гидрогеологических условиях, не снижая при этом ни геологическую информативность скважин, ни других достоинств ВГР. Особые технологические рекомендации и технико-экономические показатели применения примерно аналогичны ВГР.
В результате исследований и многолетнего опыта применения ВКГР установлены граничные условия его эффективного применения: статический уровень водоносного горизонта - до +3 - +4,5 м, коэффициент фильтрации - до 35 - 40 м/сут, в том числе для вскрытия и освоения водоносных горизонтов не только в рыхлых неустойчивых песках, но и в песчано-гравийных отложениях на форсированных режимах (частота вращения бурового снаряда от 180 до 320 об/мин) при диаметре породоразрушающего инструмента до 400 мм и более.
В последнее время промышленностью стал выпускаться реагент ВПРГ (водорастворимый порошок реагент гипан) также на основе полиакрилонитрила, но с более высоким содержанием активного вещества.
Проведённые автором лабораторные исследования и производственные испытания этого реагента показали значительную его эффективность, о чём свидетельствуют данные табл.5. Технологические свойства и граничные условия применения промывочных жидкостей на основе ВПРГ аналогичны ВГР, но при содержаниях чистого вещества в растворе большем, чем в ВГР в 2-3 раза (см. 6-е защищаемое положение). Главное достоинство ВПРГ - его поставка в сухом виде в мешках, что весьма высоко поднимает технологичность его транспортировки и приготовления в любое время года по сравнению с гипаном.
Таблица 5
Содержание гипана, % | Вязкость раствора, с | Плотность, г/см3 | Время растворения, мин* |
0,3 | 19 | 1,01 | 18 |
0,5 | 21 | 1,01 | 19 |
1,0 | 30 | 1,01 | 28 |
1,5 | 47 | 1,01 | 30 |
2,0 | 65 | 1,02 | 33 |
Примечание: при температуре воды 20С; при снижении температуры до 10 время приготовления ВГР увеличивается до 65 мин.
Реагент выпускается двух марок: А и Б, технологические свойства которых практически аналогичны. Особую важность имеет санитарно-гигиеническое и токсикологическое исследование возможности применения выбранных нами полимеров для бурения скважин на воду.
Работы по оценке возможного использования водорастворимых полимеров при проведении буровых работ на воду проводились в Московском НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана под руководством Н.В. Климкиной, Р.С. Ехиной, А.В. Тулакина и Т.А. Кочетковой при участии А.М. Коломийца. Натурно-полевые эксперименты проводились автором, а гигиенические и токсикодинамические исследования - в Московском НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана. В результате выполненных работ определён предельно допустимый норматив гипана, метаса, КМЦ, К-4 при бурении гидрогеологических скважин; результаты натурных наблюдений при бурении скважин в Ульяновской области, заверенные лабораторными работами, подтвердили надёжность предложенных технологий гигиенических и токсикологических оценок водорастворимых полимеров при бурении скважин на воду.
Кроме того, совместно выполненная работа позволила создать особую схему поэтапного проведения гигиенической оценки всех последующих потенциальных для применения в гидрогеологическом бурении полимеров. Таким образом, нами предложены и научно обоснованы и широко внедрены в практику буровых работ полимерные промывочные жидкости для вскрытия и освоения водоносных горизонтов в рыхлых неустойчивых отложениях - ВГР, ВКГР и на основе ВПРГ; исследованы их технологические свойства, изучены закономерности формирования этих свойств; установлены зависимости этих свойств от конкретных геолого - гидрогеологических и климатических условий и выявлены граничные условия их эффективного применения при бурении скважин на воду; выполненные совместно с Московском институтом гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана работы выявили возможность рекомендуемых нами полимеров для бурения скважин на воду; разработаны, научно обоснованы и широко внедрены инновационные технологии гидрогеологического бурения в сложных условиях с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей: в мощных толщах обводнённых песков и песчано-гравийных смесей; на подмерзлотные воды; в многослойных коллекторах.
Второе защищаемое положение
При сооружении и освоении водоносных горизонтов, приуроченных к рыхлым неустойчивым песчаным отложениям с промывкой безглинистыми полимерными промывочными жидкостями важнейший кольматирующий фактор Ц это явление образования комплекса кольматирующих агентов этих жидкостей Ц в основном гель-агрегатов, как результата взаимодействия молекул полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ) между собой и с ионами поливалентных металлов подземных вод, прежде всего, Fe3+ и Fe2+ ,а также полимерных пространственных плёнок и шлама песчаных частиц.
Задача повышения эффективности применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей потребовала понимания закономерностей формирования их кольматирующих свойств, а также механизма раскольматации водоносных горизонтов при сооружении гидрогеологических скважин в песчано-гравийных отложениях. Нами выполнен ряд лабораторных, стендовых и производственных экспериментов, а также осуществлены теоретические изыскания в этом направлении. Известно, что при использовании безглинистых полимерных промывочных жидкостей на основе акриловых полимеров (например, гипана) скорость фильтрации воды в пласт уменьшается вследствие образования на поверхности пористой породы, в частности, песков, полимерной коллоидной плёнки. Чем выше вязкость такого полимерного раствора, тем значительнее связи молекул и фибрилл, образующих в растворе пространственные сетки. Таким образом, повышение вязкости полимерных растворов усиливает и их кольматирующее действие. Описание указанного вязкостного кольматирующего фактора синтетических линейных полимеров имеется в литературе (К.Ф. Паус и др.).
Так, вязкость ВГР при содержании гипана-1 в водном растворе от 1 до 5% колеблется от 17 до 30 с для свежего товарного гипана. Безглинистым полимерным промывочным жидкостям присущи следующие кольматирующие факторы, вытекающие из некоторых их специфических свойств.
Рассмотрим кольматирующие факторы водогипанового раствора.
Для изучения и объяснения взаимодействия гипана с солями различных металлов, содержащихся в подземных водах, необходимо учитывать, что гипан состоит в основном из натрийсодержащих карбоксильных групп и незначительного количества (до 5-10%) амидных и нитрильных групп. В структуре гипана решающее значение играют карбоксильные группы. Диссоциированные в растворе, они отрицательно заряжены. Значительная динамическая вязкость растворов гипана, как известно из литературы, объясняется тем, что сила электростатического отталкивания карбоксильных групп друг от друга в макромолекуле гипана достаточно велика, и молекула принимает в водном растворе форму выпрямленного жёсткого стержня. Нитрильная группа - сильноотрицательно заряженная, способствует диссоциации карбоксильных групп. При встрече карбоксилов с катионами поливалентных металлов происходит энергичная реакция с образованием гелеобразного вещества.
С начала 60-х годов при бурении на нефть традиционным являлось применение хлористого кальция как средства, вызывающего коагуляцию гипана из раствора с выпадением в осадок эластичного геля, механически закупоривающего каналы движения подземных вод.
Рядом исследователей (Баранов Ю.В., Гольдштейн В.В. и др.) рассматривались закономерности взаимодействия гипана с некоторыми солями поливалентных металлов. Констатировалось, что гипан весьма чувствителен к воздействию ионов поливалентных металлов, что ведёт к его выпадению в осадок из раствора.
Рассматривались комплексы взаимодействия карбоксилат-иона с катионами Na+, K=, Ca2+, Ba2+, Mg2+ и возможность подбора таких комбинаций хлористых солей, которые позволили бы получить студни, отличающиеся от гелей - результатов реакции гипана с СaCI2 - большей эластичностью, механической прочностью и плотностью. Установлено, что указанные выше свойства гелей зависят от правильного подбора величин эффективных радиусов пар катионов. Катионы с радиусом <0,95Ао вызывают глобулизацию молекул, катионы с радиусом >0,95Ао способствуют образованию межмолекулярных связей.
Нами в лабораторных условиях впервые изучались реакции гипана с катионами солей, типичных для подземных вод. Особое внимание уделялось взаимодействию гипана с катионами Fe, содержание которых является чрезвычайно характерным признаком аллювиальных подземных вод, заключённых в неустойчивых песчано-гравийных породах. Проведено сопоставление взаимодействия СaCI2 , широко применяемого в нефтедобывающей промышленности для осаждения геля, а также MgCI2 и FeCI3 с 5%-ным раствором гипана.
Установлено значительное различие в концентрациях этих солей, вызывающих видимое образование геля в растворе и выпадение его в осадок. Так, начало видимой коагуляции гипана в 5%-ном водном растворе наступает при введении в раствор более 200 мг/л СaCI2 и более 2000 мг/л MgCI2, в то время как FeCI3 вызывает видимую коагуляцию при введении его в раствор в количестве 6 мг/л. Полная коагуляция гипана наступает при добавлении в 5%-ный водный его раствор 20 мг/л FeCI3, 600 мг/л СaCI2 и 5000 мг/л MgCI2.
Молекулярный вес FеCI3 составляет 162,3, а атомный вес Fe составляет 56, т.е. около 35% молекулярного веса трёххлорного железа. Таким образом, можно сделать вывод, что содержание в воде 20х0,35=7 мг/л катионов Fe вызывает полную коагуляцию 5%-ного раствора гипана. Наиболее характерной концентрацией катионов Fe в аллювиальных подземных водах является 3-4 мг/л и более. Следовательно, в процессе бурения, безусловно, возникает коагуляция раствора с образованием геля при проникновении водогипанового раствора в стенки скважин.
Для объяснения причин столь активного воздействия FеCI3 на гипан нами рассмотрен характер взаимодействия гипана с катионами двухвалентных металлов, имеющих эффективные радиусы катионов более 0,95Ао - Са2+ (r эф - 1,04Ао) и менее 0,95Ао - Mg2+ (r эф - 0,74Ао) в сравнении с взаимодействием трёхвалентного катиона Fe3+(r эф - 0,64Ао). Как указывалось, двухвалентные катионы с радиусом 0,95Ао взаимодействуют с карбоксилами соседних макромолекул, связывая их между собой (реакция, характерная для катионов Са2+). В этом случае количество воды в гидратной оболочке остаётся значительным и для выпадения макромолекулы в осадок необходимо большое количество СaCI2 (более 200 мг/л).
Двухвалентные катионы с радиусом <0,95Ао обладают способностью связывать два карбоксила одной макромолекулы, вызывая сворачивание её в клубок (реакция, характерная для катионов Mg2+). Гидратная вода выжимается и молекула теряет растворимость. Однако, в связи с тем, что вероятность соединения соседних макромолекул мала, видимая коагуляция гипана с образованием хлопьев геля происходит лишь при введении в 5%-ный раствор гипана MgCI2 в количестве более 2000 мг/л.
Катион Fe3+ имеет эффективный радиус 0,64Ао. Имея три свободные валентные связи, этот катион вызывает чрезвычайно интенсивное сворачивание макромолекул гипана в клубок и выпадение гипана в осадок в виде геля, не имеющего электрического заряда. Это объясняется тем, что оставшаяся свободная связь может связывать свёрнутые макромолекулы между собой. Подтверждение этому может служить внешний вид геля-продукта взаимодействия FеCI3 и гипана, представляющего собой мелкие образования, которые собираются в округлые агрегаты размером до 5 мм, свободно разрушающиеся при лёгком взбалтывании раствора. В то же время гель, образованный в результате реакции гипана с MgCI2, имеет вид волокнистой довольно прочной массы, наматывающейся на стеклянную палочку.
Таким образом, по результатам лабораторных работ можно сделать вывод, что, кроме повышенной вязкости, причиной, вызывающей снижение фильтрационного расхода водного раствора гипана в сравнении с водой, являются его кольматирующие свойства, которые обусловлены ярко выраженной способностью гипана коагулировать при встрече с катионами Fe, присутствие которого весьма характерно для подземных вод современного и древнего аллювия.
Полученные в лабораторных условиях выводы нашли дальнейшее подтверждение при моделировании на стенде. В реальных условиях бурения скважин контакт ВГР с подземными водами происходит при фильтрации раствора в водоносный горизонт. Именно в прискважинной зоне в поровом пространстве песчаных отложений происходит соприкосновение гипана с ионами Fe и его коагуляция с образованием геля, механически закупоривающего поры и снижающего тем самым фильтрационный расход.
Таким образом, несомненно, что коагуляция гипана при встрече с ионами поливалентных металлов, и, прежде всего, двух- и трёхвалентного железа является существенным фактором кольматации прискважинной зоны при бурении на воду в аллювиальных песках. Механизмы кольматирующих свойств трёхкомпонентных полимерных промывочных жидкостей (ВКГР) отличаются от кольматирующих механизмов водогипановых растворов. В трёхкомпонентных растворах при изменении содержания в воде гипана от 1 до 5% и КМЦ-400 от 0,5 до 1,5% вязкость этих растворов изменяется от 21с до 60с, а при использовании КМЦ-700 соответственно вязкость изменяется от 23с до 122с, т.е. при использовании КМЦ с более высокой степенью полимеризации вязкость ВКГР существенно возрастает. Здесь необходимо подчеркнуть, что вязкость ВКГР в упомянутом выше диапазоне содержаний реагентов представляет из себя не сумму вязкостей водных растворов этих реагентов, а существенно большую величину, тем большую, чем выше содержание гипана и КМЦ в ВКГР.
Указанное явление объясняется особенностями электростатического взаимодействия молекул гипана и КМЦ в растворе.
Рассмотрим это взаимодействие.
Как указывалось выше, высокая динамическая вязкость водных растворов гипана объясняется не только наличием значительного количества высокополярных карбоксильных групп, но и наличием в полимерной цепи гипана некоторого количества нитрильных групп, обладающих сильно отрицательным зарядом, что способствует резкому увеличению диссоциации карбоксильных групп. Вместе с тем размер молекул гипана значительно меньше размера молекул КМЦ. Молекула КМЦ имеет циклическую форму строения.
Вязкость водных растворов КМЦ обусловлена тем, что молекула КМЦ обладает Na-замещённой карбоксильной группой в боковой цепи. В водном растворе ионы Na перемещаются, поэтому карбоксильные группы отрицательно заряжены. В связи с возникающим электростатическим отталкиванием карбоксильных групп в насыщенных растворах молекулы КМЦ имеют тенденцию к выпрямлению. Так как размеры молекул КМЦ значительны, то вышеуказанное свойство и объясняет высокую вязкость насыщенных водных растворов КМЦ. Вместе с тем, следует указать, что часть карбоксильных групп в молекуле КМЦ замещена карбоксиметильным радикалом, поэтому силы электростатического отталкивания между карбоксильными группами относительно невелики; в слабых водных растворах молекула КМЦ имеет свёрнутую конформацию.
При содержаниях КМЦ от 0,5 до 1,5% и выше и при содержаниях гипана от 1 до 5% и выше, существенный прирост вязкости против суммы вязкостей водных растворов КМЦ и гипана (от 21с до 60с) объясняется тем, что наличие у гипана значительного количества отрицательно заряженных карбоксильных групп и некоторого количества сильно отрицательно заряженных нитрильных групп существенно способствует повышению жёсткости молекул КМЦ в этом растворе.
Таким образом, в ВКГР констатируется принципиально новое свойство, способствующее дополнительному существенному повышению вязкости этого трёхкомпонентного раствора, тем большему, чем выше концентрация в растворе КМЦ и гипана, и чем выше степень полимеризации КМЦ (т.е., чем больше размер молекул КМЦ). Вместе с тем, сохраняется присущее гипану свойство коагуляции при взаимодействии с ионами поливалентных металлов, что в комбинации со значительной вязкостью обеспечивает высокие кольматирующие свойства трёхкомпонентных промывочных жидкостей.
Необходимо отметить также визуально зафиксированный нами в процессе стендовых исследований полимерных растворов фактор механической кольматации песчаной стенки пылеватой и тонкозернистой фракциями. Зона механической кольматации представляла из себя, с одной стороны, плотную корку из пылеватой и тонкозернистой фракций, покрывающую сверху стенку исследуемой фракции песков, а, с другой стороны, наблюдалась зона проникновения тонких фракций в исследуемые пески.
Так, при прокачивании ВГР вязкостью 18,5с через песчаную фракцию размера 1-2 мм глубина проникновения тонких частиц в песчаную стенку через 2 часа составляла 2-3 мм при избыточном давлении до 6м вод.ст. и 4-5 мм - при избыточном давлении до 21м.вод.ст.
А при продавливании ВГР вязкостью 27с через эту же песчаную фракцию глубина проникновения тонких частиц в исследуемые пески составляла 1-2 мм при избыточном давлении до 24м вод.ст. Во всех случаях толщина корочки механической кольматации на поверхности песчаной стенки составляла от 2-3 мм до 5 мм. В связи с образованием зон механической кольматации при продавливании ВГР снижалась величина фильтрационного расхода на 15-56% в зависимости от мощности зон кольматации при любых давлениях.
Одновременно стабильно, хотя и незначительно (до 0,25м вод.ст.) снижалась величина критического избыточного гидростатического давления, при котором происходило обрушение песчаной стенки. Сцементированности корки механической кольматации не наблюдалось, она при обрушении рассыпалась полностью.
Таким образом, механическая кольматация пылеватыми и тонкими частицами является дополнительным фактором снижения поглощения при бурении скважин с промывкой ВГР в рыхлых водосодержащих породах.
Практика буровых работ показала, что декольматация скважин, пробуренных в песчаных отложениях с промывкой водогипановыми и трёхкомпонентными растворами, проходит быстро и эффективно. При обязательной первоначальной промывке водой через фильтровую колонну из скважин удаляется основная масса кольматирующих агентов (промывочная жидкость, гель-коагулянт и корка механической кольматации). Длительность промывки - от 2 до 24 час - в зависимости от глубины и диаметра скважин. Затем проводится прокачка для окончательного удаления кольматанта из водоносного горизонта. Продолжительность и способ прокачки выбираются в зависимости от гидрогеологических параметров водоносного горизонта, глубины и диаметра скважин.
На эффективность декольматации весьма существенно влияет время начала промывки и прокачки. При больших перерывах между окончанием бурения и началом прокачивания (более 1-1,5 суток) гель-коагулянт при значительных его содержаниях в стенках скважин может постепенно консолидироваться, и тогда удаление его из скважин весьма затруднено.
Механизм кольматирующих свойств сухого водорастворимого полимера - реагент гипан - ВПРГ того же свойства, что и 10%-ного водного раствора гипана-1. Вместе с тем, имеется принципиальное отличие. ВПРГ - это сухое вещество, в то время как гипан-1 - водный 10%-ный раствор, в котором процесс омыления - полимеризации не завершён, о чём свидетельствует запах аммиака. Поэтому в нём меньше свободных связей карбоксильных групп, диссоциированных в растворе и имеющих форму выпрямленного жёсткого стержня.
Естественно, что в ВПРГ, где степень полимеризации существенно выше, таких выпрямленных карбоксильных групп меньше. Именно поэтому, если вязкость 5%-ного раствора гипана-1 (в сухом веществе - 0,5%) составляет 30с, то для ВПРГ такая вязкость достигается при содержании его в растворе - 1%, т.е. в два раза выше. Вместе с тем то, что ВПРГ поставляется в сухом виде и в нём нет аммиака, делает его, несомненно, предпочтительным. По остальным технологическим параметрам, в том числе закономерностям кольматирующих свойств, он аналогичен гипану-1.
Таким образом, в результате проведённых теоретических, лабораторных, стендовых и полевых исследований выявлены закономерности формирования кольматирующих составляющих безглинистых полимерных промывочных жидкостей ВГР, ВКГР, а также на основе ВПРГ; разработаны технологические приёмы, позволяющие проводить эффективную декольматацию стенок скважин в рыхлых песчано-гравийных неустойчивых отложениях по окончании бурения.
Третье защищаемое положение
При сооружении геологоразведочных скважин в толщах обводнённых песков и песчано-гравийных смесей установлена закономерность, что устойчивость стенок скважин в крупнозернистых и гравелистых песках ниже, а фильтрационный расход больше, чем в песках мелкозернистых, и тем надёжнее устойчивость, чем выше содержание полимеров в безглинистых промывочных жидкостях. Это позволяет определить граничные области применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей в зависимости от гранулометрического состава песчаных пород, коэффициента фильтрации и статического уровня водоносного горизонта.
При лабораторном, стендовом и полевом исследовании свойств полимерных промывочных жидкостей серьёзное внимание было уделено изучению закономерностей влияния этих жидкостей на обеспечение устойчивости стенок скважин в рыхлых песчано-гравийных отложениях. Изучались зависимости устойчивости песчаной стенки от состава и концентрации реагентов по сравнению с применением в качестве промывочной жидкости воды для различных фракций песков. Изучение этих закономерностей для полимерных промывочных жидкостей нами выполнено впервые.
Для теории и практики бурения скважин на воду в рыхлых неустойчивых отложениях большой интерес представляет оценка критериев и закономерностей устойчивости стенок скванжин в зависимости от различных факторов. Изучением этих вопросов занимались Д. Н. Башкатов, Г. П. Квашнин, Ю. М. Носовский и др.
Устойчивость стенок скважин в обводнённых песках зависит от избыточного гидростатического давления, которое обеспечивает соответствующее фильтрационное давленние промывочной жидкости на водоносный горизонт. Происхондит уплотнение песчаной стенки скважин. Кроме того, промынвочная жидкость, в том числе вода, обогащена шламом выбунренных пород и при фильтрации её в стенку скважины происхондит кольматаж пристенной части. В результате гидродинаминческое давление на пласт повышается, также способствуя понвышению устойчивости скважины. Для воды избыточное гидронстатическое давление должно составлять, по данным разных исследователей, 0,015-0,04 МПа (или статический уровень вонды в скважине должен быть равен +1,5-4 м).
Такой диапазон значений говорит о том, что избыточное гидростатическое давление не является единственным критеринем обеспечения устойчивости стенки скважин. Повидимому, на показатели устойчивости влияют и параметры проходимых пород, и характеристики водоносного горизонта и пр.
Значительные работы по теоретическому и экспериментальнному исследованию вопросов устойчивости стенок скважины в водоносных песках выполнены Г. П. Квашниным, А. И. Деренвянных, Ю. И. Соловьёвым в 1976-1978 гг. Ими разработаны методики расчётов общей устойчивости околостенного массива грунта и осыпания поверхностного слоя, а также выполнена экспериментальная стендовая проверка критериев устойчивости при применении воды.
Выведено условие устойчивости стенок скважины на осынпание: Нс - Нп Нкр, где Нс, Нп - потери в скважине и пласте, м; Нкр - критический гидростатический напор, м. Для практического использования этого неравенства вводитнся коэффициент запаса устойчивости стенок скважины на осынпание Кз, который для скважин с учётом кольматажа стенок скважины составляет от 1,1 до 1,2, а для скважин без кольматации - 1,3-1,5.
Кроме поверхностного осыпания, могут иметь место и обрушения песчаной стенки скважины - общая потеря устойчивости, которая во многом зависит не только от свойств и параметров водоносного горизонта, но и от прочностных свойств перекрывающей его толщи. Обрушение сопровождается сползанием большого объёма породы в скважину и уменьшает диаметр последней.
В Союзводопроекте в своё время были выполнены стендовые исследования по изучению устойчивости в воде песчаной стенки в зависимости от гранулометрического состава, гидростатического давления и фильтрационного расхода. На основании такого моделирования был сделан вывод, что при одном и том же избыточном давлении песчаная стенка в гравийно-галечниковых отложениях более устойчива, чем. в мелкозернистых песках.
По данным моделирования, проведённого Союзводопроектом, было констатировано, что фильтрационный расход, связанный с избыточным гидростатическим давлением, также является одним из основных факторов, влияющих на устойчивость стенок скважины при бурении с промывкой технической водой. Других исследований на эту тему не проводилось и публикаций в печати не было.
Поэтому были проведены стендовые исследования по изученнию общих закономерностей устойчивости стенок скважин при использовании водогипановых растворов и воды в зависимости от гранулометрического состава, гидростатического давления и фильтрационного расхода.
Здесь следует заметить, что все лабораторные и стендовые опыты производились с чистыми, отмытыми от глинистой составляющей песками, чтобы обеспечить чистоту эксперимента. Понятно, что различные содержания глинистой составляющей в песках в реальных геологических условиях существенно влияют на устойчивость стенок скважин. Первоначально обрушение песчаной стенки в стенндовых условиях в отдельных опытах с водой происходило при весьма различных значениях критического гидростатического давления Ркр и соответствующего ему фильтрационного раснхода. Так, для фракции 0,25-0,50 мм Ркр колебалось от 0,021 до 0,124 МПа при изменении Qф от 0.094 до 0,58 л/мин.
Проведённый нами анализ причин такого расхождения результатов в одинаконвых опытах показал, что устойчивость песчаной стенки в кажндом конкретном опыте определялась не только величинами гидростатического давления и фильтрационного расхода, но и существенно зависела от степени уплотнения песка в трубе стенда. Установлено, что при покачивании и встряхивании трунбы, как это выполнялось в Союзводопроекте, не обеспечивалось стабильное уплотнение песка и плохо удалялись пузырьки воздуха. Этим и объясняется большой дианпазон критических гидростатических давлений и фильтрационнных расходов при обрушении песчаной стенки в аналогичных опытах.
Уплотнение песков при отсутствии внешней пригрузки донстигается лишь при значительных ускорениях вибраций: для водосодержащих песков от 0,5 до 2g; для влажных - 2g.
При самопроизвольной укладке песков в трубе стенда после его промывки обратным потоком воды плотность песка была минимальная, и он находился в состоянии, близком к разжинженному. Поэтому нами была применена новая методика уплотнения песка в трубе стенда (изготовленного из оргстекла) путём частых и сильных ударов по ней деревянными киянками в тенчение 5-10 мин - до прекращения вертикальных перетоков струек разжиженных песков и полного удаления пузырьков воздуха. Крупные фракции уплотнялись быстрее. Контроль качества уплотнения песчаной стенки осуществлялся сопоставнлением коэффициентов фильтрации испытуемой фракции песков и расчётного по данным моделирования и определённого в ланборатории по методике Каменского.
Кроме того, большое внимание уделялось устранению всех внешних помех, связанных с запесочиванием вентилей, кольматацией фильтров глинистыми и пылеватыми частицами, подтеканием соединений и т. п. После каждого опыта промывали фильтры обратным потоком испытуемой жидкости под давленинем до 0,25 МПа.
Таблица 6
Критические давления, при которых обрушается песок
Размер фракции, мм | Ркр МПа | Q ф л/мин | kф м/сут, (в числителе - расчётный, в знаменателе - по данным опытов) |
0,25-0,5 | 0,033 | 0,15 | |
0,5-1,0 | 0,037 | 0,19 | |
Исследования проводили по фракциям песков, полученным тщательным отсевом на ситах следующих размеров: 0,25-0,5 мм; 0,5-1,0 мм. Фиксировали гидростатические давления Ркр и соответствующие им фильтрационные расходы Qф, при которых происходило обрушение песчаной стенки в трубе стенда. Причём диапазон изменения Ркр и Qф для каждой фракции по всем опытам незначителен (табл.1). Из-за недостаточного уплотнения песка мелкой фракции (0,25-0,5 мм) в трубе стенда полученные результаты следует считать несколько заниженными.
Проведенные нами стендовые исследования свидетельствуют о том, что вывод Союзводпроекта о большей устойчивости крупнозернистых, гравелистых песков, по сравнению с мелкозернистыми, ошибочен в связи с допущенными технологическими ошибками при испытаниях. Косвенным свидетельством наибольшей уплотнённости фракции в трубе стенда при минимальных значениях Ркр служит, как правило, минимальное значение расчётного коэффициента фильтрации. Так, для песков с фракцией 0,25-0,50 мм и Ркр - 0,096 Мпа расчётный коэффициент фильтрации kф составил 102 м/сутки, минимальному Ркр - 0,024 Мпа соответствовал kф - 74 м/сутки.
Согласно Н.А. Цытовичу, внутренним сопротивлением, препятствующим перемещению частиц в идеально сыпучих телах, к каким можно отнести чистые пески, будет лишь трение, возникающее в точках контакта частиц. Таких точек контакта больше в песках мелкозернистых, чем в крупнозернистых и гравелистых.
Итак, на основании выявленной нами закономерности, подтверждённой стендовыми и полевыми испытаниями, а также теоретическими обоснованиями, что крупнозернистые и гравелистые пески менее устойчивы к обрушению, чем пески мелко-и тонкозернистые. Избыточное гидростатическое давление также является важнейшим фактором обеспечения устойчивости песчаной стенки скважин.
В связи с изложенным нами была поставлена задача: в лабораторных условиях на стенде смоделировать факторы, влияющие на устойчивость песчаной стенки при сооружении скважин с применением водогипановых и других полимерных растворов. Кроме того, необходимо было выявить качественно и количественно ряд других зависимостей, в том числе устойчивости песчаной стенки от фильтрационного расхода.
В нижеприведённой таблице даны результаты определения критического избыточного гидростатического давления и связанного с ним фильтрационного расхода, а также расчётного коэффициента фильтрации для песков различного гранулометрического состава при продавливании через них воды и водогипановых растворов с вязкостью от 18,5 до 27 с.
В результате исследований установлено, что для воды критическое избыточное давление при обрушении стенки с увеличением размера преобладающей фракции возрастает от 0,033 (для фракции 0,25-0,5 мм) до 0,061 Мпа (для фракции 1-2 мм). Также повышается и фильтрационный расход - соответственно от 0,21 до 1,11 м3/сут.
При применении водогипановых растворов критическое избыточное гидростатическое давление при обрушении песчаной стенки и связанный с ним фильтрационный расход с увеличением вязкости ВГР резко уменьшаются. Так, уже для ВГР вязкостью 18,5 с полученное нами на стенде критическое избыточное гидростатическое давление при обрушении песчаной стенки снизилось примерно в 2 раза по сравнению с водой (от 0,033 до 0,0157 Мпа для фракции 0,05-0,5 мм, от 0,037 до 0,0235 Мпа для фракции 0,5-1 мм и от 0,061 до 0,031 Мпа для фракции 1-2 мм). Ещё более снизился фильтрационный расход - до 6 раз.
Однако при вязкости ВГР, равной 23 с и более, песчаная стенка не разрушается даже при отсутствии избыточного давления (Ркр) и фильтрационного расхода (Qф) для всех фракций. Так, при вязкости ВГР 23 с песчаная стенка исследуемых фракций разрушалась при Ркр = 0 и Qф = 0 через 0,5-1 мин после окончания опытов. При вязкости 25 с стенка фракции 0,5-1 мм разрушалась через 5-30 мин после окончания опытов при Ркр = 0 и Qф = 0, а при вязкости 27 с стенка фракции 1-2 мм разрушалась через 3-5 мин после окончания опытов при Ркр = 0 и Qф = 0.
Таким образом, данные моделирования процессов обрушения песчаной стенки в скважине позволяют сделать вывод, что устойчивость стенок скважин при применении водогипановых растворов значительно возрастает, и при их вязкости, составляющей более 23 с, критическое избыточное давление и соответствующий ему фильтрационный расход при обрушении стенки снижаются до 0.
Нами была проанализирована зависимость фильтрационного расхода от избыточного гидростатического давления для каждой фракции (0,25-0,5 мм; 0,5-1 мм; 1-2 мм) при различной вязкости водогипановых растворов. Так, для воды фильтрационный расход при избыточном давлении (Ризб) 0,25 Мпа изменяется в песке с преобладающими фракциями 0,25-0,5; 0,5-1 и 1-2 мм от 1,05 до 1,46 и 2,69 л/мин соответственно, что в 1,4 и 2,6 раза больше. При Ризб = 0,5 МПа для этих же фракций Qф для воды изменяется соответственно от 2,11 до 2,98 и 4,67 л/мин, что в 1,4 и 2,2 раза больше. Для водогипанового раствора вязкостью 18,5 с для фракций с преобладающим размером 0,25-0,5; 0,5-1 и 1-2 мм при Ризб = 0,25 МПа Qф изменяется соответственно от 0,38 до 0,70 и 1,08 л/мин (больше в 1,8 и 2,9 раза), а при Ризб = 0,5 МПа - от 0,83 до 1,40 и 2,20 л/мин (больше в 1,7 и 2,7 раза). Для водогипанового раствора вязкостью 23 с для тех же фракций при Ризб = 0,25 МПа Qф изменяется от 0,13 до 0,19 и 0,28 л/мин соответственно (больше в 1,5 и 2,2 раза), а при Ризб = 0,5 МПа Qф последовательно возрастает от 0,26 до 0,35 и 0,70 л/мин (т.е. в 1,4 и 2,7 раза). Несмотря на увеличение в несколько раз фильтрационного расхода при увеличении преобладающего размера фракций, фильтрационный расход вязкого водогипанового раствора в крупнозернистом песке (с преобладающим размером фракций 1-2 мм) значительно ниже, чем фильтрационный расход воды в мелкозернистой фракции. Так, для ВГР с Т=23 с при Ризб = 0,5 МПа Qф = 0,70 л/мин у фракции 1-2 мм. В то же время для воды (Т=15 с) при Ризб = 0,5 МПа даже у фракции 0,25-0,5 мм Qф = 2,11 л/мин, т.е. в 3 раза выше.
Итак, можно сделать следующий вывод: при вскрытии водоносных горизонтов в песчано-гравийных отложениях водогипановые растворы по сравнению с технической водой резко снижают фильтрационный расход (от 10 и более раз); даже в крупнозернистых песках (фракция 1-2 мм) при одинаковом избыточном давлении фильтрационный расход водогипановых растворов нормальной вязкости (например, Т=23 с) значительно ниже (в 3 и более раз), чем фильтрационный расход технической воды в более мелкозернистой фракции (0,25- 0,5 мм). Кроме того, что принципиально важно, при использовании безглинистой полимерной промывочной жидкости ВГР позволяет сооружать скважины на воду в неустойчивых песчаных разрезах при статическом уровне от 0 до 3 м, иногда более.
Как уже указывалось ранее, большая производственная практика применения ВГР для вскрытия водоносных горизонтов, заключённых в рыхлых неустойчивых песчаных разрезах, устойчивость стенок скважин при избыточном гидростатическом давлении, равном от 0 до Ц3 м, обеспечивалась при коэффициенте фильтрации пород водоносного горизонта Кф < 25 м - вязкостью ВГР, равной 30 с; при Кф = 25-35 м/сут необходимо было резко повышать содержание гипана-1 и доводить вязкость промывочной жидкости до 60 с и более, что существенно повышало стоимость бурения.
Исследованная затем и применённая на практике трёхкомпонентная промывочная жидкость вода - КМЦ - гипан (ВКГР) существенно повысила диапазон использования безглинистых полимерных промывочных жидкостей, обеспечивая устойчивость стенок скважин и существенное снижение фильтрационного расхода при бурении в песчано-гравийных отложениях с Кф до 35 м/сут и более и статическом уровне водоносного горизонта в скважине от 0 до Ц5 м.
Что касается успешно внедрённого реагента ВПРГ, то его технологические свойства обеспечивают те же показатели устойчивости и фильтрационного расхода при одинаковой вязкости промывочной жидкости.
Таким образом, выполненные нами исследования позволили впервые выявить следующие закономерности: обоснована закономерность, что устойчивость песчаной стенки скважин, зависящая от гранулометрического состава, тем выше, чем мельче размер фракции песков; установлена зависимость, что при применении водогипановых растворов устойчивость стенок скважин существенно повышается по сравнению с промывкой чистой водой и она тем выше, чем выше содержание гипана в промывочной жидкости, позволяя сооружать скважины без избыточного гидростатического давления (от 0 до Ц3 м); установлена закономерность, что фильтрационный расход при повышении вязкости ВГР существенно снижается по сравнению с использованием в качестве промывочного агента воды; обосновано, что технологические свойства ВГР обеспечивают эффективные сооружения скважин на воду в рыхлых неустойчивых песчано-гравийных отложениях с коэффициентом фильтрации пород водоносного горизонта Кф < 25 м/сут; установлено и обосновано, что технологические свойства безглинистой полимерной промывочной жидкости ВКГР имеют ещё более высокие параметры и обеспечивают эффективное сооружение скважин на воду в этих отложениях при коэффициенте фильтрации пород водоносного горизонта Кф < 35 м/сут и гидростатическом давлении до Ц5 м; установлено, что технологические свойства реагента ВПРГ обеспечивают при одинаковой вязкости примерно те же показатели устойчивости стенок скважин, фильтрационного расхода и избыточного гидростатического давления, что и ВГР; установлены критерии выбора и целевого регулирования параметров полимерных промывочных жидкостей для обеспечения устойчивости песчаных стенок скважин и снижения фильтрационного расхода в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий.
Четвёртое защищаемое положение
Общую оценку оперативной гидрогеологической информации (Н) для выбора и оценки базовых технологий бурения целесообразно рассматривать на основе энтропийского анализа с учётом трёх составляющих: Нн, Нв и Но, где Нн, Нв и Но Ц энтропия информации, связанная с достоверностью определения границ (мощности) водоносного горизонта (Нн), искажением фильтрационных свойств пласта при его вскрытии (Нв) и освоении (Но).
На стадии региональных гидрогеологических исследований, а также при сооружении эксплуатационных водозаборов, решении других разнообразных гидрогеологических проблем важное значение приобретают вопросы информативности процессов бурения и освоения водоносных горизонтов, поскольку эта информация позволяет выбрать и обосновать рациональные методы выполнения последующих этапов исследований.
На этапе выполнения разведочных и поисковых геологических работ задача обоснования и выбора оптимальных условий использования базовых технологий решается в два этапа. На первом этапе устанавливается достаточность получаемой геологической информации и отбраковка технологий; сравнение осуществляется с установленными предельными значениями отдельных показателей информационного массива.
Базовые технологии (этот термин введён В.Г. Кардышем в 90-е годы) обеспечивают получение различных качественных и количественных результатов. В различных горно-геологических условиях показатели базовых технологий будут существенно различны.
На стадии геологопоисковых и геологоразведочных работ первостепенную важность имеют информационные показатели, которыми обладают базовые технологии.
На основании обобщения большого фактического материала в табл.7 представлены усреднённые данные о информативности базовых технологий бурения.
В области оценки информативности способов бурения, отметим исследования, выполненные Д.Н. Башкатовым, Б.М. Ребриком, И.В. Архангельским, В.Н. Куником, В.Н. Калиничевым, Н.В. Смирновым, С.С. Кочержуком. Теоретические аспекты в области геологической информативности рассмотрены в работах И.С. Комарова, Г.К. Бондарина, М.А. Комарова, Д.А. Родионова, М.В. Раца и др.
Информативность гидрогеологических показателей оценивается по результатам различных наблюдений - гидрогеологических и геофизических.
В настоящее время применительно к Поволжскому региону используются следующие базовые технологии: вращательное колонковое бурение с промывкой скважин: глинистыми растворами; полимерными растворами; технической водой; с газожидкостными смесями (ГЖС).
С учётом выполненных исследований, гидрогеологических условий и целевого назначения скважин установлены рациональные области применения различных базовых технологий (табл.8).
Для выполнения региональных, поисковых и разведочных работ на воду выделяются различные показатели информативности базовых технологий, исчисляемых в условных безразмерных оценках или в численных параметрах.
Таблица 7
Сравнительная оценка показателей гидрогеологической информативности скважин
Способ бурения | Показатели гидрогеологической информативности | ||||
Возможность фиксации встречных водоносных горизонтов | Ориентировочная погрешность фиксации границ водоносных горизонтов | Представительность керна или шлама | Возможность оперативной оценки гидрогеологических параметров водоносных горизонтов | Возможность оперативной оценки гидрогеологических параметров водоносных горизонтов | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
1.Вращательный с прямой промывкой глинистым раствором | |||||
1.1. сплошным забоем | маломощные или малодебитные горизонты могут быть не зафиксированы, по окончании бурения обязательны интенсивная декольматация и каротаж скважин | границы устанавливаются весьма ненадёжно и нестабильно; после декольматации от 1,0 м и более | заглинизированный шлам | низкая возможность; требуется проведение специальных работ по декольматации и опробованию водоносных горизонтов СИПами и др. | в результате глинизации при бурении искажаются естественные параметры водоносных горизонтов: декольматация нестабильна и ненадёжна |
1.2. кольцевым забоем | при ограничении длины рейса и применении специальных колонковых труб возможна фиксация водоносных горизонтов по керну | при ограничении длины рейса - до 1,0 м | заглинизированный керн | -У- | -У- |
2. Вращательный с прямой промывкой водой | |||||
2.1.сплошным забоем | водоносный горизонт фиксируется весьма точно | до 1,0 м; каротажные работы затруднены | чистый шлам выбуриваемых пород и керн | высокая | высокая |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
2.2. кольцевым забоем | водоносный горизонт фиксируется весьма точно | при ограничении длины рейса и применении специальных колонковых труб возможна фиксация водоносных горизонтов по керну с точностью до 1,0 м | высокая | Высокая | |
3. Вращательный с промывкой полимерными растворами (ВГР и ВКГР) кольцевым забоем | водоносный горизонт фиксируется весьма точно | при ограничении длины рейса - до 1,0 м | керн высокого качества даже в обводнённых песчано-гравийных отложениях при использовании специальных колонковых снарядов типа ДЭКС-ВТ | высокая - после выполнения нескольких технологических операций по декольматации | высокая |
4. Вращательный с обратной промывкой водой | то же | до 1,0 м | при бурении в устойчивых породах в виде деформированных цилиндриков; в неустойчивых - в виде шлама | высокая | высокая |
5. Ударно-канатный | то же | до 1,0 м | перемешанный шлам в составе желоночной пульпы | высокая | высокая |
6. Вращательный с гидротранспортом керна | то же | до 1,0 м | керн - в виде цилиндриков - в устойчивых породах; в неустойчивых - в виде шлама | достаточно высокая - по степени поглощения воды при бурении | достаточно высокая, но оборудование скважин под откачку затруднено |
Психофизиологическая шкала Харрингтона, методика использования предельных минимальных показателей информации, расчёт информативности с применением диагностического коэффициента по методу Кульбака с расчётом информационного признака (xi), диагностическая процедура по формуле Бейсса имеют свои достоинства и ограничения. Так, расчёт по методу Кульбака допустим лишь в случае, если каждый информационный признак отвечает установленным предельным значениям, а процедура Бейсса не учитывает экономических критериев.
Так как процесс бурения является сложной системой с большим количеством факторов, то состояние систем оценивается степенью её неопределённости, рассчитываемой по величине энтропии. При различных видах гидрогеологических исследований в скважинах решаются следующие основные задачи определения энтропии: определить энтропию информации, связанную с фиксированием границ залегания водоносных горизонтов Нн; энтропию информации, зависящую от изменения фильтрационных характеристик этих горизонтов, связанных со вскрытием Нв и освоением пласта Но.
Имея в виду, что величина энтропии каждой сложной системы рассчитывается как
Н[X] = , где Н[X] - энтропия систем, Рi - вероятность различных состояний системы; - рекомендуется для вычисления энтропии в двоичных единицах = 2, то для нашего случая общая энтропия базовой технологии:
= [Кн . Рн . oqPн + Кв . Рв . oqPв + Ко . Ро . oqPо ] , где Рн, Рв и Ро - вероятность определения границ залегания водоносного горизонта, искажения фильтрационных свойств при их вскрытии Нв и освоении Но, к Кн, Кв и Ко - опытные коэффициенты.
На показатели энтропии информации накладываются ограничения (упоры) -
Н 'н , Н 'в и Н 'о, имея в виду, что Нн > Н 'н ; Нв > Н 'в и Но > Н 'о, а численные значения этих ограничений выбираются из условий выполнения целей исследований.
Операция по вычислению энтропии позволяет оценить полноту информации об объекте. Чем больше объём полученной информации, тем меньше неопределённость системы.
Энтропийная оценка информативности различных технологий является неполной, поскольку не учитывает технико-экономические критерии. В качестве технико - экономических критериев оценки различных технологий используются суммарные (денежные) затраты на бурение и опробование . Общие затраты: Сх = +
при выполнении условий: Тmin и q qmin, где Тmin время, в течение которого должны быть выполнены работы, qmin - максимальный удельный дебит освоенного водоносного горизонта. При решении экономических задач возможно использовать компромиссные решения, когда стоимость отдельных видов работ может перекрываться (уменьшаться) за счёт других финансовых затрат. В качестве граничных условий (упоров) могут выступать экологические и некоторые другие критерии (Е.А. Козловский, В.М. Питерский, М.А. Комаров, Д.Н. Башкатов и др.).
Установленные базовые технологии бурения обеспечивают наиболее высокие технико-экономические показатели работ и высокий объём получаемой гидрогеологической информации. Данные базовые технологии в настоящее время являются основными технологиями, используемые в районах Верхнего, Среднего и Нижнего Поволжья.
Таблица 8
Рациональные области применения базовых технологий бурения гидрогеологических скважин
Способ бурения | Достоинства | Недостатки | Различные области применения | Пути совершенствования |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
1. Вращательный с прямой промывкой глинистым раствором | 1. высокие механические и коммерческие скорости бурения; 2. устойчивость ствола скважины в любых отложениях (кроме валунно - галечниковых); 3. возможность бурения скважин любой глубины; 4. низкая металлоёмкость скважин. | 1. значительная кольматация водоносных горизонтов; 2. невозможность гарантированной раскольматации; 3. очень высокая стоимость 1 м3/час удельного дебита поднятой воды; 4. ограничение диаметров бурения (<500 мм). | При вскрытии и освоении мощных водоносных горизонтов, где раскольматация пласта эффективна и гарантирована; по мере совершенствования других прогрессивных способов бурения область применения данного способа должна сокращаться. | 1.разработка специальных рецептур самораспадающихся глинистых растворов; 2.разработка эффективных способов раскольматации скважин; 3.разработка опережающих способов опробования скважин. |
2. Вращательный с прямой промывкой водой | 1. высокие механические и коммерческие скорости бурения; 2. высокая достоверность гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и простота их освоения; 3. низкая материалоёмкость | 1. невозможность сооружения скважин при Кф >15 м/сут и Нст <3-5 м; 2. плохой вынос шлама, что ограничивает диаметр бурения (<250 мм); 3. невозможность длительных остановок в процессе бурения; 4. необходимость строгого соблюдения особых технологических условий бурения; 5. затруднённость применения в зимних условиях. | Бурение в мелко-и среднезернистых песках с Кф >15 м/сут и Нст <3-5 м при диаметрах <250 мм в условиях бесперебойного водоснабжения летом. | - |
3. Вращательный с прямой промывкой полимерными растворами (ВГР и ВКГР). | 1. высокие механические и коммерческие скорости бурения;
| 1. необходимость соблюдения ряда технологических требований для оперативной раскольматации; | Бурение в рыхлых неустойчивых отложениях с Кф до 35 м/сут и Нст до +3 м в любое время года, в т.ч. в | Разработка новых экологически чистых эффективных полимеров и рецептур. |
2. устойчивость ствола скважины при Кф >25 м/сут для ВГР и при Кф >35 м/сут для ВКГР и Нст <3 м; 3. высокая достоверность гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и простота их освоения; 4. возможность охлаждения растворов до -5 Ц -7оС. | 2. невозможность эффективного бурения в гравийно-галечниковых отложениях. | многолетних мёрзлых породах при диаметре скважин до 500 мм. | ||
4. Вращательный с обратной промывкой водой | 1. высокие механические скорости бурения в рыхлых породах; 2. высокая достоверность гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и простота их освоения; 3. возможность бурения скважин диаметром до 1500 мм. | 1. практическая невозможность сооружения скважин при Кф >15 м/сут и Нст <3-5 м; 2. возможная глубина скважины до 100-150 мм; 3. невозможность бурения скважины диаметром <250 мм, очень высокие расходы воды, особые технологические требования и др. | Бурение в рыхлых породах (II-IV кат.) дренажных, водопонизительных скважин, кустов скважин большого диаметра (до 1500 мм) глубиной до 100-150 м летом. | 1. разработка и выпуск унифицированного серийного оборудования и инструмента, в т.ч. для бурения скважин диам. <250 мм; 2. разработка конструкции быстроразъёмных бурильных труб для подачи воды и воздуха. |
5. Ударно-канатный | 1. высокая достоверность гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и простота их освоения; 2. отсутствие потребности водо- и глиноснабжения; 3. возможность бурения скважин большого диаметра в любых геолого - гидрогеологических условиях. | 1. невысокие скорости бурения; 2. высокая трудоёмкость и металлоёмкость; 3. ограниченность глубин бурения (до 100-150 м); 4. сложность технологии бурения в рыхлых неустойчивых отложениях; невысокая транспортабельность оборудования. | Бурение скважин большого диаметра (до 1000 мм) глубиной до 100-150 м в рыхлых отложениях в условиях затруднённого водоснабжения. | 1. разработка современного самоходного бурового агрегата для ударно-канатного бурения в комплексе с силовым и вспомогательным оборудованием; 2. совершенствование технологии спуска и извлечения обсадных колонн. |
Пятое защищаемое положение
При сооружении скважин на твёрдые полезные ископаемые в сложных условиях устойчивость стенок скважин в рыхлых комплексах пород, в том числе обводнённых, а также надёжный отбор незаглинизированного кондиционного керна в этих условиях обеспечивают обоснованные и исследованные инновационные технологии бурения с применением эффективных очистных агентов (полимерных промывочных жидкостей и ГЖС) и оригинальных технических средств; эти технологии позволяют регулировать необходимые качества очистных агентов в зависимости от конкретных геологических условий за счёт специальных свойств водорастворимых полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ), а также за счёт технологических достоинств применяемых технических средств.
1. В процессе исследования и апробирования свойств полимерных промывочных жидкостей для вскрытия и освоения водоносных горизонтов выявлен ряд их особых качеств, которые генерировали мысль использовать их для сооружения скважин на твёрдые полезные ископаемые в сложных условиях рыхлых неустойчивых песчаных отложений, а также комплексах разрушенных пород при полных и катастрофических поглощениях в случае применения традиционных промывочных жидкостей (воды или глинистого раствора). Был определён ряд направлений, в которых применение водорастворимых полимеров, разрешённых Минздравом для бурения по водоносным горизонтам, представлялось целесообразным использовать для бурения скважин на нерудное сырьё в сложных условиях.
В результате осуществлённых под руководством автора опытных работ была разработана и широко внедрена технология колонкового бурения на стекольные, формовочные, общестроительные пески, пески как мелкие заполнители бетона, песчано - гравийные смеси, титано - циркониевые россыпи и др. с использованием безглинистых промывочных жидкостей на полимерной основе.
При бурении по значительным толщам обводнённых песков для этих целей ранее применялись ударно - канатный способ бурения, либо колонковое бурение с промывкой глинистым раствором. При ударно-канатном способе бурения весьма значительные трудности представляет отбор достоверного кернового материала, так как отбор его производится желонкой в условиях напорных пробок. Нередко характеристики кернового материала, полученного при таком способе его отбора, существенно отличались от того, что обнаруживалось при эксплуатационной отработке месторождений различных песков. Констатировались серьёзные, нередко принципиальные отличия по гранулометрическому, минералогическому составу, содержанию глинистой составляющей, весьма неточно отбивались литологические границы, особенно в переслаивании вмещающих песков и песков, являющихся полезным ископаемым.
При колонковом бурении с промывкой глинистым раствором в обводнённых песках как на нерудное сырьё, так и в россыпях главным недостатком являлось недопустимое привнесение глинистой составляющей.
Поэтому нами была разработана и внедрена технология бурения по таким разрезам с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей ВГР или ВКГР (в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий) для обеспечения устойчивости ствола и предупреждения обогащения керна глинистой составляющей (или вымывание её при ударно-канатном бурении).
Для получения полного, представительного и неразрушенного керна обводнённых песков впервые разработаны и внедрены оригинальные технологические приёмы его отбора при бурении с ВГР и ВКГР с помощью известного ранее, но доработанного для названных условий при участии автора двойного эжекторного колонкового снаряда ДЭКС.
Применение такой технологии позволило обеспечить следующие достоинства: высокое качество кернового материала, поднимаемого даже в обводнённых рыхлых песках без нарушения текстуры, без вымывания глинистой составляющей и мелких фракций песка, без обогащения крупнозернистыми фракциями, что характерно для ударно-канатного бурения, или обогащения глинистой составляющей, что характерно при использовании глинистых растворов; высокая точность отбивки интервалов пород в скважинах и их привязку по глубине; отсутствие напорной пробки при бурении; возможно существенного снижения металлоёмкости бурения против ударно-канатного способа; значительно увеличение коммерческой скорости бурения (в 3-4 раза).
2. Значительные трудности представляют поиски и разведка на территории Среднего Поволжья и Прикамья месторождений каменно-строительных материалов, представленных по разрезу чередованием разрушенных до состояния щебёнки и даже до состояния муки (III-IV категорий по буримости) пород - с крепкими и твёрдыми породами (IX-ХI категорий), где имеют место катастрофические поглощения промывочной жидкости, неустойчивость ствола скважины и высокая аварийность в связи с этим, а также трудности с отбором кондиционного керна, особенно в слабых разностях в связи с их размывом. Нами была исследована и внедрена технология бурения по таким разрезам с очисткой забоя ГЖС с полимерной добавкой с отбором керна снарядами ДЭКС.
Лабораторные и полевые исследования выявили, что наиболее эффективными для указанных весьма жёстких условий бурения стали ГЖС, рецептура которых подбиралась в соответствии с характером разбуриваемых пород и гидрогеологическими условиями в скважине. В качестве ПАВ наиболее эффективными показали себя в этих условиях сульфонолы, в концентрациях 0,4-0,6%, редко более; стабилизаторы пен - гипан в концентрациях 0,5-3%, редко КМЦ; показатели жёсткости воды - кальцинированная сода или триполифосфат натрия в концентрации 0,3-0,5%, так как нередко промывочная жидкость готовилась на воде повышенно жёсткости.
Отбор кернового материала осуществлялся исключительно с применением двойного эжекторного колонкового снаряда ДЭКС.
Исследованная и рекомендованная нами технология с использованием ГЖС с полимерной добавкой и бурового снаряда ДЭКС позволила успешно вести сооружение скважин в сильно трещиноватых или разрушенных до состояния щебня и муки породах, где по старой технологии наблюдалось катастрофическое поглощение промывочной жидкости, существенно повысить устойчивость ствола и снизить аварийность, осуществлять процесс бурения при водопритоках до 3 м/мин, проводить полный отбор кернового материала чередующейся плотности и твёрдости.
После получения положительных результатов при бурении с очисткой забоя ГЖС на серийных буровых установках типа УРБ-3А2, УРБ-2,5А и т.п., нами было принято решение с целью повышения эффективности осуществления бурового процесса создать передвижной модуль, на котором были бы смонтированы все необходимые для бурения с ГЖС узлы, состоящий из ряда стандартных механизмов и узлов и нестандартных, разработанных и запатентованных нами (пеногенератор, циклонный пеногаситель и др.).
Таким образом, нами впервые разработан, изготовлен и успешно применён оригинальный технико-технологический комплекс МПП с бурением скважин с очисткой забоя ГЖС с полимерными добавками.
3. В Нижегородской области под руководством и при непосредственном участии автора проводилась разведка Белбажского месторождения каменной соли. На первых этапах работы сооружения скважин глубиной 500-600 м в сложном разрезе, представленном как обводнёнными аллювиальными песками мощностью до 70 м, так и пучащими глинами с прослоями неустойчивых слабых песчаников и песков, разрушенными закарстованными известняками и доломитами, соленосными толщами с переслаиванием разрушенных доломитов, - было чрезвычайно сложным и длительным. Бурение сопровождалось высокой аварийностью, значительными осложнениями, высокой металлоёмкостью (до 4-5 обсадных колонн), низким выходом керна, особенно по соленосной толще, на сооружение одной скважины уходило до 5-6 мес.
Нами была разработана в процессе разведочных работ оригинальная технология целевого регулирования параметров промывочных жидкостей для проходки каждого сложного интервала. При этом целевым образом по интервалам бурения применялись различные комбинации реагентов - гипан, КМЦ, УЩР, кальцинированная сода, для экономии использовались естественные глинистые растворы вместо заводского глинопорошка.
Разработанная и применённая нами технология целевого регулирования параметров промывочных жидкостей в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий по стволу скважин позволила весьма существенно повысить коммерческую скорость сооружения скважин (от 0,5 до 1 месяца).
Резко снизилась металлоёмкость скважин - от 4-х-колонной (273 мм, 146 мм, 127 мм, 108 мм) до 1-колонной - 127 мм или 146 мм - для перекрытия аллювиального комплекса пород. Выход керна по полезному ископаемому на стадии детальной разведки составил по всем скважинам в среднем 96,6%. Таким образом, нами исследованы и созданы новые эффективные технологии бурения скважин на пески и каменно-строительные материалы в сложных условиях с использованием водорастворимых полимеров; создан и успешно внедрён оригинальный технико-технологический комплекс для бурения с очисткой забоя ГЖС - МПП; разработана методика целевого регулирования параметров промывочных жидкостей в зависимости от характера осложнений в скважинах, позволившая весьма существенно повысить коммерческие скорости бурения скважин на каменную соль.
Шестое защищаемое положение
Явление кавитационного разрушения крепких и твёрдых пород, установленное при бурении скважин с использованием газожидкостных систем с полимерной добавкой, подтверждённое неоднократными производственными испытаниями, открывает пути дальнейшего его исследования.
Современная технология твердосплавного бурения за многие годы (60-80 лет) не претерпела сколь-нибудь существенных изменений. Поэтому исследование возможностей использования эффекта кавитации при выполнении различных этапов сооружения скважин представляет большой интерес.
Изучением кавитации, как чрезвычайно технологически вредного и опасного процесса давно и активно занимается множество исследователей. Впервые это явление зарегистрировал Д.Бернулли. В ХХ веке его исследовали применительно к энергетике, судостроению и др. Л.А. Эпштейн, Д.А. Эфлос, К.К. Шальнёв, В.Ф. Чебаевский, Р. Кнэпп, М.М. Гуревич и многие другие.
Известны различные классификации процесса кавитации.
1) По физическим особенностям: перемещающаяся, присоединённая, вихревая, вибрационная. 2) По условиям возникновения: в потоке, на телах, движущихся в жидкости, в неподвижной жидкости. 3) По местам возникновения: на поверхности тела, на кромке крыла, в концевых вихрях. 4) По способу образования: гидродинамическая, волновая (акустическая, вибрационная, ультразвуковая), электродинамическая, гидропаровая.
Перечисление таких классификаций можно было бы продолжить. Однако нас интересуют именно те кавитационные процессы и условия, которые можно было бы использовать на различных этапах бурения и освоения скважин. Серьёзные работы в этом направлении выполнены д.т.н. Н.И. Сердюком, детально обосновавшим возможности использования эффекта кавитации для декольматации фильтровой области гидрогеологических скважин. Ряд других исследователей (В.В. Минаков, Д.А. Шустов, Е.А. Стерретт, С.П. Кодырев, В.И. Скоробогатов, И.К. Манько, В.В. Пилипенко, А.П. Закора) также изучали возможности применения эффекта кавитации в различных областях геологоразведочных работ. Н.Ф. Кагарманов и С.И. Кувыкин обратили внимание, что кавитационная эрозия матрицы алмазных коронок возникает на выходе из промывочного канала. Д.т.н. В.Ф. Чихоткин в Институте сверхтвёрдых материалов АН Украины также исследовал возникновение разрушающей алмазные коронки кавитации.
В 90-х годах были предприняты первые попытки использовать эффект кавитации для разрушения горных пород в бурении (Н.И. Сердюк и др.). Однако необходимость поддерживать в процессе углубки необходимые параметры кавитации и защитить от её разрушающего действия породоразрушающий инструмент не позволили выйти за пределы стендовых испытаний.
Известно также, что в практике геологоразведочного бурения фиксировались отдельные единичные случаи многократного возрастания скорости бурения в крепких породах, предполагаемо относимых к работе эффекта кавитации. Добиться же возникновения устойчивого регулируемого процесса кавитационной эрозии забоя скважин ранее никому не представлялось возможным. Однако все авторы, занимающиеся проблематикой кавитации в различных отраслях, отмечали, что в любых модульных - лабораторных и стендовых - испытаниях области возможного возникновения кавитации и её эффективной работы могут быть установлены лишь весьма приблизительно в связи с высокой изменчивостью характеристик и свойств жидкостей в реальных условиях, тем более для использования кавитации для разрушения горных пород при бурении скважин. Тем не менее, хотя бы в достаточно общем плане, такие параметры областей возникновения кавитации и граничные условия их эффективности должны были быть определены.
В ФГУГП Волгагеология на созданной оригинальной модульной установке МПП для бурения скважин с очисткой забоя ГЖС удалось зафиксировать технологические параметры ГЖС, при которых начинал эффективно проявляться процесс кавитационной эррозии забоя.
Эта установка была создана, сконструирована и построена для бурения скважин в сложных условиях чередования безводных и малообводнённых разрушенных слабых, а также крепких пород с очисткой забоя ГЖС, где бурение с промывкой водой или другими промывочными жидкостями связан с обвалообразованием и полными или катастрофическими поглощениями. В связи с этим в лабораторных условиях проводились испытания различных вариантов ГЖС с целью повышения её реологических свойств и стабильности. Было выполнено несколько сот опытов по определению оптимальных составов и комбинаций пенообразователей, стабилизаторов и химических добавок. В процессе этих работ определялись стабильность пены, пластическая вязкость (Мn), динамическое напряжение сдвига (o), эффективная вязкость (э). Не останавливаясь на деталях этих исследований, так как это не входит в сферу интересов данной работы, лишь укажем, что для полевых испытаний были выбраны различные содержания в воде сульфанола, гипана, а также добавлялось 0,5% соды для смягчения используемой воды высокой жёсткости. Комбинируя для создания ГЖС различные пропорции этих компонентов уже в процессе бурения на Радищевском участке в Ульяновской области на нерудное сырьё, мы обнаружили, что при содержаниях в ГЖС сульфанола от 1% до 1,5% и гипана-1 от 2% до 3% при бурении по сливным кварцевым песчаникам IX-X категорий по буримости механическая скорость бурения составила от 2,4 м/час до 6,0 м/час, т.е. была сопоставимой с механической скоростью бурения по вмещающим породам III-IV категорий - от 8,6 до 16 м/час. Это тем более удивительно, что при бурении по ранее применявшейся технологии бурения всухую с подливом воды она не превышала 0,12 м/час.
Прямых закономерностей зависимости механической скорости бурения от числа отборов бурового снаряда (изменялся от 200 до 300 об/мин), нагрузки на забой (8 до 12 кН), а также типа коронок (СА-4, СА-6, СТ-2) не было установлено. При снижении содержания в ГЖС сульфанола до 0,5% и гипана до 1-1,5% механическая скорость резко падала (в 5-10 раз). Было установлено, что по ранее применявшейся технологии бурения всухую с подливом воды расход коронок типа СА-4 и СА-6 при бурении по сливным песчаникам IX-X категорий по буримости составлял 5-6 коронок на 1 м бурения, по новой технологии износоресурс коронок составлял от 7,7 м до 15,6 м на коронку независимо от типа коронок. Анализ полученных данных привёл нас к выводу, что нами обнаружено явление кавитационного разрушения пород IX-Х категорий по буримости в процессе бурения с очисткой забоя ГЖС.
Установлено, что процесс стабильной устойчивости кавитационного разрушения крепких пород на забое скважин возникает, если в ГЖС введён полимер гипан-1 в содержаниях 2-3%. Наибольшее возрастание механической скорости бурения при этом имело место при давлении на смесителе 0,1-0,15 МПа. Число оборотов бурового снаряда поддерживалось 200 об/мин, давление на забой 35-55 кг/см2. Однако два последних параметра, а также тип коронки не оказывали существенного влияния на уровень механической скорости бурения. Таким образом, в ГЖС с содержанием 0,5% кальцинированной соды (для смягчения воды и лучшего пенообразования), 1-1,5% сульфанола и 2-3% гипана-1 устанавливался режим стабильного кавитационного потока, в котором коллапс кавитационных полостей и пузырьков происходил стабильно в области повышенного давления в призабойной зоне. Поэтому забой подвергался мощному ударному воздействию от схлапывающихся пузырьков и полостей.
Понятно, что если силы этого воздействия превосходят силы внутреннего сцепления частиц разбуриваемых пород, то и происходит кавитационная эрозия - т.е. породы на забое интенсивно разрушаются, что и имело место в нашем случае.
Стабильность процесса обеспечивалась введением в ГЖС гипана, а также тем, что при бурении именно по монолитным твёрдым и крепким породам влияние зазоров, пазов и выступов буровых коронок было также стабильным.
Таким образом, при бурении по монолитным крепким породам нам удалось выявить и длительное время поддерживать те технологические параметры, при которых происходило устойчивое образование кавитационного потока, а также его устойчивое воздействие на забой.
Это важный практический результат, позволяющий сделать ряд выводов:
1. В ФГУГП Волгагеология определённо зафиксировано и системно закреплено явление породоразрушающего эффекта кавитации при бурении скважин в твёрдых и крепких породах (IX-XI кат.) с применением ГЖС.
2. Определена зависимость непрерывного породоразрушающего эффекта при бурении в указанных условиях от наличия в ГЖС полимера - гипана, как стабилизирующего промывочный поток реагента.
3. Механическая скорость бурения при этом увеличилась, по сравнению с обычным бурением твёрдосплавными коронками СТ-2, СА-4 и СА-5 - в 60-100 раз, причём тип коронки нисколько не влиял на этот показатель, что косвенно также свидетельствует о действии на разрушение горных пород эффекта кавитации, а коронка лишь зачищала забой.
4. Выявлены закономерности, позволяющие наметить пути теоретических, лабораторных, полигонных и полевых исследований, результатом которых может явиться определённая степень прогноза параметров управления процессом кавитации в различных условиях для поддержания его породоразрушающего эффекта на забое при бурении.
5. Успешное решение этой задачи может помочь принципиально по-новому взглянуть на выработку эффективных технологий и технических средств разрушения горных пород при бурении скважин в твёрдых и крепких породах.
Седьмое защищаемое положение
Новая технология создания в скважине упрочняющихся во времени гель-цементов (ПГЦС) за счёт использования закономерности взаимодействия молекул полимеров с ионами поливалентных металлов, характерных для подземных вод, позволила существенно расширить диапазон эффективных средств для ликвидации геологических скважин различного назначения.
Бурение скважин нередко проводится в сложных геологических условиях, связанных с поглощением промывочной жидкости, а, следовательно, с дополнительными затратами на его предупреждение и ликвидацию.
Предприятием Волгагеология при участии и под руководством автора накоплен определённый опыт ликвидации поглощений промывочной жидкости в скважинах. Помимо применения традиционных методов тампонажа зон поглощения (заливка высоковязких глинистых растворов, тампонаж заброской глинистых шариков, заливка тампонажного цемента и др.), преимущества и недостатки которых общеизвестны и которые далеко не во всех условиях дают необходимый эффект, проводились производственные эксперименты по ликвидации зон поглощения специальными тампонажными материалами на основе синтетических смол типа МФ-17.Кроме того, рассматривалась возможность использования полиакриламида в качестве тампонирующего материала. Быстросхватывающиеся смеси на основе синтетических смол не получили широкого распространения по ряду существенных технологических причин. Рекомендации по использованию тампонажных материалов на основе полиакрил-амида также не получили применения в силу технологической сложности их приготовления и применения.
Поэтому была поставлена задача разработки новых эффективных тампонажных смесей для изоляции зон поглощения. Первоначально проводились лабораторные работы, целью которых являлся подбор таких тампонажных материалов, которые соответствовали бы ряду заданных условий: исходные материалы должны быть достаточно широко распространены, доступны потребителю и относительно недороги в рекомендуемых к применению количествах; технология приготовления тампонажной смеси должна быть несложна; необходимо, чтобы способ доставки тампонажной смеси в скважину был прост, а сама смесь технологична - она должна обладать достаточно высокой растекаемостью; необходимо, чтобы тампонажная смесь обладала способностью образовывать в порах, трещинах и кавернах изолирующий материал, достаточно устойчивый к размыву подземными водами и в то же время легко разрушаемый породоразрушающим инструментом; исходные материалы и тампонажная смесь должны быть нетоксичны.
В качестве исходных материалов для создания новых тампонажных смесей были выбраны тампонажный цемент, бентонитовый глинопорошок, кальцинированная сода, КМЦ и гипан. Тампонажный цемент - вяжущее вещество, глина - наполнитель и коагулирующее вещество, кальцинированная сода - реагент, способствующий лучшему диспергированию глинистых частиц в растворах. Что же касается КМЦ и гипана, то они в комбинации друг с другом наилучшим образом способствуют повышению вязкости различных растворов и смесей и, что немаловажно, разрешены ведомством здравоохранения как компоненты промывочных жидкостей для бурения скважин на воду. Они также придают консолидирующей смеси высокую эластичность.
Кроме того, и что существенно, нами учитывалось то качество гипана, которое является весьма характерным для него - коагуляция при встрече с ионами поливалентных металлов, особенно двух- и трёхвалентного железа. Это его свойство эффективно используется при применении безглинистых полимерных промывочных жидкостей для бурения скважин на воду в рыхлых неустойчивых отложениях. Дополнительно при этом нами использовалось и его отрицательное, с точки зрения правильного освоения водоносных горизонтов, свойство в вышеуказанных условиях - если прокачка скважин по окончании бурения по технологическим требованиям своевременно не проведена, то в скважине в результате взаимодействия гипана и катионов железа образуются гель-коагулянты, удаление которых в последующем чрезвычайно затруднено.
В лабораторных условиях были разработаны две основные рецептуры ПГЦС:
для ликвидации частичного поглощения промывочной жидкости (интенсивность поглощения до 10 м3/ч, иногда более). Состав смеси (в %): глина - до 20, цемент - 4-6, гипан - 5-8, КМЦ - 0,5-1, Na2CO3 - 0,5. Растекаемость по конусу АзНИИ до 14 см, начало схватывания
1-1,5 ч, конец консолидации 36-40 ч;
для ликвидации полного поглощения промывочной жидкости (интенсивность поглощения в условиях опытов до 18 м3/ч) состав смеси (в %):: глина - 20-25, цемент - 6-8, гипан - 10-15, КМЦ - 2, Na2CO3 - 0,5-1. Растекаемость по конусу АзНИИ - 9 см, начало схватывания 0,75-1 ч, конец консолидации 25-30 ч.
Возможны и другие комбинации выбранных компонентов.
Приготовленная ПГЦС представляет из себя густую, трудно прокачиваемую буровым насосом массу.
Консолидированная ПГЦС - эластичная гелеобразная масса, легко разрушаемая при непосредственном контакте с буровым инструментом и в то же время устойчивая к размыву подземными водами и промывочной жидкостью.
Лабораторные и полевые испытания высветили принципиально новое явление при использовании тампонажной смеси - ПГЦС: в условиях контакта с катионами железа, весьма характерными для аллювиальных подземных вод, доставленная на забой смесь и образовавшаяся эластичная гелеобразная масса постепенно упрочняется - затвердевает в результате взаимодействия гипана с Fe3+ и Fe2+. Это создаёт возможность целевого регулирования параметров времени затвердевания и характера упрочнения тампонажного гель-камня.
Полевые испытания ПГЦС проводились в различных геолого-технических условиях: в обводнённых песках; в условиях пестроцветных пермских отложений (чередование прослоев глины, аргиллитов и пористых, трещиноватых слабых песчаников, мергелей, известняков); в трещиноватых и кавернозных известняках и доломитах.
Испытания проводились на тех объектах, где традиционные методы ликвидации интенсивных (до полного) поглощений либо не давали нужных результатов, либо требовали длительного времени. ПГЦС испытана при ликвидации интенсивного поглощения промывочной жидкости на 21 скважине. Успешно изолировано 130 зон поглощения.
Итак, в предприятии Волгагеология под руководством автора разработаны, испытаны и успешно внедрены новые тампонажные смеси для ликвидации интенсивного поглощения промывочных жидкостей - ПГЦС, обладающие рядом достоинств: несложен способ приготовления; использование распространённых доступных компонентов (тампонажный цемент, глина, КМЦ, гипан, кальцинированная сода, вода); нетоксичность компонентов смеси.
ПГЦС могут быть рекомендованы для тампонирования зон интенсивного поглощения промывочной жидкости в кавернозных и раскарстованных породах. ПГЦС технологична, просты способы доставки её в зоны тампонирования, она хорошо проникает в полости и трещины горных пород, тампонажная пробка легко удаляется из ствола скважины.
Обнаруженное явление постепенного упрочнения во времени гель-камня на полимерной основе при контакте с подземными водами, содержащими катионы железа, создаёт принципиально новую возможность целевого регулирования параметров тампонажного материала - времени затвердения и характера упрочнения тампонажного гель-камня.
Основные выводы и рекомендации
Теоретические, экспериментальные и производственные исследования позволили по теме данной работы сделать следующие основные выводы:
1.Установлены и исследованы закономерности взаимодействия ряда водорастворимых полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ) с ионами поливалентных металлов, характерных для пресных подземных вод, а также между собой, что позволило рекомендовать их для создания безглинистых полимерных промывочных жидкостей для вскрытия и освоения водоносных горизонтов, заключённых в песчано-гравийных отложениях.
2.Исследованы технологические свойства безглинистых полимерных промывочных жидкостей.
3.Выполнены совместно с Московским институтом им. Ф.Ф. Эрисмана санитарно - гигиенические свойства рекомендованных полимеров с целью их использования для гидрогеологического бурения.
4.Разработаны, научно обоснованы и широко внедрены инновационные технологии гидрогеологического бурения в сложных условиях с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей: в обводнённых песках и ПГС; на подмерзлотные воды; в многослойных коллекторах.
5.Открыты явления образования гель-агрегатов, как результата взаимодействия водорастворимых полимеров с подземными водами, что является главным кольматирующим агентом безглинистых полимерных промывочных жидкостей.
6.Выявлены закономерности формирования кольматирующих агентов безглинистых полимерных промывочных жидкостей ВГР, ВКГР, а также на основе ВПРГ.
7.Разработаны технологические приёмы, позволяющие проводить эффективную декольматацию стенок скважин в рыхлых песчано-гравийных неустойчивых отложениях по окончании бурения гидрогеологических скважин.
8.Изучены зависимости характера устойчивости песчаных стенок скважин от гранулометрического состава песков и фильтрационного расхода.
9.Изучена зависимость устойчивости песчаных стенок скважин от состава безглинистых полимерных промывочных жидкостей.
10.Установлены граничные области применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей в зависимости от гранулометрического состава песчано-гравийных отложений, коэффициента фильтрации водоносных горизонтов и избыточного гидростатического давления.
11.Разработаны критерии выбора и целевого регулирования параметров безглинистых полимерных промывочных жидкостей в зависимости от конкретных геолого - гидрогеологических условий в скважинах.
12.Разработана методология оценки информативности применяемых технологий гидрогеологического бурения на основе энтропийского анализа для оценки и выбора базовых технологий для конкретных геолого-гидрогеологических условий
13.Исследованы и созданы инновационные технологии бурения скважин на нерудное сырьё и россыпи с использованием безглинистых полимерных промывочных жидкостей, позволившие обеспечить получение незаглинизированного конкреционного керна, устойчивость ствола и высокие коммерческие скорости бурения.
14.Разработана и успешно внедрена технология бурения на каменно-строительное сырьё в сложных условиях с использованием ГЖС со стабилизирующей полимерной добавкой, позволившей стабильно использовать выявленный эффект кавитационной эррозии забоя для разрушения пропластков твёрдых и крепких пород.
15.Создан и внедрён оригинальный комплекс МПП для бурения с ГЖС.
16.Разработана методика целевого регулирования параметров промывочных жидкостей в зависимости от характера осложнений в скважинах на каменную соль.
17.Выявлены и теоретически обоснованы зависимости взаимодействия и целевого назначения инновационных полимер-глино-цементных смесей (ПГЦС) и определена область их применения.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ
№№ п/п | Наименование труда, открытия, изобретения | Печатный, рукопись | Название издательства, журнала | Год издания | Кол-во истов | Соавторы |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
Монографии, брошюры | ||||||
1 | Прогрессивная технология бурения гидрогеологических скважин | печатный | Москва, издательство Недра | 1992 | 18,0 | Башкатов Д.Н. Панков А.В., |
2 | Оптимизация процессов разведочного бурения | печатный | Москва РАЕН | 1997 | 259 стр. | Башкатов Д.Н. |
3 | Новые технологии и технические средства для сооружения, освоения и ликвидации гидрогеологических скважин | печатный | Москва Геоинформцентр | 2002 | 11,75 | Вагин Н.А. Голиков С.И. Зайцев Б.И. |
4 | Инновационные инженерные решения и их экономические оценки | печатный | Москва Инфра-М | 2005 | 15,0 | Фёдоров О.В. Алтунин Б.Ю. Беляев С.В. |
5 | Новые технические средства и технологии для бурения скважин на воду и нерудное сырьё | печатный | Москва Геоинформмарк | 2010 | 14,75 | Зайцев Б.И. Голиков С.И. |
6 | Внедрение новых технологий бурения гидрогеологических скважин | печатный | София Болгария | 1994 | 3,8 | Власковский И. Иванов Б. Башкатов Д.Н. Вагин Н.А. |
7 | Новые технологии и технические средства для сооружения и ликвидации гидрогеологических скважин | печатный | Москва Геоинформмарк | 1999 | 5,5 | Вагин Н.А. Голиков С.И. Зайцев Б.И. |
8 | Некоторые предложения по методике оценки условий применения базовых технологий бурения | печатный | Нижний Новгород, РосГео | 2001 | 2,1 | |
Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК | ||||||
9 | Бурение гидрогеологических скважин с промывкой водогипановыми растворами | печатный | Москва Разведка и охрана недр № 9 | 1977 | 0,3 | Панков А.В. Щенников Е.В. |
10 | Перспективы развития технического прогресса при сооружении скважин на воду | печатный | Москва Известия ВУЗов № 123 | 1982 | 0,3 | Башкатов Д.Н. Панков А.В. |
11 | Новые полимерные промывочные жидкости | печатный | Москва Разведка и охрана недр № 8 | 1988 | 0,1 | Панков А.В. Кулагин А.С. |
12 | Кольматирующие факторы полимерных промывочных жидкостей | печатный | Москва Известия ВУЗов | 1988 | 0,2 | |
13 | Роль мониторинга геологической среды в оздоровлении геологической обстановки | печатный | Москва Разведка и охрана недр | 2000 | 0,3 | |
14 | Разработка прогрессивных технологий сооружения и освоения гидрогеологических скважин | печатный | Москва Разведка и охрана недр | 2000 | 0,3 | |
15 | Состояние и региональные проблемы мониторинга геологической среды Волжского бассейна | печатный | Москва Разведка и охрана недр | 2005 | 1,5 | Агафонов В.П. Куренной В.В. |
16 | Исследование закономерностей, влияющих на кольматирующие свойства полимерных промывочных жидкостей | печатный | Новочеркасск Известия ВУЗов № 3 | 2011 | 0,5 | |
17 | К вопросу возникновения эффекта кавитации в бурении с использованием газожидкостных смесей | печатный | Москва Разведка и охрана недр № 4 | 2011 | 0,2 | |
Кроме того, опубликовано ещё 67 статей по теме диссертации, получено 11 авторских свидетельств и 3 патента.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по земле