Инновационные технологии сооружения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях на основе водорастворимых полимеров

Коломиец, Алексей Маркович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Инновационные технологии сооружения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях на основе водорастворимых полимеров
ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Инновационные технологии сооружения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях на основе водорастворимых полимеров"

2580

На правах рукописи

КОЛОМИЕЦ Алексей Маркович

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ СООРУЖЕНИЯ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ НА ОСНОВЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПОЛИМЕРОВ

1 Ь

Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Москва - 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном геологическом предприятии «Волгагеология» (г. Н.Новгород) и на кафедре современных технологий бурения скважин им. Б.И. Воздвиженского Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе (г. Москва).

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Калинин Анатолий Георгиевич

доктор технических наук, профессор Третьяк Александр Яковлевич

доктор технических наук, доцент Будюков Юрий Евдокимович

Ведущее предприятие - ФГУГП «Гидроспецгеология».

Защита состоится 22 июня 2011 г. в 15.00 в ауд 4-15Б на заседании диссертационного совета Д212.121.05 Российского государственного геологоразведочного университета по адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « 20 » мая 2011 г.

Учёный секретарь специализированного Совета, кандидат технических наук

А.П. Назаров

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

2011 Общая характеристика работы

Актуальность работы

В настоящее время всё более актуальное значение приобретает использование подземных вод для обеспечения, прежде всего, питьевых потребностей населения страны. Это обусловлено нарастающим отрицательным техногенным и антропогенным воздействием на поверхностные ресурсы пресных вод, нарастающей опасностью их загрязнения.

В 2006 году вышло Постановление Правительства РФ «Об утверждении правил резервирования источников питьевого водоснабжения» № 703, в котором декларируется необходимость обеспечения подземной водой (именно - защищенными 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 защищенной 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, разработка 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 в таких условиях вращательным способом с применением глинистых промывочных жидкостей, технической воды, а также ударно-канатного способа либо не обеспечивали надлежащего уровня вскрытия и освоения водоносных горизонтов, либо отличались высокой аварийностью и металлоёмкостью. Поэтому проблемам сооружения скважин в рыхлых комплексах пород автор уделяет основное внимание. При этом он опирается на фундаментальные разработки в области теории и технологии бурения скважин, выполненные в разные годы Н.И. Кули-чихиным, Б.И. Воздвиженским, Ф.Н. Шамшевым, С.А. Волковым, Е.Д. Эп-штейиом, К.Г Володчеико, С.С. Сулакшиным, Е.А. Козловским, А.Г Калининым, Б.Б. Кудряшовым, Б.М. Ребриком, А.Г Грабчаком, В.Г Кардышем и др.

Большой вклад в исследование, разработку и внедрение высокоэффективных технологий сооружения скважин на воду внесли B.C. Алексеев,

A.Д. Башкатов, Д.Н. Башкатов, В.М. Беляков, Ю.Е. Будюков, И.Ф. Володько,

B.М. Гаврилко, В.Г Гребенщиков, С.М. Гульянц, C.JT. Драхлис, А.И. Деревянных, A.C. Дерман, E.H. Дрягалин, В.М. Касаткин, Г.ГТ. Квашнин, М.Н. Клементов, A.M. Магурдумов, Ю.М. Носовский, Ю.А. Олоновский, М.Т. Оноприенко,

A.B. Панков, Ю.М. Парийский, В.А. Роговой, Н.И. Сердюк, Н.В. Соловьёв,

B.М. Сутягин, А.Г Тесля, В.П. Ткаченко, А.Я. Третьяк, М.И. Фазлуллин и др.

При анализе и научной разработке различных проблем и задач создания и

применения буровых промывочных жидкостей автором использовались значительные исследования К.Ф. Жигача, С.Н. Ятрова, Б.И. Есьмана, Р.И. Шищенко, Б.С. Филатова, С.Ю. Жуховицкого, O.K. Ангелопуло, Н.С. Пауса, А.Х. Мир-заджанзаде, А.И. Булатова, А.К. Козодоя, Э.Г. Кистера, А.Я. Рязанова, Н.А.Гукасова, В.И. Рябченко, A.M. Яковлева, JIM. Ивачёва, В.В.Куликова, JT.B. Макарова, Е.Г. Леонова, Б.И. Мительмана, Н.Ф. Семенко, Валкери, Миллера, Дональда и др.

Одна из главных задач, которую поставил перед собой автор, это разработка эффективных технологий бурения гидрогеологических скважин в сложных условиях рыхлых неустойчивых песчано-гравийных отложений на базе создания, исследования свойств и применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей, которые, с одной стороны, обеспечивали бы устойчивость стенок скважин, невысокий фильтрационный расход и простоту ведения технологических процессов сооружения скважин, а, с другой стороны, простоту и надёжностьдекольматации этих скважин с целью обеспечения высокой и достоверной геолого-гидрогеологической информативности при освоении водоносных горизонтов.

Вторая актуальная задача исследований связана с созданием технических решений и технологий бурения скважин на нерудное сырьё.

В России в настоящее время существенно нарастает интерес к развитию отрасли производства нерудных строительных материалов, а также к поискам и разведке дефицитных для российской экономики полезных ископаемых, приуроченных к россыпям.

Технология сооружения скважин такого назначения, проходимых в сложных горно-геологических условиях, связана с серьёзными трудностями по отбору кондиционного керна, борьбой с осложнениями и авариями.

По существу, таких технологий, которые позволяли бы осуществлять полный отбор кондиционного незагрязнённого глинистым раствором песчаио-гравийного материала в сухих и обводнённых разрезах при поисково - разведочных работах на стекольные, формовочные и другие пески, при сохранении устойчивости ствола скважин, просто не существовало. Бурение осуществлялось, в основном, ударно-канатным способом.

Кроме того, весьма значительные объёмы геологоразведочных работ в Поволжье ведутся на другие виды нерудного сырья - каменную соль, каменно-строительные материалы и др. также в весьма сложных горно-геологических условиях (обвалообразование, полные и катастрофические поглощения промывочной жидкости и связанные с этим высокая аварийность и металлоёмкость скважин, а также низкий выход керна). Разработка рациональных технологий сооружения скважин в таких условиях, целевого выбора параметров промывочных жидкостей по интервалам осложнений также является актуальной задачей.

Поэтому автором рассматривается и эта задача, связанная с теоретической разработкой и созданием новых рациональных технологий, принципиально новых промывочных жидкостей, технологии и технических средств их эффективного применения.

Настоящая диссертация базируется на результатах теоретических и технологических исследований, производственных испытаний, выполненных автором и под его руководством в ФГУГП «Волгагеология», ФГУГП «Центргео-логия», «Востокбурводе», «Гидроспецгеологии», в Болгарии, Монголии, Эфиопии, Мавритании.

Цель исследований

Целью данной диссертационной работы является получение достоверной геологической информативности, высоких технико-экономических показателей и экологической безопасности работ по сооружению скважин различного назначения в сложных горно-геологических условиях за счёт разработки и внедрения новых рациональных технологий и технических средств, новых высокоэффективных очистных агентов на основе полимерных промывочных жидкостей и газожидкостных систем.

Основные задачи исследований:

изучение широкого спектра 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 методики оценки базовых технологий сооружения скважин па воду в сложных условиях и критериев их выбора в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий;

разработка новых эффективных технологий и технических средств бурения скважин на твёрдые полезные ископаемые в сложных условиях с использованием водорастворимых полимеров с целью обеспечения отбора кондиционного керна и снижения осложнений и аварийности в процессе бурения.

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 темам исследований, анализ и научное обобщение собственного производственного опыта, лабораторные, стендовые, полигонные испытания и широкая производственная апробация их результатов.

Лабораторные и стендовые исследования велись на созданных с участием автора технических средствах с использованием необходимой электроизмерительной техники и современных методик.

Научная новизна

1. Выявлены зависимости ряда технологических свойств безглинистых полимерных промывочных жидкостей (условной вязкости, фильтрационного расхода, несущей способности, замерзаемости) от различных факторов (содержания компонентов, гранулометрического состава песчано-гравийных отложений, избыточного гидростатического давления, температур). Это позволило создать эффективные рецептуры растворов и рекомендовать, а затем широко внедрить их в практику бурения в сложных условиях.

2. Определены закономерности взаимодействия ряда водорастворимых полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ) с ионами поливалентных металлов, характерных для пресных подземных вод, а также между собой, которые позволили распознать механизм гелеобразования, являющийся наиболее существенным фактором надёжной кольматации песчаных водоносных горизонтов при вскрытии их безглинистыми полимерными промывочными жидкостями, а также выработать рекомендации по технологии декольматации этих горизонтов при их освоении.

3. Установлены закономерности формирования устойчивости рыхлых песчаных стенок скважин в зависимости от гранулометрического состава песков, параметров промывочных жидкостей, фильтрационного расхода и избыточного гидростатического давления.

4. Установлены граничные условия применения инновационных технологий эффективного вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных геологических условиях с использованием безглинистых полимерных промывочных жидкостей - по статическому уровню и коэффициенту фильтрации пород -водоносного горизонта.

5. Установлены зависимости свойств безглинистых полимерных промывочных жидкостей от отрицательных температур, на основе чего разработана технология их применения в зонах многолетнемёрзлых пород для вскрытия и освоения подмерзлотных вод в сложных условиях.

6. Разработана методология оценки информативности применяемых технологий гидрогеологического бурения на основе энтропийного анализа с целью оценки и выбора базовых технологий в конкретных геолого - гидрогеологических условиях.

7. Выявлена зависимость упрочнения во времени в условиях скважины предложенных нами гель-цементов - от свойства содержащихся в них полимеров взаимодействовать с ионами поливалентных металлов подземных вод.

Практическая ценность и реализация работы в производстве

Разработанные на основе выполненных исследований принципиально новые эффективные технологии сооружения скважин на воду в сложных условиях широко внедрены в практику работ в геологических организациях на европейской территории России и в Поволжье, входили как основные мероприятия в планы внедрения новой техники Мингео СССР, Мингео РФ, успешно применялись в других регионах нашей страны и за рубежом - в Монголии, Эфиопии, Мавритании, Болгарии.

Они позволили при существенном сокращении затрат обеспечить надёжность и эффективность вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных условиях, повысить достоверность получаемых гидрогеологических параметров, полноту и качество кернового материала, значительно повысить коммерческие скорости бурения, существенно сократить сроки разведки месторождений полезных ископаемых (воды; строительных, стекольных и формовочных песков, каменно-строительных материалов, россыпей, солей и др.).

Результаты выполненных исследований используются в учебном процессе геологических и геологоразведочных учебных заведений при чтении курса бурения гидрогеологических скважин.

Главное практическое значение этих разработок - развито новое технологическое направление, дающее огромный экономический эффект, который только для ФГУГП «Волгагеология» составил более 250 млн.руб.

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 го-дах;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 X Международном промышленно-экономическом форуме «Единая Россия» (г. Н.Новгород, 2005 г.), Международном геологическом конгрессе (г. Флоренция, 2006г.), международных конференциях МГГА (МГРИ) «Новые идеи в науках о земле» (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 8 монографиях, 76 печатных брошюрах и статьях, 11 авторских свидетельствах и 3 патентах. Из них 9 статей изданы в рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание учёной степени доктора наук - «Известия ВУЗов», «Разведка и охрана недр».

Объём и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов и рекомендаций, списка опубликованных работ автора по теме диссертации, списка использованной литературы. Она содержит 201 страницу машинописного текста, 38 таблиц и 18 рисунков.

Первое защищаемое положение

Исследованные и установленные свойства безглинистых полимерных промывочных жидкостей и выявленные закономерности их взаимодействия с подземными водами и со стенками скважин в рыхлых песчаных отложениях позволили создать инновационные технологии эффективного вскрытия и освоения этих водоносных горизонтов.

Вскрытие водоносных горизонтов, заключённых в рыхлых неустойчивых песчано-гравийных отложениях, в течение длительного времени осуществлялось либо вращательным способом с промывкой глинистым раствором, либо ударно-канатным способом. В конце XX века по инициативе Д.Н. Башкатова, Г.П. Квашнина, М.Г Оноприенко, A.B. Панкова и др. исследовалась возможность использования в качестве промывочной жидкости в таких геолого-гидрогеологических условиях - технической воды - с прямой или обратно-всасывающей промывкой. Недостатки этих способов общеизвестны. Они имеют весьма значительные ограничения либо в связи с технической и технологической сложностью их применения, либо с ненадёжной и нестабильной информативностью, либо с низкой производительностью и высокой стоимостью.

Поэтому нами были предприняты усилия по разработке безглинистых полимерных промывочных жидкостей (БППЖ), исследованию их свойств, опыту внедрения их в производственных условиях и выработке технико - технологических рекомендаций по их широкому применению в производстве с целью устранения недостатков, присущих бурению с промывкой глинистым раствором, технической водой или ударно-канатным способом при сохранении их положительных свойств.

Для правильной постановки задач нами были сформулированы основные требования, которым должны отвечать промывочные жидкости для вскрытия и освоения водоносных горизонтов, заключённых в рыхлых неустойчивых песча-но-гравийных отложениях:

обладать достаточной вязкостью и хорошими несущими свойствами для обеспечения эффективного выноса шлама с забоя скважин; обеспечивать надёжнуюкольматацию водоносного горизонта в процессе вскрытия для снижения фильтрационного расхода и гарантии устойчивости стенок скважин;

не препятствовать быстрой и эффективной декольматации водоносного горизонта с целью обеспечения достоверной геолого-гидрогеологической информации;

позволять беспрепятственное ведение процесса сооружения гидрогеологических скважин в любых климатических условиях, в т.ч. в зимнее время;

быть нетоксичной, экологически безопасной, недорогой и доступной. В связи с изложенным и на основании анализа научной литературы и производственного опыта нефтяников, а также с учётом выполненных в последующем санитарно-гигиенических исследований нами были выбраны для создания полимерных промывочных жидкостей, удовлетворяющих вышеуказанным требованиям, реагенты: гипан, карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) и затем водорастворимый порошок реагент гипан (ВПРГ). Для изучения технологических свойств полимериых растворов (водогипановые - ВГР, водо-КМЦ-гипа-новые - ВКГР и на основе полимера ВПРГ), с целью выработки оптимальной технологии и определения граничных условий их применения нами был впервые выполнен значительный объём лабораторных, стендовых и полигонных исследований, а также производственных испытаний этих растворов.

В лабораторных условиях изучались следующие свойства полимериых растворов: условная вязкость, несущая способность (скорость оседания частиц песка различного фракционного состава); морозостойкость, характер кольмати-рующих свойств. Применялись стандартные лабораторные приборы, опыты проводились по известным методикам.

С целью моделирования процессов, происходящих в скважинах, был изготовлен стенд с использованием методики ВСЕГИНГНО, на котором были изучены:

зависимость фильтрационного расхода растворов от их вязкости, гранулометрического состава песков и избыточного гидростатического давления;

устойчивость стенок скважин в зависимости от избыточного гидростатического давления, фильтрационного расхода и содержания полимеров в растворе;

кольматирующие свойства полимерных растворов. Изучение свойств полимерных растворов производилось в следующей последовательности: изучение свойств ВГР; изучение свойств ВКГР; изучение свойств ВПРГ

Изучение свойств ВГР Вязкость ВГР. Исследование вязкости полимерных растворов проводилось в лабораторных условиях с помощью стандартного полевого вискозиметра СПВ-5. Выбор этого прибора, определяющего так называемую «условную» вязкость промывочной жидкости в секундах, обусловлен тем, что в полевых условиях других методов определения вязкости не применяют, а получаемые на нём результаты достаточно наглядно характеризуют этот параметр для проведения сравнительного анализа.

Лабораторные данные изменения условной вязкости ВГР от содержания гипана приведены в табл. 1. Таблица 1. Зависимость условной вязкости ВГР от содержания гипана

Измерения производились при лабораторной температуре +16°С.

Таким образом, условная вязкость гипана при содержаниях его в ВГР от 2 до 5% является вполне технологичной для использования гипана в качестве буровой промывочной жидкости. Повышение вязкости ВГР в зависимости от содержания гипана обусловлено тем, что чем выше содержание полимера, тем значительнее связи молекул и фибрилл, образующих в растворе пространственные сетки.

ВГР. Она представляет собой отношение скорости оседания песчаных частиц различного гранулометрического состава в воде - к скорости их оседания в полимерном растворе. Данные лабораторных исследований её приведены в табл.2.

Содержание Условная

гипана, % вязкость

ВГР, с

0 (вода) 15

1 17

2 20

3 23

4 26

5 30

10 50

20 108

Несущая способность

Содержание Условная Несущая способность ВГР для песчаных смесей

гипана, % вязкость различных фракций, мм

ВГР, с 0,25 0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0

0 15 1,0 1,0 1,0 1,0

1 17 2,4 2,4 2,6 2,7

2 20 4,9 4,8 4,7 4,5

3 23 6,5 6,2 5,6 5,1

4 26 10,0 9,6 9,5 8,8

5 30 14,7 15,3 13,4 12,7

Следовательно, при изменении условной вязкости ВГР от 17 до 30с по СПВ-5 его несущая способность по сравнению с водой увеличивается от ~ 3 до ~ 14 раз и несколько снижается при увеличении размера песчаных фракций.

Таким образом, при содержаниях гипана в ВГР от 2 до 5% и выше несущая способность такого раствора является технологичной для использования его в качестве буровой промывочной жидкости.

Изучение замерзаемости ВГР проводилось с целью определения возможности применения этого раствора в зимнее время. Результаты приведены в табл. 3 и на рисунке 1. Таблица 3. Зависимость замерзаемости ВГР от содержания гипана

Содержание Температура

гипана, % замерзания

ВГР, °С

1 -1,5

2 -2,5

3 -3,5

4 -4

5 -4,5

10 -6,5

20 -7,5

Таким образом, при изменении содержания гипана в ВГР от 1 до 5% (условная вязкость - от 17 до 30с) температура замерзания ВГР понижается от -1,5°С до -4,5°С, что расширяет возможность применения ВГР в зимнее время.

Нами выполнены стендовые исследования зависимости фильтрационного расхода ВГР от условной вязкости, гранулометрического состава песка (размера фракций) и избыточного гидростатического давления.

Данные исследований приведены в табл.4 и на рисунке 2. Таблица 4. Зависимость фильтрационного расхода ВГР от условной вязкости,

грансостава и гидростатического давления.

Условная вязкость, с Фильтрационный расход (<3ф), л/мин

Избыточное (Рюб) давление 0,25 МПа Избыточное (РИЗб) давление 0,5 МПа

Размер фракций, мм Размер фракций, мм

0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0 0,25-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0

15 (вода) 1,05 1,46 2,69 2,11 2,98 4,67

18,5 0,38 0,56 0,88 0,93 1,40 2,20

23 0,13 0,19 0,28 0,26 0,35 0,52

Измерение фильтрационного расхода при больших показателях условной вязкости не проводилось, т.к. значения были весьма незначительны. При условной вязкости ВГР 30с и РИЗбО,5 МПа фильтрационный расход ВГР в стенде был практически нулевой.

Таким образом, при применении ВГР фильтрационные расходы резко снижаются (до 10 и более раз) по сравнению с фильтрационными расходами воды и они тем ниже, чем выше вязкость ВГР, что, несомненно, делает его вполне технологически приемлемым для использования в качестве буровой промывочной жидкости.

Изучение свойств ВКГР и ВПРГ

Проведённые нами после лабораторных и стендовых исследований первые производственные испытания ВГР с цельто создания эффективных технологий вскрытия и освоения водоносных горизонтов, приуроченных к сложным условиям рыхлых, неустойчивых песчано-гравийных отложений, показали, что для высоких коэффициентов фильтрации водоносных горизонтов (Кф>25м/сут)

№ ао

2.0 1.0

0 А/¡МИН I

Риз. 5и0о3.ст.

20.5 27

и недостаточном гидростатическом давлении (при нулевом статическом уровне водоносного горизонта или даже самоизливе) технологических свойств ВГР может быть недостаточно для эффективного и безаварийного вскрытия водоносного горизонта. Поэтому нами исследовались в лабораторных условиях свойства водо-КМЦ-гипановых растворов (ВКГР).

Изменение условной вязкости ВКГР в зависимости от содержания гипана и КМЦ-700 приведены в табл.5 и на рисунке 3.

Таблица 5. Зависимость условной вязкости ВКГР от содержания гипана и КМЦ

Содержание гипана, % Условная вязкость раствора (в с) при концентрации КМЦ-700, с

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

Таким образом, условная вязкость ВКГР при незначительных, технологически приемлемых содержаниях гипана (до 5%) и КМЦ (до 1,5%) весьма существенно повышается, по сравнению с ВГР. Так, условная вязкость ВГР при содержании гипана 5% составляет 30с, а добавление КМЦ-700 в количествах от 0,25% до 1,5% повышает условную вязкость ВКГР от 40с до 122с. Причём вязкость ВКГР не представляет из себя сумму вязкос-тей растворов гипана и КМЦ, а существенно выше. Причина этого будет объяснена в разделе «Исследование и оценка кольматирующих факторов ВГР, ВКГР и ВПРГ»

Таким образом, высокая вязкость ВКГР при небольших содержаниях полимерных компонентов является существенной предпосылкой для расширения диапазона применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей.

Нами проведено исследование замерзаемости ВКГР. Результаты исследований приведены в табл.6 и на рисунке 4.

Содержание гипана,% 1 2 3

Содержание КМЦ,% 0,25 1,0 1,5 0,25 1,0 1,5 0,25 1,0 1,5

Условная вязкость ВКГР,с 22 34 65 25 41 77 30 47 90

Температура замерзания,°С -3,0 -5,0 -0,5 -3,5 -6,0 -7,0 -4,5 -6,5 -8,0

-7 -6 -5

-¿I

-3 2

1.ГИПАН32(КМиД25-1,5%) гГИПАН2%(КМЦ0.2£-1,52) З.ГИПАН |%(КМЦ0.25-1,^)

О 20 70

В последнее время промышленностью начал выпускаться сухой полимер ВПРГ (водорастворимый порошок реагент ги-пан) на основе полиакрил-нитрила, с более высоким содержанием активного вещества, чем гипан (водный раствор). Реагент поставляется в виде сухого

порошка в мешках, что весьма облегчает технологичность его транспортировки, хранения и приготовления в любое время года

Параметры вязкости раствора ВПРГ приведены в табл.7. Таблица 7. Зависимость вязкости ВПРГ от содержания реагента

Проведённые автором предварительные лабораторные и стендовые исследования показали высокие технологические свойства ВКГР и ВПРГ (высокую несущую способность, существенное снижение фильтрационного расхода, высокую морозостойкость) для ВПРГ сравнимые с ВГР, а для ВКГР - значительно лучше ВГР, поэтому дальнейших детальных исследований в этом направлении нами не проводилось. Отметим лишь, что при продавливании ВКГР через песчаную стенку стенда фильтрационный расход приближался к 0 уже при вязкости >24с, поэтому дальнейшие опыты не проводились.

Содержание Условная

реагента, % вязкость

раствора, с

0,3 19

0,5 21

1,0 30

1,5 47

2,0 65

Санитарно-гигиеническая оценка возможности применения гипана,

КМЦ и ВПРГ для приготовления промывочных жидкостей при сооружении гидрогеологических скважин.

Гигиенические и токсикодинамические исследования 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 при участии автора - в натурно-полевых экспериментах. В результате выполненных работ определён предельно допустимый норматив гипана и КМЦ при бурении гидрогеологических скважин; результаты совместных натурных наблюдений при бурении скважин в Ульяновской области, заверенные лабораторными работами, подтвердили надёжность предложенных технологий гигиенических и токсикологических оценок этих водорастворимых полимеров при бурении скважин на воду.

Исследования и оценка кольматирующих факторов ВГР, ВКГР и ВПРГ.

В процессе изучения литературных источников, проведения лабораторных, стендовых, полигонных исследований и производственных испытаний БППЖ выявились и исследовались теоретически и практически факторы, входящие в спектр кольматирующих свойств этих жидкостей.

Прежде всего, это механическая кольматация шламом выбуренных пород, что предполагалось как очевидное и в дальнейшем было подтверждено на стенде. Далее известно, что при использовании 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. Описание указанного фактора полимеров имеется в литературе (К.Ф. Паус и др). В дальнейших исследованиях нами было установлено, что имеется и ещё один весьма существенный фактор, вытекающий из некоторых специфических свойств безглинистых полимерных промывочных жидкостей.

Рассмотрим эти кольматирующие факторы на примере водогипанового раствора.

Для 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 «выпрямлен-

ного жёсткого стержня». Нитрильная группа - сильноотрицательно заряженная, способствует большей диссоциации карбоксильных групп.

При встрече карбоксилов с катионами поливалентных металлов происходит энергичная реакция с образованием гелеобразного вещества. Ю.В. Баранов, В.В. Гольдштейн и др. исследовали реакции взаимодействия гипана с катионами К+, Са2+, Ва2+, ,2п3+, А13+ сцелью применения гипана на нефтепромыслах.

Было установлено, что указанные выше свойства гелей — результатов взаимодействия гипана с этими катионами - зависят от правильного подбора величин эффективных радиусов пар катионов. Катионы с радиусом <0,95А° вызывают глобулизацию молекул, катионы с радиусом >0,95А0 способствуют образованию межмолекулярных связей.

Нами в лабораторных условиях изучались реакции гипана с катионами солей, типичных для подземных вод. Особое внимание уделялось взаимодействию гипана с катионами Бе, содержание которых является чрезвычайно характерным признаком аллювиальных подземных вод, заключённых в неустойчивых песчано-гравийных породах. Взаимодействие гипана с катионами Бе ранее не исследовалось. Проведено также сопоставление взаимодействия СаС12 и MqC\2, а также БеСЬ 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 СаС12 и более 2000 мг/л МяС12, в то время как РеС13 вызывает видимую коагуляцию при введении его в раствор в количестве 6 мг/л. Полная коагуляция гипана наступает при добавлении в 5%-ный водный раствор 20 мг/л РеС1з, 600 мг/л СаС12 и 5000 мг/л МяС12.

Молекулярный вес РеС1з составляет 162,3, а атомный вес Бе составляет 56, т.е. около 35% молекулярного веса трёххлорного железа. Таким образом, можно сделать вывод, что содержание в воде 20x0,35=7 мг/л катионов Ие вызывает полную коагуляцию 5%-ного раствора гипана. Наиболее характерной концентрацией катионов Ре в аллювиальных подземных водах является 3-4 мг/л и более. Таким образом, в процессе бурения, безусловно, возникает коагуляция раствора с образованием геля при проникновении ВГР в стенки скважин.

Катион Ре3+ имеет эффективный радиус 0,64А° 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 одна свободная связь может связывать свёрнутые макромолекулы между собой. Подтверждение этому может служить внешний вид геля - продукта взаимодействия РеС1з

и гипана, представляющего собой мелкие образования, которые собираются в округлые агрегаты размером до 5 мм, свободно разрушающиеся при лёгком взбалтывании раствора.

Таким образом, нами впервые было установлено, что, кромемеханиче-скойкольматации шламом и кольматации, связанной с повышенной вязкостью полимерных растворов, существенным кольматирующим фактором является способность гипана коагулировать при встрече с катионами Ре, присутствие которых весьма характерно для подземных вод современного и древнего аллювия. Выводы, полученные в лабораторных условиях, 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 Ре и его коагуляция с образованием геля, механически закупоривающего поры и снижающего тем самым фильтрационный расход, что и было подтверждено в производственных условиях.

Далее, нами также впервые было установлено, что механизмы кольмати-рующих свойств трёхкомпонентных полимерных промывочных жидкостей (ВКГР) существенно отличаются от кольматирующих механизмов ВГР. 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 21 с 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. Оно 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 значительному увеличению диссоциации карбоксильных групп. Вместе с тем, размер молекул гипана существенно меньше размера молекул КМЦ. Молекула КМЦ имеет циклическую форму строения.

Вязкость водных растворов КМЦ обусловлена тем, что молекула КМЦ обладает Ыа-замещённой карбоксильной группой в боковой цепи. В водном растворе ионы Ыа перемещаются, поэтому карбоксильные группы отрицательно заряжены. В связи с возникающим электростатическим отталкиванием кар-

боксильных 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 свёрнутуюконформацию.

В ВКГР 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 вяз-костей 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 нит-рильных 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 в ВКГР сохраняется присущее гипану свойство коагуляции при взаимодействии с ионами поливалентных металлов, что в комбинации со значительной вязкостью обеспечивает высокие кольмати-рующие свойства трёхкомпонентных промывочных жидкостей.

Кроме того, необходимо отметить также визуально зафиксированный в процессе стендовых исследований полимерных растворов фактор механической кольматадии 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 — наблюдалась зона проникновения тонких фракций в исследуемые пески. Во всех случаях толщина корочки механической кольматации на поверхности песчаной стенки составляла от 2-3 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 напорах. Одновременно стабильно, хотя и незначительно (до 0,25 м 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, механиче-скаякольматация пылеватыми и тонкими частицами является дополнительным фактором снижения поглощения при бурении скважин с промывкой ВГР в рыхлых водосодержащих породах.

В дальнейшем нами были исследованы и разработаны правила декольма-тации гидрогеологических скважин, пробуренных с промывкой безглинистыми полимерными промывочными жидкостями.

Последующая практика буровых работ показала, что декольматация скважин, пробуренных в песчаных отложениях с промывкой ВГР и ВКГР, может проходить 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 составляет от 2 до 24 час в зависимости от глубины и диаметра скважин. Затем проводится прокачка для окончательного удаления кольматанта из водоносных пород. Продолжительность и способ прокачки выбираются в зависимости от гидрогеологических параметров водоносного горизонта, глубины и диаметра скважины.

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 содержаниях его в стенках скважин может постепенно консолидироваться в гель-цемент и тогда удаление его весьма затруднено.

Механизм кольматирующих свойств сухого водорастворимого полимера ВПРГ аналогичен тому, что и у 10%-ного водного раствора гипана. Однако имеется и принципиальное отличие. ВПРГ - это сухое вещество, в то время как гипан - водный 10%-ный раствор, в котором процесс омыления - полимеризации не завершён, о чём свидетельствует запах аммиака. Естественно, что в ВПРГ, где степень полимеризации существенно выше, «выпрямленных» карбоксильных групп меньше.

Именно поэтому, если вязкость 5%-ного раствора гипана (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 предпочтительнее.

По остальным технологическим параметрам, в том числе характеру и закономерностям формирования кольматирующих свойств, он аналогичен гипа-ну.

Таким образом, в результате проведённых исследований установлены закономерности формирования кольматирующих составляющих полимерных промывочных жидкостей ВГР, ВКГР, а также на основе ВПРГ, что позволило создать высокоэффективные безглинистые буровые растворы. Разработана также техника и технологические приёмы, позволяющие проводить эффектив-нуюдекольматацию стенок скважин в рыхлых песчано-гравийных неустойчивых отложениях по окончании бурения.

Опытно-экспериментальные и производственные полевые исследования и разработка инновационной технологии эффективного вскрытия и освоения водоносных горизонтов в рыхлых неустойчивых песчаных отложениях

на основе БППЖ.

Как уже указывалось, поиски и разведка подземных вод, залегающих в мощных толщах (до 200 и более м) рыхлых неустойчивых песчаных отложений, приуроченных, как правило, к долинам прарек и современных рек, являются преимущественным видом гидрогеологических работ в Поволжье.

Ранее бурение гидрогеологических скважин в таких условиях осуществлялось ударно-канатным способом (при глубинах до 100 м) или вращательным с промывкой глинистым раствором. Серьёзные недостатки этих способов бурения общеизвестны.

Поэтому нами, по результатам исследования различных свойств безглинистых полимерных растворов, была поставлена задача разработки инновационной технологии их эффективного производственного применения, то есть выбора их параметров для конкретных условий, выявления особенностей технологии вскрытия водоносных горизонтов с промывкой ВГР, ВЬСГР и раствором на основе ВПРГ, технологии декольматации водоносных горизонтов по окончании бурения в процессе их освоения, а также создания системы организационно-технических мероприятий по выбору, приготовлению и применению БППЖ.

Последовательное осуществление этой программы проводилось под руководством и при участии автора на территории Поволжья, Прикамья и на сопредельных территориях.

Обширные всесторонние исследования по матрице планирования экспериментов проводились для ВГР, ВКГР и ВПРГ на Зарубинском, Белбажском, Волжском, Заволжском, Крестово-Городищенском, Вознесенском, СевероЗападном, Енотаевском гидрогеологических участках, которые затем уточнялись на значительных объёмах производственного внедрения в Поволжье, Центральных районах России и на объектах в других регионах и за рубежом (в Болгарии, Монголии, Эфиопии, Мавритании и др.).

Исследовались, в зависимости от параметров ВГР, ВКГР и раствора ВПРГ, величины фильтрационных расходов, условия устойчивости стенок скважин, уровни кольматации и степень декольматации водоносных горизонтов, оценивалась достоверность получаемых гидрогеологических параметров, степень выноса шлама, определялась технико- экономическая эффективность, а также технологические особенности вскрытия и освоения водоносных горизонтов в песчано-гравийных отложениях, вырабатывались организационно-технические требования к применению БППЖ для гидрогеологического бурения.

Результатом выполненных работ явилось создание инновационной технологии бурения гидрогеологических скважин в сложных комплексах рыхлых неустойчивых пород, завершившееся изданием соответствующих технологических инструкций и методических материалов, утверждённых на уровне Мингео СССР, а затем - Роскомнедр РФ. Кроме того, на Шахунском, Ядринском и Радужном участках была отработана инновационная технология применения БППЖ для вскрытия маломощных слабоводообильных водоносных горизонтов, залегающих в многослойных коллекторах пермского, триасового и юрского возрастов, характерных для северо-восточных регионов Поволжья и Прикамья.

Второе защищаемое положение

Использование выявленных зависимостей устойчивости стенок скважин при бурении с использованием БППЖ от грансостава песчаных пород, фильтрационного расхода и содержания полимеров обеспечило эффективное сооружение скважин в рыхлых неустойчивых песчано - гравийных отложениях и позволило определить рациональныеобласти применения этих жидкостей.

Для теории и практики бурения скважин на воду в рыхлых неустойчивых отложениях большой интерес представляет оценка критериев и закономерностей устойчивости стенок скважин 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 давление промывочной жидкости на водоносный горизонт. Происходит уплотнение песчаной стенки скважин. Кроме того, промывочная жидкость, в том числе вода, обогащена шламом выбуренных пород и при фильтрации её в стенку скважины происходит кольматацияпристенной части. В результате гидродинамическое давление на пласт повышается, также способствуя повышению устойчивости скважины. Для воды избыточное гидростатическое давление должно составлять, по данным разных исследователей, 0,0150,04 МПа.

Такой диапазон значений говорит о том, что избыточное гидростатическое давление не является единственным критерием обеспечения устойчивости стенки скважин. Повидимому, на показатели устойчивости влияют и параметры проходимых пород, и характеристики водоносного горизонта и пр.

Значительные работы по теоретическому и экспериментальному исследованию вопросов устойчивости стенок скважины в водоносных песках выполнены Г. П. Квашниным, А. И. Деревянных, Ю. И. Соловьёвым в 1976-1978 гг. Ими разработаны методики расчётов общей устойчивости околостенного массива грунта и осыпания поверхностного слоя, а также выполнена стендовая

проверка критериев устойчивости при применении воды. Выведено условие устойчивости стенок скважины на осыпание: Нс - Нп> Нкр, где Нс, Нп - потери в скважине и пласте, м; Нкр - критический гидростатический напор, м. Кроме поверхностного осыпания, могут иметь место и обрушения песчаной стенки скважины - общая потеря устойчивости.

По данным моделирования, проведенного «Союзводопроектом», было констатировано, что при одном и том же избыточном давлении песчаная стенка в гравийно-галечниковых отложениях более устойчива, чем в мелкозернистых песках, а также что фильтрационный расход, связанный с избыточным гидростатическим давлением, является одним из основных факторов, влияющих на устойчивость стенок скважины при бурении с промывкой технической водой. Другие исследований на эту тему не известны. Поэтому нами были выполнены стендовые исследования по изучению общих закономерностей устойчивости стенок скважин при использовании полимерных растворов и воды в зависимости от гранулометрического состава, гидростатического давления и фильтрационного расхода.

Чтобы обеспечить чистоту эксперимента, все лабораторные и стендовые опыты производились с песками, отмытыми от глинистой составляющей. Различные содержания глинистой составляющей в песках в реальных геологических условиях существенно влияют на устойчивость стенок скважин. Первоначально обрушение песчаной стенки в стендовых условиях в отдельных опытах с водой происходило при различных значениях критического гидростатического давления Ркр и соответствующего ему фильтрационного расхода. Проведенный нами анализ причин расхождения результатов в одинаковых опытах показал, что устойчивость песчаной стенки в каждом опыте определялась не только величинами гидростатического давления и фильтрационного расхода, но и зависела от степени уплотнения песка в трубе стенда. Установлено, что при покачивании и встряхивании трубы не обеспечивалось стабильное уплотнение песка и плохо удалялись пузырьки воздуха. Этим и объясняется большой диапазон критических гидростатических давлений и фильтрационных расходов при обрушении песчаной стенки в аналогичных опытах. Уплотнение песков при отсутствии внешнейпригрузки достигается лишь при значительных ускорениях вибраций: для водосодержащих песков от 0,5 до 2g; для влажных - 2%.

При самопроизвольной укладке песков в трубе стенда после его промывки обратным потоком воды плотность песка была минимальная, и он находился в состоянии, близком к разжиженному. Поэтому нами была применена новая методика уплотнения песка в трубе стенда. Контроль качества уплотнения песчаной стенки осуществлялся сопоставлением коэффициентов фильтрации испытуемой фракции песков и расчётного по данным моделирования и определённого в лаборатории по методике Каменского.

Исследования проводили по фракциям песков, полученным тщательным отсевом на ситах следующих размеров: 0,25-0,5 мм; 0,5-1,0 мм; 1,0-2,0 мм. Фиксировали гидростатические давления Ркр и соответствующие им фильтрационные расходы С>ф, при которых происходило обрушение песчаной стенки в трубе стенда. Причём диапазон изменения Ркри С2ф для каждой фракции по большому количеству опытов незначителен. Из-за недостаточного уплотнения песка мелкой фракции (0,25-0,5 мм) в трубе стенда полученные результаты следует считать несколько заниженными. Результаты исследований приведены в табл.8.

Таблица 8. Зависимость устойчивости песчаной стенки и фильтрационного

расхода от гидростатического давления (для воды)

Размер фракции, мм Гидростатическое давление при обрушении песчаной стенки, Р^, МПа Фильтрационный расход воды в момент обрушения, <3ф, л/мин

0,25-0,5 0,033 0,15

0,5-1,0 0,037 0,19

1,0-2,0 0,061 0,47

Проведенные нами стендовые исследования устойчивости песчаной стенки при прокачивании воды выявили закономерность, что при соблюдении требования полной уплотнённости песка в трубе стенда (что соответствует состоянию уплотнённости песков в реальных скважинах) песчаная стенка у песков крупнозернистых, гравилистых менее устойчива к обрушению, чем у песков тонко- и мелкозернистых. Это доказано нами впервые.

Теоретическое подтверждение экспериментально выявленной нами закономерности можно найти в разделе механики грунтов, касающемся вопросам разжижения песков.

Так, у Н.А. Цытовича мы находим, что «внутренним сопротивлениям, препятствующим перемещению частиц в идеально сыпучих телах, к каким можно отнести чистые пески, будет лишь трение, возникающее в точках контакта частиц». Несомненно, что таких точек контакта больше в песках мелкозернистых, чем в крупнозернистых, гравилистых.

Кроме того, избыточное гидростатическое давление также является значимым фактором обеспечения устойчивости песчаной стенки. Общеизвестно, что при бурении с промывкой технической водой в рыхлых отложениях устойчивость песчаных стенок сохраняется при избыточном гидростатическом давлении на водоносный горизонт столба воды, равном 3 и более метров, что диктует соблюдение целого ряда особых технологических и организационных требований, нередко делающих невозможным процесс сооружения гидрогеологических скважин при таком способе бурения. Также весьма существенным осложняющим фактором при вскрытии водоносных горизонтов в песках с про-

мывкой технической водой являются весьма высокие фильтрационные расходы.

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 табл.9 даны результаты стендового определения критического избыточного гидростатического давления и связанного с ним фильтрационного расхода, при которых происходило обрушение стенки для песков различного гранулометрического состава при продавливании через них водогипановых растворов условной вязкостью от 18,5 до 27с.

Таблица 9. Зависимость устойчивости песчаной стенки и фильтрационного

расхода от гидростатического давления и условной вязкости ВГР

Размер Условная Критическое избыточное Фильтрационный

фракции вязкость гидростатическое давле- расход при обруше-

песков, мм ВГР, с ние при обрушении пес- нии песчаной стенки,

чаной стенки, МПа л/мин

0,25-0,5 18,5 0,157 0,027

20,5 0,064 0,002

23,0 0,0 0,0

0,5-1,0 18,5 0,235 0,091

20,5 0,101 0,004

23,0 0,0 0,0

1,0-2,0 18,5 0,31 0,135

20,5 0,17 0,07

23,0 0,00 0,00

25,0 0,0 0,0

27,0 0,0 0,0

Таким образом, установлено, что при применении ВГР критическое избыточное гидростатическое давление при обрушении песчаной стенки и связанный с ним фильтрационный расход с увеличением условной вязкости ВГР значительно уменьшаются. Так, уже для ВГР условной вязкостью 18,5с 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.

А при условной вязкости ВГР, равной 23 с и более, песчаная стенка не разрушается даже при отсутствии избыточного давления (Р,ф) и фильтрационного расхода ((}ф) для всех фракций. Так, при условной вязкости ВГР 23с песчаная стенка исследуемых фракций разрушалась при Ркр= 0 и С*ф = О через 0,5-1 мин после окончания опытов. При условной вязкости 25с стенка фракции 0,5-1 мм разрушалась через 5-30 мин после окончания опытов при Р,ф= 0 и С2ф = 0, а при условной вязкости 27с стенка фракции 1-2 мм разрушалась через 3-5 мин после окончания опытов при Ркр= 0 и С2ф = 0.

Таким образом, данные моделирования процессов обрушения песчаной стенки в скважине позволяют сделать вывод, что устойчивость стенок скважин при применении полимерных растворов значительно возрастает, а, например, при условной вязкости, составляющей более 23 с, критическое избыточное давление и соответствующий ему фильтрационный расход при обрушении стенки снижаются до 0.

Нами была проанализирована на стенде зависимость фильтрационного расхода от избыточного гидростатического давления для каждой фракции (0,25-0,5 мм; 0,5-1 мм; 1-2 мм) при различной условной вязкости водогипано-вых растворов.

Так, для воды фильтрационный расход при избыточном давлении (Ризб) 0,25 Мпа изменяется в песке по фракциям 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 Риз^ 0,5 МПа для этих же фракций С)ф 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 ВГР условной вязкостью 23с для тех же фракций при РИЗб= 0,25 МПа 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 (2ф 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 ВГР 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 С2ф = 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 0,250,5 мм С2ф = 2,11 л/мин, т.е. в 3 раза выше.

Итак, на основании выполненных нами стендовых исследований был сделан следующий вывод: при вскрытии водоносных горизонтов в песчано-гравийных отложениях полимерные растворы по сравнению с технической водой значительно снижают фильтрационный расход (от 10 и более раз).

Граничные условия применения ВГР, ВКГР и промывочной жидкости

на основе ВПРГ

Выполненные затем всесторонние производственные испытания предложенных нами БППЖ в сложных условиях рыхлых неустойчивых песчаных отложений на различных полевых участках работ позволили определить граничные условия их применения, а также установить технологические ограничения.

Данные по граничным условиям применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей и технологическим ограничениям приведены в табл.10.

Таблица 10. Граничные условия и технологические ограничения применения БППЖ

Наименова- Граничные условия при- Технологические ограничения

ние промы- менения

вочной жид- Статиче- Коэффици- Макси- Макси- Макси-

кости ский уро- ент фильтра- мальный мальная мальное

вень водо- ции пород диаметр скорость число

носного водоносного скважи- спуско- оборотов

горизонта горизонта, ны, мм подъёма, бурового

В СКВ., м м/сутки м/с снаряда, мин*'

ВГР (водо- ДоО До 25 До 152 0,8-0,9 300-320

гипановые 152-243 180-200

растворы) 243-400 100-120

ВКГР (водо- До+3 До 35 До 500 0,8-0,9 180-320

КМЦ - гипа- (напор) и выше

новые рас-

творы

Растворы на ДоО До 25 До 243 0,8-0,9 180-320

основе 243-400 100-180

ВПРГ

Третье защищаемое положение

Установлены зависимости свойств безглинистых полимерных промывочных жидкостей от отрицательных температур, на основе чего разработана технология их применения в зонах многолетнемёрзлых пород для вскрытия и освоения подмерзлотных вод в сложных условиях.

Изучение влияния температурного фактора на свойства полимерных безглинистых растворов 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 растеплениимноголетнемёрзлым породам.

Результаты проведённых автором исследований на морозоустойчивость ВГР в зависимости от содержания гипана и №С1 представлены в табл.11.

Таблица 11. Зависимость температуры замерзания ВГР от содержания

гипана и ЫаС1

Содер- Температура замерзания раствора (в °С) при содержании ИаС1 в

жание- растворе, % по массе

гипана, 0 4,5 6,0 8,5 10,0 14,0 26,4 (до насыще-

% ния)

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

В результате этого исследования установлена следующая закономерность. Температура замерзания водогипанового раствора с малым содержанием гипана (1-5%) незначительно отличается от температуры замерзания воды (на 1,5-4,5°С). Температура замерзания соленой воды с малым содержанием ЫаС1 (4,5%) также незначительно отличается от температуры замерзания воды (на 2,7°С). При совместном введении в раствор гипана и ЫаС1 в указанных количествах температура замерзания раствора резко снижается до —9°С. Установление этой зависимости имеет очень важное практическое значение, т.к. в нашей стране отрицательные температуры многолетнемёрзлых пород колеблются в среднем от 0 до -9, реже до -13°С.

Взаимосвязь содержания гипана в безглинистом растворе с его условной вязкостью, температурой замерзания и фильтрационным расходом приведена в табл.12.

Таблица 12. Зависимость температуры замерзания ВГР и его фильтрационного расхода от содержания гипана

Содержание Условная Температура Ориентировочное снижение

гипана, % вязкость замерзания фильтрационного расхода ВГР

ВГР, ВГР, по сравнению с водой, раз

с* °С

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 10°С.

Как видно из результатов этой работы, взаимосвязь между указанными свойствами бурового раствора ВГР очень тесная, что необходимо учитывать при сооружении скважин в зимний период и в многолетнемёрзлых породах.

Нами разработана и рекомендована инновационная технология бурения по таким разрезам охлаждёнными до -5°С - -9С (в зависимости от конкретных условий) полимерными безглинистыми растворами ВГР или ВКГР с добавлением ЫаС1, при сохранении их технологических свойств, которая обеспечила успешное сооружение скважин и в таких условиях.

Она была успешно применена при разведке подземных вод для г. Нарьян-Мара (Юрасская геологоразведочная экспедиция). Ранее при сооружении гидрогеологических скважин на подмерзлотные воды глубиной до 100 м с промывкой глинистыми растворами наблюдались значительные осложнения в связи с растеплением стволов скважин, были пропуски водоносных горизонтов в связи сих глинистой кольматацией.

Применение рекомендованной нами технологии с промывкой охлаждёнными до отрицательных температур растворами позволило пробурить без осложнений 9 скважин с промывкой ВГР. Производительность буровых работ выросла в 3,5 раза по сравнению с промывкой глинистыми растворами, а удельные дебиты скважин выросли в 1,3-2,5 раза.

Большой положительный опыт применения охлаждённых БППЖ имелся также в бывшем треста «Востокбурвод» при бурении на подмерзлотные воды.

Таким образом, в производственных условиях подтвердилась высокая эффективность предложенной нами технологии вскрытия подмерзлотных вод охлаждёнными БППЖ

Четвёртое защищаемое положение

Общую характеристику оперативной гидрогеологической информации (ЕН) как основу для выбора и оценки новых технологий бурения, целесообразно давать на основе энтропийного анализа с учётом трёх составляющих: Нн, Не и Нт где Н„, НвиН0-энтропия информации, связанная с достоверностью определения границ (мощности) водоносного горизонта (Н^, искажением фильтрационных свойств пласта при его вскрытии (Н„) 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.

При выполнении поисковых и разведочных гидрогеологических работ задача обоснования и выбора оптимальных условий использования новых технологий решается в два этапа. На первом этапе устанавливается достаточность получаемой геологической информации и отбраковка неприемлемых для решения этой задачи технологий. При этом сравнение осуществляется с установленными предельными значениями отдельных показателей информационного массива базовых и новых технологий.

На втором этапе для целей наиболее успешного выполнения перечисленных геологических работ выделяются различные показатели информативности новых технологий, исчисляемых в условных безразмерных оценках или в численных параметрах и осуществляется выбор базовой технологии.

Теоретические аспекты геологической информативности рассмотрены в работах Д.Н.Башкатова, И.С. Комарова, Г.К. Бондарина, М.А. Комарова, Б.М. Ребрика, Д.А. Родионова и др.

Базовые технологии (этот термин введён В.Г. Кардышем в 90-е годы) обеспечивают получение необходимых качественных и количественных результатов. Для выбора базовых технологий на стадии геологопоисковых и геологоразведочных работ первостепенную важность имеют информационные показатели, которыми обладают различные технологии. На основании обобщения большого фактического материала в габл.13 представлены сравнительные показатели информативности различных технологий бурения гидрогеологических скважин, формируемые по результатам бурения, освоения и исследований в скважинах.Для точной оценки информативности скважин многими исследователями предлагались различные методики, имеющие свои достоинства и недостатки.

Таблица 13. Сравнительные показатели гидрогеологической информативности скважин

Способ бурения Показатели гидрогеологической информативности

Возможность фиксации встреченных водоносных горизонтов Ориентировочная погрешность фиксации границ водоносных горизонтов Представительность керна или шлама Возможность оперативной оценки гидрогеологических параметров Возможность оперативной оценки г/геологических параметров водоносных горизонтов

1 .Вращательный с прямой промывкой глинистым раствором 1.1. сплошным забоем маломощные или ма-лодебитные горизонты могут быть не зафиксированы Границы устанавливаются весьма ненадёжно; после деколь-матации от ±1,0 м и более заглинизированный шлам низкая; требуется проведение специальных работ по освоению и опробованию вод.горизонтов в результате глинизации при бурении искажаются естественные параметры водоносных горизонтов

1.2. кольцевым забоем возможна фиксация водоносных горизонтов по керну при ограничении длины рейса-до ±1,0 м заглинизированный керн

2. Вращательный с прямой промывкой водой 2.¡.сплошным забоем водоносный горизонт фиксируется весьма точно до ±1,0 м; каротажные работы затруднены чистый шлам выбуриваемых пород и керн высокая высокая

2.2. кольцевым забоем водоносный горизонт фиксируется весьма точно при ограничении длины рейса - с точностью до ±1,0 м высокая высокая

3. Вращательный с промывкой полимерными раствами (ВГР и ВКГР) кольцевым забоем водоносный горизонт фиксируется весьма точно при ограничении длины рейса - до ±1,0 м керн высокого качества даже при использовании специальных колонковых снарядов типа ДЭКС высокая - после выполнения технологических операций по декольма-тации высокая

4. Вращательный с обратной промывкой водой то же до ±1,0 м при бурении в неустойчивых породах - в виде шлама высокая высокая

5. Ударно-канатный то же до ±1,0 м перемешанный шлам в составе желоночной пульпы высокая высокая

Так, психофизиологическая шкала Харрингтона, методика использования предельных минимальных показателей информации, расчёт информативности с применением диагностического коэффициента по методу Кульбака, диагностическая процедура по формуле Бейеса имеют свои достоинства и ограничения. Так, расчёт по Кульбаку допустим лишь в случае, если каждый информационный признак отвечает установленным предельным значениям, а процедура Бейеса не учитывает экономических критериев.

Так как процесс сооружения скважин является сложной системой с большим количеством факторов, то мы предлагаем состояние систем оценивать 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

где Н[Х] - энтропия систем, Р* - вероятность различных состояний системы; а -рекомендуется для вычисления энтропии в двоичных единицах а = 2.

Для нашего случая общая энтропия новой технологии:

£я = [К„Р„- СояРн + КВРВ СояРв + К0'Р0' СоЧР0] => шах, где Рн, Р„ и Р0 — вероятность определения границ залегания водоносного горизонта, искажения фильтрационных свойств при их вскрытии Нв

и освоении Но5

Кн, К„ и К0 - 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 иНо> Н 0, 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

Таблица 14. Рациональные области применения технологий бурения гидрогеологических скважин для выбора

базовых технологий

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 - галечни-ковых); 3. возможность бурения скважин любой глубины; 4. низкая металлоёмкость скважин. 1. значительная кольматация водоносных горизонтов; 2. невозможность гарантированной рас-кольматации; 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/сутиНсг<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 среднезер-нистых песках с Кф>15 м/сутиНсг<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; 2. устойчивость ствола скважины при Кф>25 м/сут для ВГР и при Кф>35 м/сут 1. необходимость соблюдения ряда технологических требований для оперативнойраскольматации; 2. невозможность эффективного бурения в гравийно- Бурение в рыхлых неустойчивых отложениях с Кф до 35 м/сутиНст до +3 м в любое время года, в т.ч. в многолет-немёрзлых породах при диа- Разработка новых экологически чистых эффективных полимеров и рецептур.

для ВКГР и Нст<3м; 3. высокая достоверность гидрогеологических параметров водоносных горизонтов и простота их освоения; 4. возможность охлаждения растворов до -5 --7°С. галечниковых отложениях. метре 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^. возможность бурения скважин диаметром до 1500 мм. 1. практическая невозможность сооружения скважин при Кф>15 м/сутиНст<3-5 м; 2. возможная глубина скважины до 100-150 мм; 3. невозможность бурения скважины диаметром <250 мм из-за отсутствия технологического инструмента; 4. высокие расходы воды и необходимость непрерывного водоснабжения; 5. необходимость соблюдения особых технологических условий бурения; 6. трудно применять в зимних условиях. Бурение в рыхлых породах (II-IV кат.) дренажных, водопо-низительных скважин, кустов скважин большого диаметра (до 1500 мм) глубиной до 100150 м летом. 1. разработка и выпуск унифицированного серийного оборудования и инструмента, в т.ч. для бурения скважин диам. <250 мм; 2. разработка конструкции быст-роразъёмных 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; 5.невысокая транспортабельность оборудования. Бурение скважин большого диаметра (до 1000 мм) глубиной до 100-150 м в рыхлых отложениях в условиях затруднённого водоснабжения.

Общие затраты: Сх = £Nt=> min при выполнении условий: £Т< Тт|Пи q > qm,n, где Ттт время, в течение которого должны быть выполнены работы, qmin - максимальный удельный дебит освоенного водоносного горизонта. При решении экономических задач возможно использовать компромиссные решения. В качестве граничных условий (упоров) могут выступать экологические и некоторые другие критерии (Е.А. Козловский, М.А. Комаров,Д.Н. Башка-тов и др.).

Разработанные нами новые технологии сооружения скважин на воду обеспечивают наиболее высокие технико-экономические показатели работ и высокий объём получаемой гидрогеологической информации. Эти технологии в настоящее время являются основными, используемыми в районах Поволжья. В табл.14 приводятся рациональные области выбора и применения технологий бурения гидрогеологических скважин для их оценки и выбора базовой технологии в конкретных условиях.

Пятое защищаемое положение Комплекс инновационных решений по применению полимерных систем, а также новых технических средств позволил разработать эффективные технологии бурения на твёрдые полезные ископаемые в сложных условиях, обеспечившие получение высококачественной геологической информации и высокие технико-экономические показатели.

В процессе исследования и апробирования безглинистых полимерных промывочных жидкостей для вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных условиях был выявлен ряд особых положительных свойств БППЖ, что побудило положить их в основу разработки инновационных технологий бурения скважин на твёрдые полезные ископаемые, залегающие в сложных условиях. Был определён ряд направлений, в которых применение избранных нами водорастворимых полимеров представлялось целесообразным использовать для бурения скважин на нерудное сырьё в сложных условиях.

1. 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 БППЖ.

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 он производился 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 на нерудное сырьё главным недостатком являлось недопустимое привнесение глинистой составляющей, искажающей геологическую информативность. Поэтому нами была на опытно - экспериментальных участках обработана технология бурения по таким разрезам с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей ВГР или ВКГР, а затем и раствора ВПРГ (в зависимости от конкретных геолого - гидрогеологических условий) для обеспечения устойчивости ствола и предупреждения обогащения керна глинистой составляющей (или вымывание её при ударно-канатном бурении). А для получения полного, представительного и неразрушенного керна обводнённых песков впервые разработаны и внедрены оригинальные технологические приёмы его отбора при бурении с промывкой БППЖ с помощью известного ранее, но доработанного при участии автора двойного эжекторного колонкового снаряда ДЭКС. Применение инновационной технологии позволило впервые получить целый ряд положительных результатов: высокое качество кернового материала, поднимаемого даже в обводнённых песках без нарушения текстуры, без вымывания или привнесения глинистой составляющей, вымывания мелких фракций и без обогащения крупными фракциями; высокая точность отбивки интервалов пород в скважинах и привязку их по глубине; отсутствие «напорных пробок» при бурении; существенное снижение металлоёмкости скважин; значительное увеличение коммерческой скорости бурения (в 3-4 раза).

Отработанная в опытно-полигонных экспериментах технология была затем широко внедрена на многочисленных участках поисково-разведочных работ на разнообразные виды песчаных полезных ископаемых, как на нерудное сырьё, так и на россыпи (титано-циркониевые), выработаны и сформулированы в инструктивных материалах особые технологические требования выбора и использования БППЖ, регулирования и подбора конкретных параметров работы бурового оборудования и инструмента, в частности ДЭКС'ов.

2. Значительные трудности представляют поиски и разведка на территории Поволжья и Прикамья месторождений каменно-строительных мате -риалов, представленных по разрезу чередованием разрушенных до состояния щебёнки и даже муки (Ш-1У категорий по буримости) пород - с крепкими и твёрдыми породами (1Х-Х1 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. Любая технология бурения с промывкой скважин не давала положительного результата. При бурении пнев-моударниками слабые разности выдувались, а крепкие - разбивались на пластины, что не позволяло выполнять необходимые лабораторные исследования их прочности.

Нами была исследована и внедрена технология бурения по таким разрезам с очисткой забоя газожидкостными смесями (ГЖС) 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 скважинах. В качестве пенообразователей (ПАВ) наиболее эффективными показали себя в этих условиях сульфонолы, в концентрациях 0,4-0,6%, редко более; стабилизаторы пен - гипан в концентрациях 0,53%, редко КМЦ; понизители жёсткости воды - кальцинированная сода или три-полифосфат натрия в концентрации 0,3-0,5%, так как нередко промывочная жидкость готовилась на воде повышенной 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 и 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 л/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-2А2, УРБ-2,5А и т.п., нами было принято решение с целью повышения эффективности осуществления бурового процесса создать передвижной пенообразующий 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, циклонныйпеногаситель и др.).

Таким образом, нами впервые разработан, изготовлен и успешно применён оригинальный технико-технологический комплекс МПП для бурения скважин с очисткой забоя ГЖС с полимерными добавками. Схема модуля показана на рис.5.

Модуль пенообразующий передвижной

3. При внедрении пенообразующего передвижного модуля МПП, в ходе опытных экспериментальных работ на Радищевском участке нерудного сырья с целью выработки оптимальных технологических решений по составам и качеству ГЖС, а также режимам бурения нами был обнаружен эффект мощной поро-доразрушающей эрозии при бурении по пропласткам твёрдых и крепких пород IX-X категорий по буримости.

Он возникал в разрезах с минимальными водопритоками при содержании сульфанола в ГЖС от 1% до 1,5% и гипана - от 2% до 3% (который добавлялся для стабилизации ГЖС). Для смягчения воды добавлялось 0,5% кальцинированной соды. При проходке по кварцевым сливным песчаникам IX-X категорий механическая скорость бурения неожиданно возрастала до 2,4 - 6,0 м/час, иногда более, в то время как при бурении с «подливом всухую» (ранее применявшаяся технология) она не превышала 0,12 м/час.

При этом прямых зависимостей скорости бурения от числа оборотов бурового снаряда, нагрузки на забой, а также типа коронок (!) не было. Кроме того, по ранее применявшейся технологии ресурс коронок СА-4 и СА-6 составлял 5-6 коронок на 1 м бурения, то при наблюдаемом нами явлении он составлял от 7,7 м до 15,6 м на одну коронку.

По нашему мнению, такое значительное возрастание механической скорости бурения по породам IX-X категорий (в 20-50 и более раз) связано с проявлением разрушающего эффекта кавитации, который, как мы считаем, стал возможным при бурении с очисткой забоя ГЖС в связи с введением в ГЖС 2-3% гипана. За счёт этого устанавливался режим стабильного газожидкостного потока, в котором коллапс кавитационных полостей и пузырьков происходил постоянно в области повышенного давления в призабойной зоне. При уменьшении

содержания гипана в ГЖС до 1-1,5% и сульфанола до 0,5% механическая скорость бурения по этим породам снижалась в 5-10 раз при соблюдении идентичности технологических режимов бурения. Параметры такого процесса были зафиксированы и успешно повторены многократно на данном участке. Мы считаем, что зафиксированное нами предполагаемое явление навигационного разрушения твёрдых пород в определённых горно-геологических условиях при соответствующих параметрах ГЖС с полимерной добавкой может явиться предметом дальнейших исследований.

4. В Нижегородской области под руководством и при непосредственном участии автора проводилась разведка Белбажского месторождения каменной соли. На первых этапах работы по сооружению 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, - были чрезвычайно сложными и длительными. Бурение сопровождалось высокой аварийностью, значительными осложнениями, высокой металлоёмкостью скважин (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 технология целевого регулирования параметров промывочных жидкостей для проходки сложных интервалов.

При этом 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 ре^лирования 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 на одну скважину против 3-4). Резко снизилась металлоёмкость скважин - от 4"х колонн (273 мм, 146 мм, 127 мм, 108 мм) до 1 колонны - 127 мм или 146 мм - для перекрытия рыхлых пород. Выход керна по полезному ископаемому на стадии детальной разведки составил по всем скважинам в среднем 96,6%.

Шестое защищаемое положение

Выявленное свойство взаимодействия молекул полимеров с ионами поливалентных металлов, характерных для подземных вод, используемых для питьевого водоснабжения, позволило обосновать и создать упрочняющиеся во времени полимер-глино-цементные тампонажные смеси (ПГЦС).

Бурение скважин нередко проводится в сложных геологических условиях, связанных с поглощением промывочной жидкости, а, следовательно, с дополнительными затратами на его предупреждение и ликвидацию. Автором 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 по-лиакриламида в качестве тампонирующего материала. Быстросхватывающиеся смеси на основе синтетических смол не получили широкого распространения по ряду существенных технологических и экономических причин. Рекомендации по использованию тампонажных материалов на основе полиакриламида также не получили применения в силу технологической сложности их приготовления и доставки в скважину. 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, Ыа2С03 - 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 - 2025, цемент - 6-8, гипан - 10-15, КМЦ-2, На2С03 - 0,5-1. Растекаемость по конусу АзНИИ - 9 см, начало схватывания 0,75-1 ч, конец консолидации 25-30ч.

Возможны и другие комбинации выбранных компонентов.

Приготовленная ПГЦС представляет из себя густую, трудно прокачиваемую буровым насосом массу. Консолидированная ПГЦС - эластичная гелеоб-разная масса, легко разрушаемая буровым инструментом и в то же время устойчивая к размыву подземными водами и промывочной жидкостью. Полевые испытания высветили 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 Ре3+ и Ре2+. Это создаёт возможность целевого регулирования 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, автором разработаны, испытаны и успешно внедрены новые тампо-нажные смеси для ликвидации интенсивного поглощения промывочных жидкостей - ПГЦС, обладающие рядом достоинств: несложен способ приготовления; используются доступные компоненты (тампонажный цемент, глина, КМЦ, ги-пан, кальцинированная сода, вода); компоненты смеси нетоксичны.

ПГЦС могут быть рекомендованы для тампонирования зон интенсивного поглощения промывочной жидкости в кавернозных и раскарстованных поро-дах.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 (БППЖ) для вскрытия и освоения водоносных горизонтов, заключённых в песчано-гравийных отложениях.

2. Исследованы технологические свойства БППЖ, в результате чего установлено, что их вязкость, морозостойкость, несущая способность, способность снижения фильтрационного расхода позволяют применять их для эффективного вскрытия водоносных горизонтов в сложных условиях.

3. Открыто явление образования гель-агрегатов, как результата взаимодействия водорастворимых полимеров с подземными водами, что является главным кольматирующим агентом безглинистых полимерных промывочных жидкостей.

4. Выявлены закономерности формирования кольматирующих агентов безглинистых полимерных промывочных жидкостей ВГР, ВКГР, а также на основе ВПРГ в зависимости от их вязкости, наличия катионов Бе и шлама песчаных пород.

5. Разработаны технологические приёмы, позволяющие проводить эффек-тивнуюдекольматацию стенок скважин в рыхлых песчано-гравийных неустойчивых отложениях по окончании бурения гидрогеологических скважин.

6. Изучены зависимости характера устойчивости песчаных стенок скважин от гранулометрического состава песков и фильтрационного расхода, заключающиеся в том, что чем крупнее грансостав, тем выше фильтрационный расход и ниже устойчивость песчаной стенки.

7. Изучена зависимость устойчивости песчаных стенок скважин от состава безглинистых полимерных промывочных жидкостей, заключающаяся в том, что чем выше вязкость БППЖ, тем выше устойчивость песчаной стенки.

8. Выполнены совместно с Московским институтом им. Ф.Ф. Эрисмана работы по оценке санитарно-гигиенических и токсикодинамических свойств рекомендованных нами полимеров с целью их использования для гидрогеологического бурения.

9. Разработаны инновационные технологии гидрогеологического бурения в сложных условиях с применением БППЖ - в обводнённых песках и ПГС; на подмерзлотные воды; в многослойных коллекторах, которые эффективно использованы многими геологическими организациями.

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. Исследована 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 БППЖ, позволившие обеспечить получение кондиционного 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 использовать выявленный эффект предполагаемой кавитационной эрозии забоя для интенсивного разрушения пропластков твёрдых и крепких пород.

15. Создан оригинальный комплекс модуль передвижной пенообразующий (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 характер взаимодействия и целевое назначение инновационных полимер-глино-цементных смесей (ПГЦС) и определена область их применения.

Список основных опубликованных работ автора по теме диссертации

- монографии и брошюры:

1. Башкатов Д.Н., Панков A.B., Коломиец A.M. «Прогрессивная технология бурения гидрогеологических скважин». М., изд-во «Недра», 1992. -18 пл.

2. Башкатов Д.Н., Коломиец A.M. «Оптимизация процессов разведочного бурения». М., РАЕН, 1997. - 259 с.

3. Вагин H.A., Голиков С.И., Зайцев Б.И., Коломиец A.M. «Новые технологии и технические средства для сооружения, освоения и ликвидации гидрогеологических скважин». М.. «Геоинформцентр», 2002. - 11,75 п. л.

4. Фёдоров О.В., Алтунин Б.Ю., Беляев C.B., Коломиец A.M. и др. «Инновационные инженерные решения и их экономические оценки». М., «Инфра-М», 2005.- 15 п.л.

5. Коломиец A.M., Зайцев Б.И., Голиков С.И. «Новые технические средства и технологии для бурения скважин на воду и нерудное сырьё», М., «Геоин-формарк», 2010. - 14,75 п. л.

6. Власковский И, Иванов Б., Башкатов Д.Н., Коломиец A.M. Вагин H.A. и др. «Внедрение новых технологий бурения гидрогеологических скважин». София, 1994.-3,8 п.л.

7. Коломиец A.M., Вагин H.A., Голиков С.И., Зайцев Б.И. и др. «Новые технологии и технические средства для сооружения и ликвидации гидрогеологических скважин». М., «Геоинформмарк», 1999. - 5,5 п.л.

8. Коломиец A.M. «Некоторые предложения по методике оценки условий применения базовых технологий бурения», H.H., 2001. - 2,1 п. л.

- статьи в рецензируемых научных журналах:

9. Коломиец A.M., Панков A.B., Щенников Е.В. «Бурение гидрогеологических скважин с промывкой водогипановыми растворами». М., «Разведка и охрана недр № 9», 1977. - 0,3 п.л.

10. Башкатов Д.Н., Коломиец A.M., Панков A.B. «Перспективы развития технического прогресса при сооружении скважин на воду». М., Изв.ВУЗов № 123, 1982.-0,3 п.л.

11. Коломиец A.M., Панков A.B., Кулагин A.C. «Новые полимерные промывочные жидкости». М., «Разведка и охрана недр № 8», 1988. - 0,1 п.л.

12. Коломиец A.M. «Кольматирующие факторы полимерных промывочных жидкостей». М., Изв.ВУЗов, 1988.-0,2 п.л.

13. Коломиец A.M. «Роль мониторинга геологической среды в оздоровлении геологической обстановки». М., «Разведка и охрана недр», 2000. - 0,2 п.л.

14. Коломиец A.M. «Разработка прогрессивных технологий сооружения и освоения гидрогеологических скважин». М., «Разведка и охрана недр», 2000. 0,2 п.л.

15. Агафонов В.П., Коломиец A.M., Куренной В.В. «Состояние и региональные проблемы мониторинга геологической среды Волжского бассейна». М., «Разведка и охрана недр», 2005. - 0,2 п.л.

16. Коломиец A.M. «Исследование закономерностей, влияющих на коль-матирующие свойства полимерных промывочных жидкостей». Новочеркасск, Изв.ВУЗов № 3, 2011. - 0,2 п.л.

17. Коломиец A.M. К вопросу возникновения эффекта кавитации в бурении с использованием газожидкостных смесей. М., «Разведка и охрана недр №4», 2011.-0,2 п.л.

Кроме того, опубликовано ещё 67 статей по теме диссертации в других изданиях, получено 11 авторских свидетельств и 3 патента.

Автор глубоко признателен за участие в исследованиях и подготовке данной работы инженерам Зайцеву Б.И., Балашову А.И., Вагину Н.А.,Говорюткину В.Д., Земскову В.Н., Кирюшкину В.Т., [Кулагину А.С.[, Лапшину В.Е., Ляхови-чу В.В., [Рыбину С.П.[, Шалапаеву М.И., а также Бакулиной В.А., Курмаз М.Е., Хапчику Е.М., Долбунову В.И.

11310

2010179710

Информация о работе

Коломиец, Алексей Маркович
доктора технических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.14

Автореферат

Инновационные технологии сооружения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях на основе водорастворимых полимеров - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы