Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Обоснование и разработка технологии опробования льда бурением дополнительных стволов скважин снарядами на грузонесущем кабеле

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Обоснование и разработка технологии опробования льда бурением дополнительных стволов скважин снарядами на грузонесущем кабеле"

На правах рукописи

ПОДОЛЯК Алексей Витальевич

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПРОБОВАНИЯ ЛЬДА БУРЕНИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург — 2014

005554053

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, с.н.с.

Васильев Николай Иванович

Официальные оппоненты:

Спирин Василий Иванович — доктор технических наук, ОАО «Тульское научно-исследовательское геологическое предприятие», генеральный директор

Назаров Александр Петрович - кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе», кафедра современных технологий бурения скважин имени профессора Воздвиженского Б.И., доцент

Ведущая организация:

ФГУНПП «Полярная морская геологоразведочная экспедиция»

Защита состоится 23 сентября 2014 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21 линия, дом. 2, ауд. 1166.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 11 июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ НИКОЛАЕВ

диссертационного совета (У^ Николай Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Изучение современного материкового оледенения и всех видов ледников имеет большое значение для целого ряда естественных наук: географии, гляциологии, палеоклиматологии, геологии, геофизики, геохимии, микробиологии и др. Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда, мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. В изучении ледникового покрова Антарктиды принимают участие многие страны - Россия, США, Япония, Франция, Новая Зеландия, Аргентина, Бразилия, Чили, ФРГ, Польша, Индия и др.

Важнейшим и наиболее эффективным способом изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледниковых массивов в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна.

В последние годы, когда глубины скважин превысили отметку в 3000 м, появилась настоятельная необходимость в разработке технологии бурения многоствольных скважин для получения дополнительного кернового материала с заданных глубин. Например, в самой глубокой скважине 5Г на станции Восток на интервале 3600 - 3620 м было обнаружено большое количество включений, которые попали туда с берега подледникового озера Восток при движении ледника.

Координационный комитет программы «Международное партнерство в изучении ледяных кернов» (International Partnerships in Ice Core Sciences - IPICS), созданный под эгидой IGBP/PAGES и Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR), назвал наиболее приоритетной на ближайшие десятилетия задачей антарктических исследований получение ледяного керна, который бы позволил реконструировать изменения климата и концентрации парниковых газов за последние 1,5 млн. лет. Это позволит решить одну из ключевых проблем современной науки о климате, а именно: установить причины и понять природные процессы, которые в середине плейстоцена (примерно I млн. лет назад) привели к перестройке климата Земли. Среди первоочередных задач, стоящих перед разработчиками буровых технологий, технические эксперты

IPICS называют развитие способов и средств бурения дополнительных стволов глубоких скважин с целью получения параллельных (дублирующих) кернов льда на заданных глубинах.

Возможность управляемого бурения дополнительного ствола имеет большое значение и при ликвидации аварий, что связано с обходом аварийных участков скважин.

В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледниковых массивах принимал участие широкий круг российских учёных и полярных исследователей: Б.Б. Кудряшов, Н.И. Барков,

H.Е. Бобин, Н.И. Васильев, JI.K. Горшков, А.Н. Дмитриев, Э.А. Загривный, В.Я. Липенков, В.В. Морев, J1.M. Саватюгин,

A.M. Шкурко и др.

Вопросы бурения направленных и многоствольных скважин различного назначения подробно освещены в работах российских учёных: С.С. Сулакшина, А.Г. Калинина, Ю.Т. Морозова,

B.В. Кривошеева, В.В. Нескоромных, Ю.С. Костина, В.П. Зиненко и др.

Цель работы. Повышение информативности опробования льда и эффективности обхода аварийных участков при бурении глубоких скважин снарядами на грузонесущем кабеле.

Идея работы. Бурение боковых стволов скважин в ледниковых массивах в заданном интервале опробования для получения дополнительного кернового материала и обхода аварийных участков.

Задачи исследования:

I. Аналитический обзор причин изменения пространственного положения скважины во льду при бурении снарядом на грузонесущем кабеле;

2. Разработка математической модели процесса изменения пространственного положения бурового снаряда на грузонесущем кабеле в процессе бурения;

3. Разработка стенда для моделирования движения снаряда на кабеле в процессе бурения;

4. Проведение экспериментальных стендовых исследований по изменению траектории скважин при бурении снарядами на грузонесущем кабеле во льду;

5. Математический анализ экспериментальных стендовых исследований и получение эмпирических зависимостей;

6. Разработка технологии бурения многоствольных скважин во льду снарядом на грузонесущем кабеле;

7. Проведение опытно-производственной оценки предложенных разработок.

Методика исследования. Для решения указанных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. На основе разработанных теоретических моделей и экспериментальной методики исследования осуществлялось их практическое внедрение при бурении скважины 5Г на станции Восток.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости радиуса кривизны скважины на участке искривления от геометрических характеристик бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью расчётных величин с фактическими, полученными при бурении скважин на станции Восток.

Теоретическая и практическая значимость работы

заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений, которые позволили завершить бурение скважины 5Г на станции Восток, выполнить вскрытие реликтового подледникового озера Восток и повторное бурение ствола скважины 5Г-3 после замерзания воды, поднявшейся в скважину из озера.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на VII Международном симпозиуме по бурению скважин во льдах в 2013 г. (Висконсинский университет в

Мэдисоне, США); Российско-Французском семинаре, проходившем в Горном университете и в ФГБУ «ААНИИ» в 2013 г.

Реализация результатов работы.

Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

- проекта №2 «Комплексные исследования уникального подледникового озера Восток, включающие проникновение в озеро с отбором проб озёрной воды, и гляциологические исследования Антарктики», выполняемые в рамках реализации подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики» Федеральной целевой программы «Мировой океан» в 2011-2013 годах;

- проекта №1.13.11Ц «Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы «Бурение в осложнённых условиях» по заданию Министерства образования и науки на проведение отдельной НИР по ОЦО в 2011 г.;

- проекта №1.6.08 «Разработка научных основ бурения и освоения скважин в сложных геолого-технических условиях» по заданию Министерства образования и науки РФ в 2011 г.;

- проекта №5744 «Новые методы разрушения горных пород при бурении скважин» по заданию Министерства образования и науки РФ в 2012 г.;

- проекта №8638 «Разработка нетрадиционных способов и средств бурения скважин» по заданию Министерства образования и науки РФ в 2013 г.

Публикации. Результаты диссертации в полной мере освещены в 6 публикациях, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, и получен 1 патент на изобретение.

Объем и структура диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 94 наименования. Материал диссертации изложен на 128 страницах, включает 15 таблиц, 58 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится общая характеристика работы, обосновывается её актуальность, определяется цель, задачи, идея работы, излагаются защищаемые научные положения, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе произведён анализ современного состояния технологии и технических средств бурения скважин в ледниковых массивах. Проведён анализ результатов бурения глубоких скважин во льду и особенностей ликвидаций аварийных ситуаций в этих скважинах.

Во второй главе изложена методика экспериментальных исследований процессов изменения траектории скважины в процессе бурения снарядами на грузонесущем кабеле. Дано описание свойств льда как горной породы и структуры и свойств ледниковых массивов.

В третьей главе приводится теоретический анализ изменения пространственного положения бурового снаряда на кабеле в процессе бурения скважины, при забуривании боковых стволов скважины с целью ликвидации аварий и получения дополнительного кернового материала.

В четвёртой главе описана модернизация бурового электромеханического снаряда и разработка буровых коронок, обеспечивающих проведение стволов скважин в заданном направлении и забуривание дополнительных стволов с отбором керна.

В пятой главе представлены результаты экспериментальных буровых работ на станции Восток при применении модернизированного бурового снаряда и разработанных буровых коронок.

Защищаемые научные положения.

1. При бурении во льду снарядами на грузонесущем кабеле интенсивность естественного искривления скважин зависит от диаметра бурения, длины и диаметра бурового снаряда, а также от радиального зазора между ним и стенкой скважины.

Лёд является изотропной горной породой, в нём нет пропластков различной твёрдости и прочности. Поэтому искривление скважины за счёт неравномерного разрушения забоя невозможно, отсутствует также и влияние продольного изгиба колонны бурильных труб. Характерным случаем естественного набора кривизны является скважина 4Г. В интервале глубин 80-700 м скважина отклонилась на 17° от вертикали.

Для установления закономерностей поведения бурового снаряда в скважине рассмотрим его положение на забое под действием системы внешних сил (рисунок 1). Считаем, что грузонесущий кабель является абсолютно упругой нитью, а диаметр скважины равен диаметру коронки.

Рисунок 1 - Схема сил, действующих на снаряд в наклонной скважине: Р - вес снаряда, приложенный в центре тяжести, Н\ Т-натяжение грузонесущего кабеля, Я; I - длина бурового снаряда, м\ в - зенитный угол скважины, град\ е- угол между осью скважины и

кабелем, град.

В реальных условиях абсолютно вертикальных скважин не существует и можно ожидать, что верхняя часть снаряда всегда будет опираться на лежачую стенку скважины.

>

Процесс формирования траектории скважины можно проиллюстрировать схемой перемещения характерных точек бурового снаряда - (•) А, В и С (рисунок 2,а) или прямоугольного треугольника ABC, используя широко известный в механике принцип возможных перемещений.

В качестве основного критерия подобия при построении модели движения снаряда примем tga, характеризующий соотношение основных геометрических параметров бурового снаряда: величину превышения радиуса коронки над радиусом самого снаряда в верхней его точке опоры и длину снаряда.

Рисунок 2 - Расчётная схема для аналитического метода

В процессе бурения (•) А скользит по стенке скважины, составляющей с вертикалью угол в. Пусть точка А опустится на величину Ah, а точке С задается возможное перемещение по линии 0-0, параллельной оси снаряда или стороне треугольника АВ на величину Ah¡. Таким образом, A ABC займёт новое положение AA¡B¡C¡. Следующий шаг приведёт к тому, что точка С переместится по линии 1 — 1, которая имеет угол с вертикалью

Y

7i = О + Pi, на величину Ah2 и треугольник займёт положение АА2В2С2. Очевидно, что зенитный угол будет постепенно нарастать.

Введём прямоугольную систему координат Х-У, начало координат которой совмещено с (•) А0, а ось X совмещена с прямолинейной стенкой скважины и направлена вниз, как показано на рисунке 2,6.

Из АА0В0С0:

tga = fü-, (1)

ьсн

где LCH - длина снаряда, соответствующая катету А0В0 треугольника.

Для точки С у0 = 0, а для точки i?

Уо = ^ (2)

где Од - наружный диаметр долота снаряда, м; DCH- диаметр снаряда в верхней точке опоры, м.

В начальный момент tgpo=tga, где /? - угол между стороной АВ треугольника ABC и осью X.

У1 = Уо + ДУ1, (3)

где Ауг = tgP0 ■ Д/гх - перемещение точки С по прямой 0-0. Тогда, подставив Ауг в (3.9), получим

У1 = Уо + *дРо • ДЛх- (4)

Из ДЛ^С/:

tg/?x = или tff/?! = y°+tf °'Ahl. (5)

Для упрощения вывода формул, определяющих координаты характерных точек, разделим траекторию движения снаряда на участки, равные длине снаряда: 1L, 2L, 3L,...mL.

Формула для определения угла между осью снаряда и

прямой Л0С0 в положении п:

/?™L = arctg

(6)

где гг - общее количество шагов; щ - количество шагов при прохождении точкой А прямолинейного участка АС; Ауп_п1-перемещение точки А по оси У при угле, соответствующем данному

положению снаряда, после прохождения ею участка длиной АС (пг перемещений). При прохождении точкой А участка АС Ауп_п1 = 0. Формула для определения координаты точки В по оси У

УГ = ^н ■ ^П

агЛд

У о +£;= А/ч) -АУп-щ ^

(7)

^сн

На основе полученных формул было проведено построение профиля траектории движения снаряда (рисунок 3,а) с геометрическими параметрами, соответствующими модели бурового снаряда (¿сн = 200 мм; Од = 30 мм; йсн = 16 м; а0 = 2,005), с шагом 10~5 м.

На рисунке 3,а участок 11 - это траектория движения точки В при перемещении точки А по прямой. После прохождения расстояния, которое соответствует длине катета АС (и участку перемещения 1 ¿), точка А принимает траекторию движения точки С (траектория 21). В литературе предложены различные методы определения интенсивности искривления скважин.

Рисунок 3- Траектории перемещения бурового снаряда, построенные: а - по аналитическим выражениям; б -графоаналитическим способом

В качестве альтернативы аналитическому методу решения задачи и с целью оценки погрешностей, вызванных принятыми допущениями, рассмотрим графоаналитический метод, являющийся более простым и наглядным.

Построение траектории передвижения характерных точек снаряда, т.е. ААВС, проведем при различных его геометрических параметрах и шаге Д/г точки А с последующим выявлением зависимости радиуса кривизны описываемой окружности от параметра гда.

Построение траектории перемещений точек А, В и С снаряда производилось в программе КОМПАС-ЗО. На рисунке 3,6 представлено перемещение с шагом Д/г=50 мм для ААВС с размерами: АС=200 мм; ВС=10,9 мм; АВ=199,7 мм. В таблицах 1 и 2 представлены формулы нахождения радиусов кривизны описываемых буровыми снарядами окружностей.

Таблица 1 - Формулы расчёта радиусов кривизны для снаряда ТБЗС-152М

Интервал Формула

И Я = 2,7-104 - 3,87 ■ 107 • гда

2Ь Я = 2,3 • 104 - 3,25 ■ 107 • гда

31 Я = 2,26 ■ 104 - 3,2 ■ 107 ■ гда

4£-6 Ь Я = 2,27 ■ 104 - 3,23 ■ 107 ■ гда

Таблица 2 - Формулы расчёта радиусов кривизны для снаряда

32

Интервал Формула

1Ь Я = 3,38 • 104 - 4,83 ■ 107 • гда

21 Я = 2,86 ■ 104 - 4 ■ 107 ■ гда

31 Я = 2,83 ■ 104 - 4 • 107 ■

и-бь Я = 2,84 ■ 104 — 4 ■ 107 ■ гда

Для проведения экспериментальных исследований разработан стенд, позволяющий моделировать процесс отклонения скважины в ледниковом массиве при бурении снарядом на грузонесущем кабеле.

Стенд, схема которого показана на рисунке 4,а, включает в себя модель термобурового снаряда 1, направляющую трубу (модель скважины) 2, стойку 3, блок льда 4, блок питания 5, электрические провода 6 и фотокамеру (на схеме не показана), установленную на штативе.

Модель скважины крепится к стойке и является направляющей для снаряда от момента забуривания до полного погружения модели снаряда в лёд. Модель скважины может поворачиваться относительно точки О, что позволяет менять начальный зенитный угол скважины. Для проведения экспериментальных исследований используется тепловой способ разрушения льда, что способствует существенному упрощению стенда и всей методики проведения экспериментальных работ без искажения физики процесса.

Модель снаряда (рисунок 4,6) состоит из термодолота 7, полого стержня 8, наголовника 9. Модель снаряда устанавливается

а

5

Рисунок 4- Схема экспериментального стенда

внутри модели скважины, соединяется с блоком питания 5, проводами 6 на рисунке 4,а.

Все эксперименты по изучению изменения траектории снаряда на грузонесущем кабеле во льду проводились в лаборатории на станции Восток в Антарктиде. Было проведено 64 опыта, результаты которых подверглись статистической обработке.

В процессе углубки выполнялось фотографирование стенда с одной точки (до 20 снимков на 1 эксперимент). В каждом зафиксированном положении определялся угол отклонения модели бурового снаряда и положение верхней точки бурового снаряда относительно модели скважины. Используя координаты полученных точек, с помощью метода наименьших квадратов выводится формула, описывающая траекторию движения снаряда, а затем можно определить радиус кривизны скважины. Как видно из графика на рисунке 5, расхождение теоретических и

Рисунок 5 - Сравнение теоретических результатов с экспериментальными зависимости угла между снарядом и направляющей от перемещения точки А

2. Использование коронки с дополнительными режущими гранями на наружных боковых поверхностях резцов обеспечивает забуривание дополнительного ствола скважины

без применения специальных устройств-отклонителей и забутовки основного ствола.

Бурение в ледниковых массивах боковых стволов для получения дополнительного кернового материала, как правило, требуется на глубинах, превышающих 2500 м. При бурении глубоких скважин, как в Антарктиде, так и в Гренландии, исследователи всех стран столкнулись с серьёзными осложнениями уже на глубинах свыше 2500 м, а на глубинах более 3000 м осложнения становились столь значительными, что бурение практически прекращалось. Это явление даже получило название -«проблема бурения тёплого льда», так как с увеличением глубины температура льда повышается.

Основываясь на анализе поведения бурового снаряда на кабеле в процессе бурения и анализе результатов бурения скважин во льду при температуре, близкой к точке фазового перехода, разработана технология бурения дополнительных стволов скважины для обхода аварийных участков и получения дополнительного кернового материала для исследований с интересующих глубин без применения специальных технических средств.

Применение модернизированного оборудования обеспечило бурение льда вблизи подошвы ледника при температуре, близкой к точке фазового перехода. В сезоне 57-й РАЭ в 2012 г. на станции Восток закончено бурение ствола скважины 5Г-2 на глубине 3769,3 м и вскрыто реликтовое подледниковое озеро Восток, что являлось целью многолетних научно-исследовательских и практических работ и широко обсуждалось в российских и зарубежных СМИ.

Повторное бурение скважины после замерзания поднявшейся в скважину озёрной воды в сезонах 58 и 59 РАЭ наглядно показало эффективность разработанной технологии бурения и бурового оборудования. Процесс бурения протекал очень стабильно (рисунок 6), даже в интервалах глубин, где углубка практически прекращалась при бурении стволов 5Г-1 и 5Г-2. При этом рейсовая проходка увеличилась в 1,5-2 раза.

3420 3470 3520 3570 3620 3670 3720 3770

Глубина скважины, м

Рисунок 6 — Диаграмма рейсовой проходки стволов 5Г-1, 5Г-2 и

5Г-3

Была выполнена модернизация бурового снаряда и разработаны три варианта буровой коронки, отличающиеся формой и количеством резцов (рисунок 7).

Первый вариант представляет собой трёхрезцовую коронку (рисунок 7,а), имеющую резцы с цилиндрическими боковыми площадками, что препятствует внедрению резцов в поверхность скважины. Этот тип коронок используется как российскими, так и зарубежными специалистами. Использование резцов с боковыми цилиндрическими поверхностями обеспечивает сохранение набранного угла наклона скважины.

Коронка (рисунок 7,6), позволяющая забуривать дополнительный ствол из открытого ствола без забутовки аварийного участка, снабжена четырьмя резцами с режущими гранями на боковых поверхностях, что позволяет фрезеровать стенки скважины. Для стабилизации процесса фрезерования стенок скважины, коронка снабжена ограничителями бокового внедрения резцов.

Рисунок 7 - Модификации буровых коронок

Данная технология впервые была применена после неудачных попыток ликвидации аварии в скважине 5Г-1 на станции Восток в 54 РАЭ (январь 2008). Буровой снаряд был оставлен в скважине на глубине 3600 м. Отклонение было выполнено в интервале глубин 3580-3600 м в соответствии со схемой, представленной на рисунке 8.

После получения полного керна была установлена коронка третьей модификации, что привело к стабильному уменьшению зенитного угла.

Коронка (рисунок 7,в) представляет собой объединение трёх однорезцовых коронок. Каждый резец формирует свой забой, ширина которого составляет 1/3 ширины общего кольцевого забоя. Толщина срезаемого слоя в три раза больше, чем у обычных резцов, что влечёт за собой увеличение крупности шлама и, соответственно, проходки за рейс. Кроме того, более крупный шлам характеризуется меньшей суммарной поверхностью, что уменьшает риск слипания частиц шлама, особенно на глубинах более 3000 м. Следует отметить, что при бурении мелкокристаллического льда увеличения рейсовой проходки от применения такой коронки, скорее всего, не будет.

Рисунок 8 - Схема образования дополнительного ствола при отклонении: 1 — старый ствол; 2 — новый ствол; 3 — аварийный

участок; 4- разрушаемый при отклонении объем породы; 5 — серповидный керн На рисунке 9 приведена диаграмма изменения зенитного угла стволов скважины 5Г-1, 5Г-2 и 5Г-3. В обоих случаях зенитный угол уменьшается с одинаковой средней интенсивностью, близкой к 0,008 град/м, что объясняется применением коронки третьей модификации.

6

5,5

I 5

Он

if 4,5

о

k 4

>5

" 2,5

3200 3300 3400 3500 3600 3700

Глубина скважины, м Рисунок 9 - Диаграммы зенитных углов стволов скважины 5Г-1, 5Г-2 и 5Г-3

Основные выводы и рекомендации:

1. Современные разработки по созданию технологии и технических средств для глубокого бурения ледниковых массивов выполнены на достаточно высоком техническом уровне, однако практически отсутствуют разработки по бурению дополнительных стволов как при отклонении от аварийных участков скважины, так и для получения дополнительного кернового материала с различных глубин.

2. Результаты аналитических и экспериментальных исследований процесса формирования траектории скважины при бурении льда снарядами на грузонесущем кабеле показывают, что при постоянном контакте коронки с забоем буровой снаряд стремится отклониться от вертикали и кривизна скважины изменяется только при движении снаряда в интервале, равном двум его длинам, после чего траектория скважины практически становится окружностью, радиус которой зависит только от геометрических характеристик бурового снаряда и диаметра скважины.

3. Принятые при проведении аналитических исследований допущения не оказывают значительного влияния на результаты, а достоверность полученных аналитических выражений, описывающих зависимость радиуса естественного искривления скважины от геометрических характеристик бурового снаряда на грузонесущем кабеле, подтверждается хорошей сходимостью теоретических и экспериментальных данных.

4. Осложнения, возникающие при бурении скважин во льду на глубинах более 3000 м, связаны, в основном, с изменением кристаллической структуры льда и гранулометрического состава шлама и могут быть устранены интенсификацией процесса очистки забоя от шлама и внесением изменений в конструкцию буровой коронки.

5. О высоком инновационном уровне созданных технологий объективно свидетельствует бурение скважины 5Г на станции Восток в Антарктиде, вскрывшей на глубине 3769,3 м подледниковое озеро Восток, где было успешно выполнено управляемое отклонение от основного ствола при ликвидации

аварии и забурен дополнительный ствол 5Г-2 на глубине 3600 м с целью получения дополнительного кернового материала с интервала глубин 3600-3620 м, в котором обнаружены включения твёрдого моренного материала.

6. Повторное бурение после замерзания воды, поднявшейся в скважину, в ходе которого был образован боковой ствол 5Г-3 с целью получения кернов замерзшей озерной воды и дополнительных проб в интервале глубин 3540-3620 м, подтвердило эффективность разработанных технических средств и технологических решений. Скважина 5Г в настоящее время является самой глубокой в мире, на 300 метров превышая достигнутые зарубежными специалистами глубины.

7. Полученные результаты открывают перед российскими учеными широкие перспективы проведения комплексных исследований подледникового озера Восток с целью получения новых данных о глобальных изменениях природной среды планеты.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Васильев Н.И., Липенков В.Я., Дмитриев А.Н., Подоляк A.B., Зубков В.М. Результаты и особенности бурения скважины 5Г и первого вскрытия озера Восток. // Лёд и снег. -Москва: Издательство Наука, 2012. -№4. - С. 12-20.

2. Васильев Н.И., Подоляк A.B. Анализ пространственного положения дополнительного ствола скважины 5Г-3 на станции Восток в Антарктиде // Инженер-Нефтяник. - Москва: ООО «Ай Ди Эс Дриллинг», 2013. - №2. - С. 5-9.

3. Пат. 2504637 Российская Федерация, МПК Е 21 В 10/02. Коронка для направленного механического бурения льда / Васильев Н.И., Дмитриев А.Н., Подоляк A.B.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». - №2012131035/03; заявл. 19.07.2012; опубл. 20.01.2014, Бюл. №2. - 12 е.: ил.

РИЦ Горного университета. 18.06.2014. 3.528. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Подоляк, Алексей Витальевич, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

04201460872 На правах рукописи

ПОДОЛЯК АЛЕКСЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПРОБОВАНИЯ ЛЬДА БУРЕНИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: доктор технических наук, старший научный сотрудник Васильев Николай Иванович

Санкт-Петербург - 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ 9

1.1 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ..........9

1.2 БУРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ........................................................................................................................10

1.3 БУРОВЫЕ СНАРЯДЫ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ...............................14

1.3.1 ТЕРМОБУРОВЫЕ СНАРЯДЫ....................................................................14

1.3.2 КОЛОНКОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СНАРЯДЫ....................18

1.4 БУРЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН.........23

1.4.1 ОПЫТ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН НА СТАНЦИИ ВОСТОК.................................................................25

1.4.2 ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ.........................................................................................31

1.5 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОЗАБОЙНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ........................................................................................................................34

1.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1......................................................................................37

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ..............38

2.1 УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ.......................................................................38

2.2 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ39

2.3 МЕТОДИКА СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ БУРОВОГО СНАРЯДА.... 41

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2......................................................................................48

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ ВО ЛЬДУ ПРИ БУРЕНИИ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ.......................................................................................49

3.1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА..........................................49

3.2 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЛЕДНИКА В РАЙОНЕ СТАНЦИИ ВОСТОК ......................................................................................................................................51

3.3 АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ

СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ..........................................................53

3.4 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ

ДВИЖЕНИЯ СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ..................................62

3.5 СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

......................................................................................................................................71

3.6 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 4Г.......................................73

3.7 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3......................................................................................77

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН В ЛЕДНИКОВЫХ МАССИВАХ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ..............................78

4.1 ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ................78

4.2 КОЛОНКОВЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ БУРОВОЙ СНАРЯД.........81

4.3 КОРОНКА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

ЛЬДА...........................................................................................................................86

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4......................................................................................93

ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ.......................................................................................94

5.1 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 5Г.......................................94

5.2 РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ ПО БУРЕНИЮ БОКОВОГО СТВОЛА 5Г-2..........101

5.3 БУРЕНИЕ БОКОВОГО СТВОЛА СКВАЖИНЫ 5Г-3..................................107

5.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5....................................................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Изучение современного материкового оледенения и всех видов ледников имеет большое значение для целого ряда естественных наук: географии, гляциологии, палеоклиматологии, геологии, геофизики, геохимии, микробиологии и др. Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда, мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. В изучении ледникового покрова Антарктиды принимают участие многие страны - Россия, США, Япония, Франция, Новая Зеландия, Аргентина, Бразилия, Чили, ГДР, Польша, Индия и др.

Важнейшим и наиболее эффективным способом изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледниковых отложений в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна, что дает возможность проводить кристалломорфологические исследования льда с больших глубин, геофизические наблюдения в скважинах, изучать химический состав льда, содержание изотопов кислорода и углерода, различных включений (земная и космическая пыль, вулканический пепел, бактерии, споры растений и др.).

В последние годы, когда глубины скважин превысили отметку в 3000 м, появилась настоятельная необходимость в разработке технологии бурения многоствольных скважин для получения дополнительного кернового материала с наиболее интересных глубин. Так в самой глубокой скважине 5Г на станции Восток на интервале 3600 - 3620 м было обнаружено большое количество включений, которые попали туда с берега подледникового озера Восток при движении ледника.

Координационный комитет программы Международное партнерство в изучении ледяных кернов (International Partnerships in Ice Core Sciences - IPICS), созданный под эгидой IGBP/PAGES и Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR) назвал наиболее приоритетной на ближайшие десятилетия задачей антарктических исследований - получение ледяного керна, который бы позволил реконструировать изменения климата и концентрации парниковых газов за последние 1,5 млн. лет. Это позволит решить одну из ключевых проблем

современной науки о климате, а именно: установить причины и понять природные процессы, которые в середине плейстоцена, примерно 1 млн. лет назад, привели к перестройке климатической системы Земли. Среди первоочередных задач, стоящих перед разработчиками буровых технологий, технические эксперты 1Р1С8 называют развитие способов и средств бурения дополнительных стволов глубоких скважин с целью получения параллельных (дублирующих) кернов льда на заданных глубинах.

Возможность управляемого бурения дополнительных стволов имеет большое значение и при ликвидации аварий, связанных отклонением от аварийного участка скважины.

Цель работы. Повышение информативности опробования льда и эффективности обхода аварийных участков при бурении глубоких скважин снарядами на грузонесущем кабеле.

Идея работы. Бурение боковых стволов скважин в ледниковых массивах в заданном интервале опробования для получения дополнительного кернового материала и обхода аварийных участков.

Задачи исследования:

1. Аналитический обзор причин изменения пространственного положения скважины во льду при бурении снарядом на грузонесущем кабеле;

2. Разработка математической модели процесса изменения пространственного положения бурового снаряда на грузонесущем кабеле в процессе бурения;

3. Разработка стенда для моделирования движения снаряда на кабеле при бурении скважин во льду;

4. Проведение экспериментальных стендовых исследований по изменению траектории скважин при бурении снарядами на грузонесущем кабеле во льду;

5. Статистический анализ экспериментальных стендовых исследований и получение эмпирических зависимостей;

6. Разработка технологии бурения многоствольных скважин во льду снарядом на грузонесущем кабеле;

7. Проведение опытно-производственной оценки предложенных разработок.

Методика исследования. Для решения указанных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. На основе разработанных теоретических моделей и экспериментальной методики исследования осуществлялось их практическое внедрение при бурении скважины 5Г на станции Восток.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости радиуса кривизны скважины на участке естественного искривления от геометрических характеристик бурового снаряда на грузонесущем кабеле. Защищаемые научные положения:

1. При бурении во льду снарядами на грузонесущем кабеле интенсивность естественного искривления скважин зависит от диаметра бурения, длины и диаметра бурового снаряда, а также от радиального зазора между ним и стенкой скважины.

2. Использование коронки с дополнительными режущими гранями на наружных боковых поверхностях резцов обеспечивает забуривание дополнительного ствола скважины без применения специальных устройств-отклонителей и забутовки основного ствола.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью расчётных величин с фактическими, полученными при бурении скважин снарядами на грузонесущем кабеле на станции Восток.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений, которые позволили завершить бурение скважины 5Г на станции Восток, выполнить вскрытие реликтового подледникового озера Восток и повторное

бурение ствола скважины 5Г-3 после замерзания поднявшейся в скважину воды озера.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на VII Международном симпозиуме по бурению скважин во льдах в 2013 г. (Висконсинский университет в Мэдисоне, США); Российско-Французском семинаре, проходившем в Горном университете в 2013 г.; в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте.

Реализация результатов работы.

Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

- проекта №2 «Комплексные исследования уникального подледникового озера Восток, включающие проникновение в озеро с отбором проб озёрной воды, и гляциологические исследования Антарктики», выполняемые в рамках реализации подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики» Федеральной целевой программы «Мировой океан» в 2011-2013 годах;

- проекта №1.13.1 ИД «Разработка инновационных технологий по приоритетному направлению научной школы «Бурение в осложнённых условиях» по заданию Министерства образования и науки на проведение отдельной НИР по ОЦО в 2011 году.;

- проекта №1.6.08 «Разработка научных основ бурения и освоения скважин в сложных геолого-технических условиях», проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ в 2011 г.;

- проекта №5744 «Новые методы разрушения горных пород при бурении скважин», проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ в 2012 г.;

- проекта №8638 «Разработка нетрадиционных способов и средств бурения скважин», проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ в 2013 г.

Публикации. Результаты диссертации в полной мере освещены в 6 изданиях, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России, и 1 патент на изобретение.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 94 наименования. Материал диссертации изложен на 128 страницах, включает 15 таблиц, 58 рисунков.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ 1.1 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ

Специфика условий Антарктиды - значительная удаленность, полное бездорожье, крайне суровый климат - предъявляют особые требования к буровому оборудованию, технологии, организации работ и подготовке персонала. Основные требования к буровому оборудованию - низкая энергоемкость, минимально возможный вес, высокое качество керна.

Отличительной особенностью технологии бурения льда является получение непрерывного керна, необходимого для проведения всесторонних научных исследований, что требует больших затрат времени на проведение спуско-подъемных операций [38].

Исходя из этих требований, наибольшее распространение для бурения скважин во льду получил способ бурения колонковыми буровыми снарядами на грузонесущем кабеле. Применение гибкой буровой колонны - грузонесущего кабеля позволило существенно снизить вес поверхностного бурового оборудования по сравнению с бурением на трубах за счет применения легких лебедок для грузонесущего кабеля и повысить скорость спуско-подъемных операций.

Разрушение льда в процессе бурения можно выполнять двумя способами: тепловым и механическим. При тепловом способе бурения лед на забое плавится под воздействием термобуровой коронки, при механическом - за счет разрушения льда коронками резцового типа. Наиболее значимый вклад в развитие теплового способа бурения внесли российские ученые, в частности, Горного университета [29]. Достаточно больших успехов достигли в этой области и французские ученые из LGGE (Лаборатория гляциологии и геофизики окружающей среды, Гренобль) [64]. Тепловой способ бурения привлекает в первую очередь относительной простотой буровых снарядов. Плавление льда на забое требует большого количества энергии, что связано с фазовым переходом льда из твердого в жидкое состояние. Для плавления льда требуется в десятки раз большее количество

энергии, чем при его механическом разрушении, что приводит к использованию грузонесущих кабелей значительно большего диаметра, чем для механического бурения. Оборудование для бурения скважин тепловым способом получается более энергоемким, кроме того, качество керна при механическом бурении значительно выше, чем при термобурении.

Исходя из явных преимуществ, в последнее время бурение глубоких скважин выполняется только электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле.

В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледниковых массивах принимал участие широкий круг российских учёных и полярных исследователей: Б.Б. Кудряшов, Н.И. Барков, Н.Е. Бобин, Н.И. Васильев, JI.K. Горшков, А.Н. Дмитриев, Э.А. Загривный, В.Я. Липенков, В.В. Морев, Л.М. Саватюгин, A.M. Шкурко и др.

Вопросы бурения направленных и многоствольных скважин различного назначения подробно освещены в работах российских учёных: С.С. Сулакшин, А.Г. Калинин, Ю.Т. Морозов, Н.В. Соловьёв, В.В. Кривошеев, В.В. Нескоромных, О.В. Ошкордин, Ю.С. Костин, В.П. Зиненко и др.

1.2 БУРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО

ЛЬДАХ

В настоящее время применяются два типа компоновок бурового комплекса, связанные с особенностями конструкции буровых снарядов.

Особенностью буровых комплексов первого типа (Рисунок 1.1,а) является то, что мачта жестко крепится к основанию и может быть приведена в горизонтальное положение при выполнении монтажных и ремонтных работ. Все операции по обслуживанию бурового снаряда на поверхности при сооружении скважины проводятся при нахождении его в вертикальном положении. Для извлечения керна и шлама при механическом бурении или талой воды при тепловом бурении используются специальные устройства, позволяющие

проводить операции по отсоединению колонковой трубы и фильтров со шламом от бурового снаряда и поузловые сборку и разборку бурового снаряда.

Рисунок 1.1 — Схемы буровых комплексов: а - буровой комплекс со стационарной

мачтой; б - буровой комплекс с поворачивающейся мачтой: 1 - лебедка; 2 - буровое здание; 3 - грузонесущий кабель; 4 - мачта; 5 - кронблок;

6 - устройство для разборки бурового снаряда

Второй тип (Рисунок 1.1 ,б) отличается тем, что для обслуживания бурового снаряда мачта с жестко скрепленным с ней буровым снарядом поворачивается в горизонтальное положение, что допустимо лишь при механическом бурении. Такое конструктивное решение связано, прежде всего, с тем, что для извлечения керна и шлама необходимо выдвинуть из снаряда внутреннюю колонковую трубу и шламосборный отсек. Суммарная длина этих узлов равна примерно длине бурового снаряда. Для снижения нагрузок на поворотное устройство ось, вокруг которой поворачивается мачта, располагается вблизи центра тяжести системы «мачта - снаряд», и сооружается шурф, в котором перемещается нижняя часть бурового снаряда при повороте. Высота расположения оси поворота выбирается таким образом, чтобы удобно было работать с буровым снарядом, стоя на полу бурового здания. При такой компоновке уменьшается высота бурового комплекса, но значительно увеличивается его