Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Рациональная технология бурения разведочных скважин для создания полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации по теме "Рациональная технология бурения разведочных скважин для создания полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов"

На правах рукописи

АННЕНКОВ Анатолий Алексеевич

РАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОЛИГОНОВ ЗАХОРОНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

00347 1205

Специальность 25.00.14— Технология и техника геологоразведочных работ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 2СШ

Москва - 2009 г.

003471205

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени федеральном государственном унитарном геологическом предприятии по проведению специальных гидрогеологических и инженерно-геологических работ «Гидроспецгеология»

Научный руководитель докт. техн. наук, профессор

Соловьёв Николай Владимирович

Официальные оппоненты докт. техн. наук, профессор

Башкатов Дмитрий Николаевич

канд. техн. наук Минаков Сергей Иванович

Ведущая организация: ООО НПО «Промгеология»

Защита состоится 24 июня 2009 года в 13.00 часов в аудитории 4-15А на заседании диссертационного совета Д 212.121.05 при Российском государственном геологоразведочном университете имени Серго Орджоникидзе по адресу: 117997, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.23, РГГРУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ.

Автореферат разослан 22 мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Предупреждение вредного воздействия токсичных, в том числе и радиоактивных промышленных стоков (РАО) на человека является одной из важнейших проблем первой половины XXI века. Восстановление природного равновесия, нарушенного человеком, в том числе при образовании отходов, является крупной задачей современности и ближайшего будущего.

Бурение разведочных скважин предшествует разработке технологии создания эксплуатационных скважин на полигонах подземного захоронения промстоков.

Разведочные скважины полигонов захоронения существенно отличаются от типовых геологоразведочных, нефтегазовых и гидрогеологических в части требований к их надежности по разобщению горизонтов, качеству изоляционных материалов и контролю технического состояния, так как они служат для разработки технических требований для сооружения эксплуатационных скважин. Это скважины специальной конструкции, учитывающей как технологию их сооружения, геологические условия бурения крепления и освоения, так и характеристики подземных вод. Скважины, как основной элемент системы глубинного захоронения, являются наиболее ответственными сооружениями и определяют эффективность работ по захоронению. От их конструкции, технического состояния и режимов эксплуатации в значительной степени зависит эффективность и безопасность захоронения.

Недра, ранее использующиеся только для извлечения полезных ископаемых, в настоящее время играют важную роль для глубинного захоронения промышленных стоков на специальных полигонах. Основу инженерного комплекса полигонов захоронения как РАО, так и вредных промстоков различных производств, составляют подземные сооружения - буровые скважины различного назначения: разведочные и эксплуатационные.

Эффективность сооружения эксплуатационных скважин полигона, обеспечивающих соблюдение экологических требований, во многом определяет технология бурения разведочных и является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка рациональной технологии сооружения разведочных скважин для типовых гидрогеологических условий с целью повышения технико-экономической эффективности и экологической безопасности сооружения разведочных скважин на полигонах для захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Идея работы

Разработка эффективной технологии бурения разведочных скважин для комплексного решения задач, обеспечивающих сооружение эксплуатационных скважин полигонов подземного захоронения в типовых гидрогеологических условиях с минимальным экологическим риском.

Объект исследований

Эффективная технология бурения разведочных скважин применительно к конкретным геологическим и гидрогеологическим характеристикам, как основа для проектирования и сооружения скважин полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Задачи исследований

1. Изучение опыта сооружения и эксплуатации скважин полигонов подземного захоронения (11113) токсичных промышленных стоков (промстоков) и жидких радиоактивных отходов в различных геолого-гидрогеологических условиях с целью оптимизации их проектирования и строительства.

2. Разработка типовой конструкции разведочной скважины с учётом количества спускаемых обсадных колонн, глубины их установки, диаметра и материала применяемых обсадных труб, диаметра и конструкции долот для бурения под каждую колонну, высоты подъёма тампонажного раствора в затрубном пространстве и минимизации степени экологического риска с целью обеспечения безаварийного и качественного строительства и эксплуатации скважины.

3. Разработка рациональной гидравлической программы сооружения разведочных скважин, обеспечивающих снижение репрессии на разбуриваемые пласты и пласт-коллектор для предупреждения потери устойчивости скважины, расчета величины гидравлических давлений при спуске бурильной и обсадных колонн, работе гидромониторных долот и оценки величины скин-эффекта.

4. Разработка рациональной технологии бурения скважин и цементирования обсадных колонн, в том числе «хвостовиков», обеспечивающих высокую производительность при снижении репрессии на пласт-коллектор и степени его загрязнения.

Методика исследований

При решении поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение опубликованных работ по выбранной теме, а также теоретические, стендовые и экспериментально-производственные исследования с применением современных методов прикладной математики.

Обработка данных исследований, в том числе практических данных при проектировании и строительстве специальных скважин, производилась с использованием персонального компьютера.

Научная новизна исследований

1 .Установлена зависимость критической температуры нагрева труб фильтровой колонны при эксплуатации скважины от длины обсадной трубы, удельного момента инерции и коэффициента линейного расширения материала трубы, позволяющая определять величину прогиба фильтровой трубы от температуры нагрева.

2. Уточнена формула Мариотта применительно к расчёту обсадных труб на внутреннее давление с учётом их овальности и установлено условие появле-

ния потери продольной устойчивости овальных обсадных труб, используемое для проведения проектных расчётов

3. Выявлена зависимость силы взаимодействия между обсадной трубой и цементным кольцом в однослойной крепи от распределённых нагрузок после ОЗЦ и в период эксплуатации, позволившая определить зазор между трубой и цементным кольцом после выравнивания давлений в обсадной колонне и за колонной между трубой и цементным кольцом.

4. Установлена зависимость прочности материала цементного кольца для трёхслойной крепи от диаметров обсадных труб внешнего избыточного давления, модулей упругости, толщины слоев крепи, объёма цементного геля, степени гидратации цемента, удельного объёма исходного цемента, водоцементного отношения, удельного объёма каппилярных пор, массы и удельного объёма инертного наполнителя, массы цемента, позволившая определить рациональную прочность материала цементного камня крепи.

5. Определена закономерность изменения минимально допустимого значения репрессии и показателя скин-эффекта на вмещающий коллектор при бурении и цементировании эксплуатационной колонны, что позволило разработать рациональную гидравлическую программу вскрытия пласта-коллектора.

Практическая ценность диссертации

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработаны и реализованы временные технические условия ВТУ 02-27 на бурение, крепление, опробование и приемку скважин всех назначений полигона подземного захоронения отходов на площадке 27 предприятия п/я А3487 (горно-химического комбината, г. Железногорск).

2. Разработана и реализована эффективная конструкция насадки гидромониторного трехшарошечного долота, конфузорная конструкция которой позволяет получить гидромониторный эффект при отношении длины прямолинейного участка канала насадки к диаметру канала на выходе, равном 051-Ю,53.

3. Разработана и реализована технология, обеспечивающая герметичное соединение фильтровой и глухой секций эксплуатационной колонны из труб коррозионностойких сталей для эксплуатационных скважин площадки 27, с применением которой пробурено 29 скважин различного назначения с общим объемом бурения 22370 м.

4. Приведенные в работе теоретические и экспериментальные материалы рекомендуются к практическому применению в производственных условиях также для скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые.

5. Результаты исследований могут быть использованы в учебных процессах в рамках курса «Бурение разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые»

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Защищаемые научные положения и практические рекомендации обоснованы необходимым объёмом теоретических, лабораторных и экспериментально-производственных исследований, а также проверкой основных защищаемых

положений, выводов и рекомендаций в производственных условиях и достаточной сходимостью экспериментальных данных и результатов теоретических исследований. При проведении исследований в лабораторных условиях были рассчитаны конструктивные параметры стендов имитирующих призабойные условия и контакт цементного камня с обсадной колонной.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов РГТРУ имени Серго Орджоникидзе «Новые идеи в науках о земле», «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже ХХ-ХХ1 в.в. (2003, 2004, 2005, 2006,2007 и 2008 г.г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 опубликованных работах, поданы четыре заявки на предполагаемые изобретения, которые находятся на рассмотрении в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 61 наименования. Диссертация содержит 11 таблиц и 38 рисунков.

Во введении обоснованы актуальность и научно-практическое значение качественного проектирования специальных разведочных и скважин для глубинного захоронения токсичных и жидких радиоактивных отходов. Определены цель и задачи диссертационной работы, представлены основные защищаемые положения и результаты реализации работы.

В главе 1 на основе анализа теории и практики проектирования и сооружения специальных скважин для глубинного захоронения токсичных и радиоактивных промстоков Российской Федерации и за рубежом определены основные направления повышения качества проектирования и эффективности бурения указанных скважин.

В главе 2 изложена методика проведения комплексных исследований.

Глава 3 посвящена разработке рациональной конструкции специальных разведочных скважин, обеспечивающих герметичность колонны и надёжную изоляцию всех вскрытых горизонтов.

В главе 4 изложены результаты исследований по выбору конструктивных элементов технических средств для сооружения специальных скважин и рациональных режимно-технологических параметров бурения.

В главе 5 дана технико-экономическая и экологическая оценка применения разработанной технологии бурения специальных скважин.

В заключении излагаются выводы и рекомендации обобщающие основные результаты выполненной работы.

Работа выполнена в ФГУГП «Гидроспецгеология» с использованием лабораторных стендов ОАО «Тульское НИГП», ВНИИКРнефти и ВНИПИпром-технология. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю

д.т.н., профессору Соловьёву H.B. за постоянную методическую помощь и поддержку в работе. Автор искренне признателен преподавателям кафедры разведочного бурения РГГРУ, а также д.т.н. Будюкову Ю.Е., к.г-м.н. Егорову H.H. и многим специалистам производственных и научно-исследовательских организаций за внимание, помощь и ценные советы, которые были оказаны на всех этапах работы над диссертацией.

Содержание работы. Автор в своей работе опирался на результаты исследований по выбору конструкций специальных разведочных и эксплуатационных скважин, характера взаимосвязи напряжения горных пород и породораз-рушающего инструмента и напряжения цементного кольца в затрубном пространстве, выполненных многочисленными учеными исследователями и конструкторами.

Крупный вклад в развитие и прогресс науки и практики в области проектирования и строительства разведочных скважин внесли известные ученые исследователи и специалисты Воздвиженский Б.И., Шамшев Ф.А., Уткин И.А., Владиславлев B.C., Волков С.А., Федоров B.C., Козловский Е.А., Башкатов Д.Н., Калинин А.Г., Сулакшин С.С., Левицкий А.З., Никитин Б.А., Ребрик Б.М., Соловьёв Н.В., Власюк В.И., Булатов А.И., Середа Н.Г., Соловьёв Е.М., Панков A.B., Беляков В.М., Квашнин Г.П., Деревянных А.И., Вадецкий Ю.В., Ясашин Я.М., Сердюк Н.И., Ганджумян P.A., Рабинович Н.Р., Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П., Погарский A.A., Чефранов К.А., Аветисов А.Г., Эйгелес P.M., Беликов В.Г., Гаврилко В.М., Оганов Г.С, Кожевников A.A., Панков A.B., Минаков С.И., Гайворовский A.A., Цыбин A.A., Галле С., Вудс Г., Валкер X., Хаппель Дж., Ердоген Ф. и др.

Эта технология разрабатывается с учетом и на основании действующего законодательства и других нормативных актов в области охраны окружающей среды и рационального использования недр, опыта нефтяной и газодобывающей промышленности по созданию хранилищ углеводородов в глубоких горизонтах и технологий сброса высокоминерализованных нефтепромысловых (сточных) вод в поглощающие водоносные горизонты. Эффективность бурения разведочных скважин определяет длительность работы и экологическую безопасность полигонов подземного захоронения промстоков подземных хранилищ. Подземная часть полигона включает пласт-коллектор, подстилающий и перекрывающий его водоупоры, водоносный горизонт и систему скважин различного назначения. Поверхностные сооружения полигона включают основные производственные объекты и вспомогательные службы, в совокупности обеспечивающие нормальное функционирование и эксплуатацию хранилищ.

Подземные сооружения - это скважины различного назначения. Однако отсутствует рациональная технология их сооружения, что не способствует повышению качества этих работ и снижению экологических рисков.

Изложенные обстоятельства обусловили постановку наших исследований. Проведенный анализ состояния рассматриваемого вопроса позволил поставить конкретные задачи исследований, в результате выполнения которых была выявлена научная новизна полученных результатов и сформулированы следующие защищаемые положения диссертационной работы.

1. Методика выбора конструкции разведочных скважин, обеспечивающая совершенство скважины по характеру и степени вскрытия пласта-коллектора, герметичность колонны и надёжную изоляцию затрубного пространства и водоносных горизонтов, залегающих выше пласта-коллектора, в течение всего времени эксплуатации скважины.

Бурение разведочных скважин предопределяет создание инженерного комплекса полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Основной целью бурения разведочных скважин является разработка рациональной технологии сооружения нагнетательных, наблюдательных и др. скважин для полигонов подземного захоронения.

Оптимальной следует считать такую конструкцию скважины, которая помимо выполнения вышеуказанных требований обеспечивает минимальный расход средств на её строительство и эксплуатацию, а также сведение к минимуму экологического риска.

Проектирование конструкции скважины целесообразно начинать с выбора крепи скважины.

С этой целью нами рассмотрены особенности формирования внешних радиальных нагрузок участков обсадных труб в пределах неустойчивых горных пород (пластичные глины, пески, алевролиты и др.), характерных для разрезов разведочного бурения на площадке 27 - основном районе производственных испытаний на Красноярском горно-химическом комбинате. При этом было установлено, что в пластичных породах боковое давление передаётся на внешнюю поверхность обсадной трубы постепенно: темп увеличения давления в более пластичных глинах больше, чем в менее пластичных и предложен критерий для оценки бокового горного давления, что позволило уточнить методику расчёта обсадных колонн в окружении неупругих пород.

В период эксплуатации скважины на фильтровую колонну действуют силы теплового поля от нагнетания в скважину жидких отходов с высокой температурой нагрева (150-230°С). В результате теоретического рассмотрения условий нагрева фильтровой колонны в скважине установлены зависимость критической температуры нагрева труб фильтровой колонны (Тк) от длины участка фильтровой колонны, коэффициента линейного расширения её материала и удельного момента инерции, а также упругого прогиба сжатой трубы фильтра от температуры её нагрева (/тах) в виде:

где Т, Тк — температура трубы текущая и критическая соответственно, С°; / - удельный момент инерции, м;

Ь - коэффициент линейного расширения материала труб; у/ - число «приведённой длины» колонны; I - длина участка фильтровой колонны, м; /пах — максимальный упругий прогиб, м.

(2)

(1)

^вн Г77> (4)

Определена критическая температура нагрева стальных обсадных труб, равная 50,8° С, при которой начинается прогиб колонны труб. Для предотвращения этого необходимо обеспечит её предварительную натяжку.

При испытаниях как круглых, так и овальных труб под внутренним давлением было установлено, что некоторые трубы теряли продольную устойчивость.

В результате теоретического рассмотрения зависимости напряжения на внутренней поверхности трубы от внутреннего давления в ней её внутреннего радиуса и толщины стенки была уточнена формула Мариотта применительно к овальным трубам. Найдено условие потери предельной устойчивости обсадных труб при внутреннем давлении, описываемое уравнениями:

в 2 К

1 + е/К'

где а0 — напряжение на внутренней поверхности обсадной трубы, Па;

2 г

Рвн - внутренне давление в трубе, Па;

г - внутренний радиус трубы, м;

3 — толщина стенки трубы, м;

а, - предел текучести, Па.

При бурении разведочных скважин установлено, что скорость коррозии труб из стали групп прочности С и Д в жидких токсичных отходах превышает 0,5^1,0 мм в год, в тех же условиях поверхность труб из нержавеющей стали Х18Н10Т оставалась практически неизменной, без следов коррозии. Это позволило рекомендовать для скважин полигона применять фильтровые и эксплуатационные колонны из нержавеющей стали 12Х18Н10Т.

Известно, что обсадные трубы в интервалах цементирования скважин образуют с цементным кольцом крепь, которая выполняет функции крепления скважин и разобщения пластов.

Нами рассмотрено упрочняющее влияние цементного кольца для тонкостенных труб с начальной овальностью, а также распределение напряжений в наиболее опасных сечениях труб. При этом перемещение трубы и цементного кольца от сосредоточенных нагрузок были представлены функциями Грина.

Из графиков, построенных на основе расчётов с применением функций Грина установлено, что с увеличением значений модуля упругости материала цементного камня упрочняющее влияние цементного кольца на тело обсадной трубы возрастает и наибольшие напряжения возникают на наружной поверхности.

Проектирование конструкции скважины целесообразно начинать с обоснования и выбора крепи скважины (рис. 1). С учетом геолого-технических и гидрогеологических условий бурения трёхслойная крепь является преобладающей в конструкциях исследуемых скважин. На основе анализа напряженного состояния трёхслойной крепи с учетом теории кривого бруса по известной и

уточненной нами схеме (рис. 1) установлен комплексный показатель прочности цементного камня, который описывается уравнением:

2 Н-а

И-У-т

(5)

. Ц С

где II - показатель прочности материала цементного кольца на сжатие, а = + а2 + а};

а,=АЕх\1Дгх;

а2=ЩИ2/д1,

а3=4£3й3/Д32;

а2, аз - отношение произведения модуля упругости на толщину слоя к квадрату диаметра для первого, второго и третьего слоев крепи соответственно;

Ди Дг, Дз - диаметры первого, второго и третьего слоев крепи средней линии, м;

Еи Ег, Е3, Аь кг, Ы - соответственно модули упругости и толщина слоев крепи, Па, м;

Рч - внешнее избыточное давление на крепь, Па;

N - объём цементного геля, образующийся из единицы объёма негид-ратированной частицы;

т - степень гидратации цемента (в долях единицы); Ус — удельный объём исходного цемента, м3/кг; В/Ц-водоцементное отношение; У„ - удельный объём капиллярных пор, м3/кг; д - масса инертного наполнителя, кг; с - масса цемента, кг;

Ус - удельный объём инертного наполнителя, м /кг.

Рис. 1. Схема действия сил на трехслойное крепление скважины

В формуле (5) выражение в скобках представляет собой концентрацию цементного геля в единице объема цементного камня - X", где п - опытный коэффициент, определяется по методике МИНХ и ГП им. И.М. Губкина.

Из уравнения (5) видно, что показатель прочности цементного камня зависит от диаметров обсадных труб, наружного избыточного давления, модулей упругости и толщины слоев крепи, объёма цементного геля, степени гидратации цемента, удельного объёма исходного цемента, водоцементного отношения, удельного объёма каппилярных пор, массы и удельного объёма инертного наполнителя, массы цемента. При увеличении прочности цементного камня происходит перераспределение нагрузки на слои крепи, так как напряжение в камне увеличивается, а в обсадных трубах уменьшается. Для каждой расчетной схемы трехслойной крепи при использовании обсадных труб диаметром от 0,146 до 0,325 м существует оптимальная прочность цементного камня, которая для крепей из стали Д и 12Х18Н10Т составляет 8-12 МПа на одноосное сжатие.

На основе анализа напряженного состояния первого второго и третьего слоев крепи установлено, что при увеличении толщины наружной трубы критическое давление увеличивается незначительно, а с увеличением толщины внутренней трубы критическое давление существенно возрастает.

В трехслойной крепи напряжение во внутреннем слое достигает предела текучести значительно раньше, чем потеря устойчивости. Следовательно, расчет трехслойной крепи следует вести исходя из условия прочности внутреннего слоя по зависимости

где Р^- критическая прочность цементного камня, Па;

Кс - отношение толщины стенки трубы к диаметру трубы; т - коэффициент условий работы металла; К3 - коэффициент запаса прочности; ■% - предел текучести материала первого слоя (трубы), Па,-¡л - коэффициент Пуассона.

При аналитическом рассмотрении напряженного состояния трехслойной и однослойной труб установлено, что начальное несовершенство (овальность, разностенность) для трехслойных труб в отличие от однослойных является второстепенным фактором и устойчивость трехслойной крепи можно оценивать по величине/,,^ и формуле (6).

Конструкция скважины, в интервале пласта-коллектора должна обеспечивать наилучшие условия поступления токсичных и радиоактивных отходов в пласт-коллектор. Гидравлическая связь ствола скважины с пластом-коллектором осуществляется с помощью секций проволочных фильтров на каркасе из нержавеющих труб.

С учетом объема токсичных отходов можно определить диаметр фильтра по формуле:

Р

2Кса ■ тЭТ

с

(б)

Дф кг'

(7)

где Дф - диаметр фильтра, м;

а - коэффициент, учитывающий гранулометрический состав пород; Q - объем поступающих в скважину токсичных и радиоактивных отходов, м3/сек;

К - опытный коэффициент (К = 0,8-Ю,9), зависящий от изменения длины рабочей части фильтра, м/сек; £ - длина рабочей части фильтра, м.

По методике РГГРУ определено условие предупреждения статической репрессии на вмещающий пласт, с учетом которого разработана рациональная гидравлическая программа вскрытия пласта - коллектора.

На основе анализа результатов производственных и теоретических исследований установлена зависимость для определения глубины установки кондуктора в виде:

Ь = Кк(У1/Г + 10м), (8)

где Ь - глубина установки кондуктора, м;

Ух - максимальный объём бурильных труб, спускаемых на глубину до башмака следующей колонны, м3; V - объем 1 м длины кондуктора, м3; Кк - коэффициент запаса длины кондуктора.

Также получена зависимость для определения глубин спуска эксплуатационный колонны в виде:

НЭ = Н„— АН, (9)

где Нэ - глубина спуска эксплуатационной колонны, м; Н„ - глубина залегания кровли пласта коллектора, м; АЯ - расстояние от торца башмака эксплуатационной колонны до кровли пласта коллектора. Из опыта работы принимаем АН= 5-И О м. С целью герметизации соединения эксплуатационной и фильтровой колонн разработан стыковочный узел в виде соединения шара и конуса, при котором радиус окружности контакта шара и конуса определяется по формуле:

я = ^//(27?-Л), м где К* - коэффициент изменения формы контакта (К„=0,9-1,0); а — радиус окружности контакта шара и конуса, м;

А - расстояние от вершины шара до плоскости, в которой лежит окружность контакта; Я - радиус шара, м.

Разработана методика выбора конструкции нагнетательной скважины, которая заключается в следующем. Для конкретного участка работ по данным результатам бурения разведочной скважины в сходных гидрогеологических условиях, определяется конструкция скважины и с учетом формул (1-9) обосновываются следующие параметры: количество обсадных труб и глубина их спуска, диаметры эксплуатационной колонны и долота, а также определяются интервалы цементирования.

Типовая конструкция нагнетательной скважины (заявка на изобретение) приведена на рис. 2.

Поз. 6

Стыковочный узел 1 - диафрагма; 2 - эксплуатационная колонна; 3 - шаровой выступ верхней обсадной трубы; 4 - конический выступ нижней обсадной трубы; 5 - фильтровая колоша

Рис. 2. Типовая конструкция скважины 1 - кондуктор; 2 — техническая колонна; 3 - эксплуатационная колонна; 4 - лифтовая колонна; 5 - цементное кольцо; 6 - стыковочный узел; 7 - фильтр; 8 - пласт-коллектор; 9 - отстойник; 10 - труба для подачи раствора; 11 - труба для отвода газа

2. С целью повышения качества и надёжности цементирования скважин в осложненных геологических условиях полигонов необходимо применять технологию обратного цементирования тампонажным раствором с предложенной рецептурой, с поддержанием расчетной скорости замещения им бурового раствора в заколонном пространстве и с применением разработанного гравитационного клапана.

Нами совместно с сотрудниками ВНИИКРнефти и ВНИПИпромтехноло-гия были проведены исследования технологии цементирования скважин с применением МТЦ (материала тампонажного для циклически меняющихся температур), выпускаемого по техническим условиям ТУ 39-0147009-007-88 Кон-стантиновским заводом утяжелителей).

Было исследовано влияние водно-цементного отношения (В/Ц) на технологические параметры раствора МТЦ и цементного камня при различных температурах и В/Ц 0,40-0,50. Тампонажный раствор на основе МТЦ обладает короткими сроками схватывания и необходимыми технологическими свойствами при водоцементном отношении в пределах 0,40-0,43.

Нами было установлено, что тампонажный раствор при В/Ц =0,40-0,43 способствует формированию камня с достаточной прочностью и при пониженных забойных температурах (до 3-5С°).

Было проведено исследование долговечности тампонажного камня из МТЦ Началу эксплуатации скважин предшествует длительный, исчисляемый несколькими месяцами, подготовительный период. За этот период твердения при низких положительных температурах в условиях скважин структура и свойства тампонажного камня претерпевают существенные изменения в результате физико-химических процессов гидратации. Анализ влияния длительности твердения при низких положительных температурах (25°С) прочность камня из МТЦ при В/Ц = 0,43 показывает, что при сроке от 180 до 540 суток он сохраняет стабильные прочностные показатели (рис. 3). Это позволяет сделать вывод о том, что цементный камень при длительном твердении в условиях низких положительных температур является устойчивым как в пресной воде, так и в гидрокарбонатнонатриевых и гидрокарбонатнокальциевых водах (с общей минерализацией до 1 г/л).

В процессе исследования проницаемости тампонажного камня МТЦ установлено, что его изолирующая способность остается стабильной при длительном твердении как при низких положительных температурах, так и при прогревах до 70-80°С. Длительное твердение тампонажного камня из МТЦ в условиях низких положительных температур (3-25°С) не оказывает существенного влияния на его термостойкость при последующем термическом прогреве различной продолжительности. Были выполнены исследования моделирующие длительность взаимодействия цементного кольца с обсадной колонной и его ползучесть. В результате этого исследования установлено, что создание у цементного камня высокого коэффициента запаса прочности наступает на 5 сутки, чем определяется длительность ОЗЦ. Это позволяет значительно снизить отрицательную роль ползучести.

визг., МПа 12

10

8

б

4

2

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Время, сут.

Рис. 3. Изменение прочности на изгиб тампонажного камня из МТЦ в процессе длительного твердения при температурах 25°С (1, 2) и 3°С (3,4) в пресной воде (2,4) и минерализованной гидрокарбонатно-натриевой воде с общей минерализацией

до 1 г/л (1,3)

Были проведены также исследования при атмосферных температурах сцепления твердого цементного камня с металлом обсадных труб и горными породами. При нахождении цементного кольца в скважине под сцеплением мы понимаем силы, удерживающие металлическую обсадную трубу кольцом из цементного камня. Выполнены лабораторные исследования процесса выдавливания металлического стержня из цементного камня (на основе материала МТЦ), находящегося в стальной обойме. Металлические стержни были изготовлены из стали группы прочности Д и стали 12Х18Н10Т. Было установлено, что показатель сцепления у стержня из стали Д ниже аналогичного показателя для стержня из стали 12Х18Н10Т от 12% в начале выхода стержня и до 55 % в конце выхода. В случае покрытия поверхности стального стержня как обработанным, так и не обработанным глинистым раствором сцепление обоих типов стержней снижается весьма существенно (на 60-80%).

Особенности бурения и эксплуатации скважин обуславливают определенные требования к тампонажному материалу, раствору на его основе и цементному камню: должны обеспечиваться ускоренные сроки схватывания и твердения тампонажного раствора при цементировании, высокая изолирующая способность и термическая устойчивость камня в процессе эксплуатации скважины.

Одним из основных требований при сооружении специальных скважин является необходимость предотвращение перетоков по стволу. Поэтому автором предложен способ обратного цементирования скважин, при котором поддержание расчётной скорости замещения бурового раствора на цементный в за-колонном пространстве осуществляется с помощью дросселя на устье скважины, а вхождение цементного раствора в обсадную колонну контролируется при помощи обратного гравитационного клапана (заявка на изобретение).

-о—

— — —- а~~7 1

£1 Г - э

- 3 3 /...... . 4 —■Ч

| > >

■— ■ й ------- ---- ----- 1.

Таким образом, на основе проведенных исследований рекомендуется выполнение: направления из обсадных труб стали «Д» диаметром 426 мм с толщиной стенки 11 мм; кондуктор из обсадных труб стали «Д» диаметром 324X10 мм; технической колонны из труб стали 12Х18Н10Т диаметром 219x10мм; эксплуатационной колонны из труб стали 12Х18Н10Т, диаметром 146x8 мм.

Затрубное пространство обсадных колонн во всех нагнетательных скважинах должно быть зацементировано от башмака до устья надежно и качественно, кондуктор и техническая колонна цементируется с применением цемента по ГОСТ 1581-85, а для цементирования эксплуатационных колонн необходимо применение спеццемента по ТУ 39-014-7009-88.

Для обеспечения более плотного и надёжного сцепления цементного камня с породой и колонной до начала спуска обсадных колонн и их цементирования производится очистка их от ржавчины и продуктов ГСМ проволочными скребками, а трубы из стали 12Х18Н10Т проходят подготовку в заводских условиях.

Для цементирования обсадных колонн эксплуатационных скважин необходимо применять обратный двухступенчатый способ цементирования.

3. Обоснование и выбор технологии бурения следует проводить с учетом взаимодействия долота с породой забоя и гидравлической программы, для поддержания режимов бурения и репрессии на стенки и забой скважины в установленных пределах, что позволит улучшить разрушение породы и вынос выбуриваемого шлама при уменьшении кольматации пласта-коллектора.

Для успешной проходки скважин необходимо разработать рациональную гидравлическую программу, включающую, как известно, выбор регулируемых параметров процесса промывки на основе комплексного учета всех функций последней для повышения эффективности бурового процесса. Разработана гидравлическая программа, заключающаяся в том, что при строительстве скважины выполнение технологических операций - спуск обсадной (бурильной) колонны, промывка и бурение, а также цементирование эксплуатационной и фильтровой колонн должно осуществляться на таких режимах, при которых возникающая в скважине репрессия не превышает установленного значения, обеспечивающего минимизацию загрязнения пласта-коллектора фильтратом бурового, цементного раствора, эффективный вынос выбуренной горной породы из кольцевого пространства скважины, максимальное использование гидромониторного эффекта и гидравлической мощности насосной установки.

В результате анализа потерь давления в промывочных устройствах долота получена зависимость для определения суммарных потерь давления в них, которая является уточненной формулой A.A. Козодоя:

где - коэффициенты учета расхода промывочной жидкости от промывочного устройства долота;

Мо-Мк

(10)

Ик ~ коэффициент учета расхода промывочной жидкости от насадки и подводящих каналов соответственно (ы0 = 0,85-Ю,95; цк = 0,85-Ю,90); £0 — коэффициент учета величины сопротивления насадки, определенной аналитическим способом;

4 - коэффициент учета величины сопротивления подводящих каналов; (

т = —— степень раскрытия насадки;

/к

/о - площадь суммарного сечения насадок в свету, м2;

/к - площадь суммарного сечения насадок по входным кромкам (сечение

подводящих каналов), м2.

Эта формула позволяет оценить влияние формы входящих кромок подводящих каналов на потери давления в промывочных устройствах долота.

Основным фактором, влияющим на улучшение энергетических показателей гидромониторных струй, является расход прокачиваемой жидкости и скорость с учетом её истечения из насадок долота, которые зависят от диаметра насадки. Нами установлено, что диаметр насадки определяется по зависимости:

е0 - коэффициент сопротивления насадки (е0 = 1,1+1,4); т - степень раскрытия насадки (т = 0,30-Ю,55);

— коэффициент расхода подводящих каналов {цк = 0,85-Ю,90); /¿о - коэффициент расхода насадки (м0 = 0,85-Ю,95); 2- число насадок в долоте; Рз — давление, создаваемое буровым насосом.

Как видно из формулы (11) диаметр насадки долота прямо пропорционален расходу промывочной жидкости и обратно пропорционален давлению, создаваемому насосом. При этом длина прямолинейного участка канала насадки долота определяется по зависимости:

где I - длина прямолинейного участка канала насадки долота, м;

с10 — диаметр насадки долота, м;

К- опытный коэффициент (0,51-^0,53).

Проведенными исследованиями и расчетами установлено, что рациональное значение коэффициента К составляет 0,51+0,53.

По формулам (11) и (12) определяется рациональный тип насадок гидромониторных долот. С целью предотвращения загрязнения пласта-коллектора было проведено совершенствование рецептуры бурового раствора за счет применения в качестве наполнителя алюминиевой пудры.

Сочетание рациональных значений осевой нагрузки и частоты вращения должно обеспечивать максимальную механическую скорость бурения. Была ус-

(И)

1 = К-(10,

(12)

К= ' к' , (13)

тановлена зависимость между осевой нагрузкой и частотой вращения для шарошечных долот диаметром 214 мм при условии, что интенсивность промывки достаточна для хорошей очистки забоя. Эта зависимость может быть использована и для долот других диаметров, тогда частоту необходимо регулировать так, чтобы угловая скорость на периферии долот не превышала указанных величин.

На основе проведения теоретических и экспериментальных исследований для конкретных горно-геологических условий (площадка № 27) получены зависимости для определения механической скорости бурения:

- начальной механической скорости

0,07 Ьк-пР

Рш-Д

- текущей механической скорости

ГТ=Г0(1 + (14)

- средней механической скорости

V =—1:---1 (15)

где К0, ¥т, Ус - механическая скорость бурения начальная, текущая и средняя

соответственно, м/с;

Ьк - коэффициент, характеризующий забойные условия (по Л.А.Шрейнеру);

п - частота вращения бурового снаряда, с-1;

Р — осевая нагрузка на инструмент, Н;

t — время работы долота, с;

Ь — показатель уменьшения Ут во времени;

Л - углубка за рейс, м,

Д— диаметр долота, м;

Рш - твердость пород по штампу, Па.

Основные параметры процесса бурения установлены с учетом обеспечения очистки забоя и износа опор долота и его вооружения.

4. Методические рекомендации по конструкции и технологии сооружения разведочных скважин для полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов, разработанные на основании проведенных исследований, обеспечивают комплексное решение задачи эффективного бурения эксплуатационных скважин в типовых гидрогеологических условиях с минимизацией вредного экологического риска.

При разработке рабочих проектов на строительство нагнетательных скважин, а также в процессе их строительства были использованы все методы и решения, а также технико-технологические мероприятия, которые представлены в диссертационной работе.

За последние годы под непосредственным научным руководством и при участии автора диссертационной работы разработаны и внедрены временные технические условия ВТУ 02-27 на бурение и крепление, специальных разведочных и эксплуатационных скважин для подземного захоронения отходов на

площадке п/я 3487.С применением разработанных технологий было пробурено 22370м.

При этом основными факторами, позволившими достичь высоких технико-экономических показателей бурения, были: определение рациональной конструкции скважины, выбор типа буровых долот с учетом результатов анализа напряженного состояния при их взаимодействии с забоем скважины, разработка рациональной гидравлической программы бурения скважин, включающий совершенствование состава бурового раствора на основе применения в качестве наполнителя алюминиевой пудры и выбор его плотности для предупреждения потери устойчивости стенок ствола; новая технология герметизации соединения фильтровой и глухой секции эксплуатационной колонны из труб коррозионно-стойких сталей, рациональные режимы бурения и цементации на основе обобщенной математической модели процесса углубления скважины.

На основании проведенных исследований автором рекомендуется в состав регламента по контролю технического состояния нагнетательных скважин полигона включать гелиеметрические исследования в наблюдательных скважинах с набором специальных приборов.

Включение в состав работ по контролю за техническим состоянием метода гелиеметрии позволяет более оперативно и надежно обнаруживать наличие перетока по затрубному пространству.

Появление в различных водоносных горизонтах аномальных концентраций гелия будет свидетельствовать о некачественном цементировании обсадных колонн, что может привести к перетоку подземных вод из нижележащего горизонта в вышележащий.

Таким образом, в результате анализа литературных данных и производственных исследований нами предложена классификация, позволяющая систематизировать базовые виды контроля технического состояния скважин, которые используются при проведении разведочных работ и бурения технологических скважин для подземного захоронения радиоактивных и токсичных отходов (рис. 4).

Проведен технико-экономический анализ внедрения новой технологии сооружения нагнетательных скважин на площадке 27.

При использовании новой технологии производительность бурения за станко-смену увеличилась в 1,5 раза, а себестоимость 1 м бурения снизилась на 27%, годовой экономический эффект составил 716 511,1 руб. (в ценах 1989г).

Таким образом, применение новой технологии бурения разведочных и эксплуатационных скважин позволяет наряду с высоким качеством работ и минимизацией экологического риска получить и значительный экономический эффект.

Рис. 4. Классификация видов контроля технического состояния специальных скважин

Основные выводы и рекомендации

1. На основании исследований разработаны и освоены технические решения и технико-технологические рекомендации по рациональной конструкции и технологии бурения разведочных и эксплуатационных скважин, обеспечивающие герметичность обсадных колонн и надёжную изоляцию затрубного пространства и водоносных горизонтов в течение всего времени эксплуатации скважин на основе применения рациональных конструкционных материалов обсадных труб, новых рецептур цементного раствора и усовершенствованной технологии их цементирования.

2. Установлена зависимость, описывающая изменение механической скорости бурения во времени от режимных параметров, физико-механических свойств буримых горных пород с учетом напряженного состояния забоя от взаимодействия с породоразрушающими элементами бурового долота и уточненной гидравлической программы вскрытия водоносных горизонтов.

На основании этой зависимости даны рекомендации по выбору наиболее эффективных типов шарошечных долот для бурения в конкретных геолого-технических условиях.

3. Предложена классификация видов контроля технического состояния скважин.

В дополнение к известным методам контроля качества изоляции затрубного пространства при эксплуатации скважин полигона, а также нефтегазовых и гидрогеологических разработан и рекомендуется гелиеметрический метод.

4. Разработанные рекомендации по совершенствованию технологии сооружения разведочных скважин внедрены в производство при бурении эксплуатационных скважин на полигоне подземного захоронения радиоактивных и токсичных отходов с получением значительного экономического эффекта при снижении экологических рисков.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Анненков A.A. Использование метода гелиеметрии при контроле технического состояния скважин для глубокого хранения жидких токсичных промышленных отходов. Разведка и охрана недр, 10,2008 - с. 59-61.

2. Анненков A.A., Егоров H.H., Святовец С.В., Захаренков A.B. Промышленный опыт внедрения способа использования недр в технологии водоподго-товки на ТЭЦ. «Разведка и охрана недр», 10,2008 - с. 61-64.

3. Анненков A.A. Требования к конструкциям и технологии сооружения буровых скважин для глубинного захоронения токсичных промстоков и жидких радиоактивных отходов. Избранные доклады VII международной конференции «Новые идеи в науках о земле», М., 2005г., стр. 190-199.

4. Анненков A.A., Соловьев Н.В. Обоснование параметров и технологии бурения скважин специального назначения. Материалы VII международной конференции «Новые идеи в науках о земле». Том 3, М., 2005г., стр. 267-268.

5. Анненков Л.А., Егоров H.H., Новоселова В.И., Шипулин Ю.К. Проблемы захоронения промотходов в глубокие горизонты земных недр. Материалы II

Республиканской научно-практической конференции. Саратов: «Научная книга», 2001 г., стр. 94-96.

6. Анненков A.A., Егоров H.H., Святовец C.B. Замкнутая природно-техническая система «Наука в России». РАН, 2006 г. № 6, стр. 24-27.

7. Анненков A.A. Основное требование при проходке и оборудовании нагнетательных и наблюдательных скважин на полигонах подземного захоронения жидких токсичных отходов. Материалы международного семинара (Тезисы докладов) «Опыт эксплуатации полигонов глубинной изоляции (захоронения) промышленных стоков и жидких радиоактивных отходов». Димитровград, 2005 г., стр. 18-19.

8. Анненков A.A., Блажнов Я.Н., Егоров H.H. Некоторые проблемы подземного захоронения токсичных жидких промышленных отходов в глубокоза-легающие водоносные горизонты. Сборник научных статей международной научно-практической конференции «Обращение с отходами: проблемы и решения XXI века». Одесса, 2005 г., стр. 5-8.

9. Анненков A.A., Егоров H.H., Новоселова В.Н. и др. Оценка возможности захоронения токсичных отходов промышленных предприятий Ярославской области в различные геологические формации региона. Материалы научно-практической конференции «Состояние и перспективы освоения недр, охрана окружающей среды Ярославской области и Верхне-Волжского региона», г. Ярославль, 2004 г., стр. 149-152.

10. Анненков A.A. Конструкции и технологии сооружения буровых скважин для захоронения токсичных и радиоактивных отходов. Материалы Российского государственного геологоразведочного университета «55 лет кафедрам Горного дела, и Разведочного бурения», М., 2006 г., стр. 75-89.

11. Анненков A.A. Новейшая технология бурения при вскрытии эксплуатационного горизонта эксплуатационных скважин для закачки токсичных, радиоактивных промотходов в глубокие изолированные горизонты. Избранные доклады международной конференции «Новые идеи в науках о земле». М„ 2004 г.

Патенты па изобретения

12. A.A. Анненков, Ю.Е. Будюков. Конструкция скважины для подземного захоронения токсичных и радиоактивных отходов. Заявка на изобретение № 2009 116 580 (022742) от 04.05.2009 г.

13. A.A. Анненков, Ю.Е. Будюков. Насадка гидромониторного долота. Заявка на изобретение № 2009 11 6577 (022739) от 04.05.2009 г.

14. Ю.Е. Будюков, В.И. Спирин, A.A. Анненков, В.Н. Евсеев, O.A. Наумов. Способ бурения крепких пород с гидротранспортом керна и буровой снаряд для его осуществления. Заявка на изобретение № 2007 147 527 (052094) от 19.12.2007 г.

15. A.A. Анненков, Ю.Е. Будюков. Способ обратного цементирования скважин. Заявка на изобретение № 2009 116 582 (022744) от 4.06.2009 г.

Подписано в печать 18.05.2009 г. Заказ 12. Тираж 100 экз. 117105, Москва, Варшавское шоссе, 8, ВНИИгеосистсм

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Анненков, Анатолий Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ

СООРУЖЕНИЯ СКВАЖИН ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ ЖИДКИХ, ТОКСИЧНЫХ И РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ.

1.1. Анализ отечественного опыта сооружения скважин полигонов подземного захоронения.

1.2. Зарубежный опыт глубинного захоронения токсичных и ра-< диоакртных отходов с использованием нагнетательных скважин.

1.3. Выводы, цель и задачи исследований.

1.4. Выводы по главе 1.

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Теоретические исследования.

2.2. Экспериментальные исследования.

2.3. Производственные испытания.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОЙ

ТЕХНОЛОГИИ КРЕПЛЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ И КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СПЕЦИАЛЬНОЙ РАЗВЕДОЧНОЙ СКВАЖИНЫ.

3.1. Исследование динамики взаимодействия обсадной колонны и цементного кольца специальных скважин.

3.2. Сцепление цементного камня с металлом обсадных труб и породами.

3.3. Подбор рецептуры тампонажного раствора для крепления нагнетательных скважин, исследование его свойств и обоснование способа цементации.

3.4. Совершенствование технологии цементирования скважин

3.5. Исследование трёхслойной крепи скважины.

3.6. Выбор рациональной конструкции скважины.

3.7. Систематизация и дополнение видов контроля технического состояния скважин.

3.8. Выводы по главе

Глава 4. Разработка рациональной технологии бурения специальных скважин

4.1. Взаимодействие породоразрушающих элементов шарошечного долота с породой забоя.

4.2. Исследование воздействия промывочной жидкости на забой скважины.

4.3. Совершенствование промывочных устройств гидромониторных шарошечных долот.

4.4. Выбор конструкции низа бурильной колонны для предупреждения искривления вертикальных нагнетательных скважин.

4.5. Разработка математической модели процесса углубления скважин.

4.6. Выводы по главе 4.

Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА РАЗРАБОТАННОЙ

ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН.

5.1. Технико-экономические показатели бурения.

5.2. Экономическая оценка разработанной технологии бурения скважин.

5.3. Оперативная оценка эффективности новой техники.

5.4. Выводы по главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Рациональная технология бурения разведочных скважин для создания полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов"

Актуальность работы. Предупреждение вредного воздействия токсичных, в том числе и радиоактивных промышленных стоков (РАО) на человека является одной из важнейших проблем первой половины XXI века. Восстановление природного равновесия, нарушенного человеком, в том числе при образовании отходов, является крупной задачей современности и ближайшего будущего.

Бурение разведочных скважин предшествует разработке технологии создания эксплуатационных скважин на полигонах подземного захоронения промстоков.

Разведочные скважины полигонов захоронения существенно отличаются от типовых геологоразведочных, нефтегазовых и гидрогеологических в части требований к их надежности по разобщению горизонтов, качеству изоляционных материалов и контролю технического состояния, так как они служат для разработки технических требований для сооружения эксплуатационных скважин. Это скважины специальной конструкции, учитывающей как технологию их сооружения, геологические условия бурения крепления и освоения, так и характеристики подземных вод. Скважины, как основной элемент системы глубинного захоронения, являются наиболее ответственными сооружениями и определяют эффективность работ по захоронению. От их конструкции, технического состояния и режимов эксплуатации в значительной степени зависит эффективность и безопасность захоронения.

Недра, ранее использующиеся только для извлечения полезных ископаемых, в настоящее время играют важную роль для глубинного захоронения промышленных стоков на специальных полигонах. Основу инженерного комплекса полигонов захоронения как РАО, так и вредных промстоков различных производств, составляют подземные сооружения - буровые скважины различного назначения: разведочные и эксплуатационные.

Эффективность сооружения эксплуатационных скважин полигона, обеспечивающих соблюдение экологических требований, во многом определяет технология бурения разведочных и является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка рациональной технологии сооружения разведочных скважин для типовых гидрогеологических условий с целью повышения технико-экономической эффективности и экологической безопасности сооружения разведочных скважин на полигонах для захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Идея работы

Разработка эффективной технологии бурения разведочных скважин для комплексного решения задач, обеспечивающих сооружение эксплуатационных скважин полигонов подземного захоронения в типовых гидрогеологических условиях с минимальным экологическим риском.

Объект исследований

Эффективная технология, бурения разведочных скважин применительно к конкретным геологическим и гидрогеологическим характеристикам, как основа для проектирования и сооружения специальных скважин полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Задачи исследований

1. Изучение опыта сооружения и эксплуатации скважин полигонов подземного захоронения (11113) токсичных промышленных стоков (промстоков), и жидких радиоактивных отходов в различных геолого-гидрогеологических условиях с целью оптимизации их проектирования и строительства.

2. Разработка типовой конструкции специальной разведочной скважины с учётом количества спускаемых обсадных колонн, глубины их установки, диаметра и материала применяемых обсадных труб, диаметра и конструкции долот для бурения под каждую колонну, высоты подъёма тампонажного раствора в затрубном пространстве и минимизации степени экологического риска с целью обеспечения безаварийного и качественного строительства и эксплуатации скважины.

3. Разработка рациональной гидравлической программы сооружения специальных разведочных скважин, обеспечивающих снижение репрессии на разбуриваемые пласты и пласт- коллектор для предупреждения потери устойчивости скважины, расчета величины гидравлических давлений при спуске бурильной и обсадных колонн, работе гидромониторных долот и оценки величины скин-эффекта.

4. Разработка рациональной технологии бурения скважин и цементирования обсадных колонн, в том числе «хвостовиков», обеспечивающих высокую производительность при снижении репрессии на пласт-коллектор и степени его загрязнения.

Методика исследований

При решении поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение опубликованных работ по выбранной теме, а также теоретические, стендовые и экспериментально-производственные исследования с применением современных методов прикладной математики.

Обработка данных исследований, в том числе практических данных при проектировании и строительстве специальных скважин, производилась с использованием персонального компьютера.

Научная новизна исследований

1 .Установлена зависимость критической температуры нагрева труб фильтровой колонны при эксплуатации скважины от длины обсадной трубы, удельного момента инерции и коэффициента линейного расширения материала трубы, позволяющая определять величину прогиба фильтровой трубы от температуры нагрева.

2. Уточнена формула Мариотта применительно к расчёту обсадных труб на внутреннее давление с учётом их овальности и установлено условие появления потери продольной устойчивости овальных обсадных труб, используемое для проведения проектных расчётов

3. Выявлена зависимость силы взаимодействия между обсадной трубой и цементным кольцом в однослойной крепи от распределённых нагрузок после 6

ОЗЦ и в период эксплуатации, позволившая определить зазор между трубой и цементным кольцом после выравнивания давлений в обсадной колонне и за колонной между трубой и цементным кольцом.

4. Установлена зависимость прочности материала цементного кольца для трёхслойной крепи от диаметров обсадных труб внешнего избыточного давления, модулей упругости, толщины слоёв крепи, объёма цементного геля, степени гидратации цемента, удельного объёма исходного цемента, водоцементного отношения, удельного объёма каппилярных пор, массы и удельного объёма инертного наполнителя, массы цемента, позволившая определить рациональную прочность материала цементного камня крепи.

5. Определена закономерность изменения .минимально допустимого значения репрессии и показателя скин-эффекта на вмещающий коллектор при бурении и цементировании эксплуатационной колонны, что позволило разработать рациональную гидравлическую программу вскрытия пласта — коллектора.

Практическая ценность диссертации

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработаны и реализованы временные технические условия ВТУ 0227 на бурение, крепление, опробование и приемку скважин всех назначений полигона подземного захоронения отходов на площадке 27 предприятия п/я А3487 (горно-химического комбината, г. Железногорск).

2. Разработана и реализована эффективная конструкция насадки гидромониторного трехшарошечного долота, конфузорная конструкция которой позволяет получить гидромониторный эффект при отношении длины прямолинейного участка канала насадки к диаметру канала на выходе, равном 051-Ю,53.

3. Разработана и реализована технология, обеспечивающая герметичное соединение фильтровой и глухой секций эксплуатационной колонны из труб коррозионностойких сталей для эксплуатационных скважин площадки 27, с применением которой пробурено 29 скважин различного назначения с общим объемом бурения 22370 м.

4. Приведенные в работе теоретические и экспериментальные материалы рекомендуются к практическому применению в производственных условиях также для скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые.

5. Результаты исследований могут быть использованы в учебных процессах в рамках курса «Бурение разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые»

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

Защищаемые научные положения и практические рекомендации обоснованы необходимым объёмом теоретических, лабораторных и экспериментально-производственных исследований, а также проверкой основных защищаемых положений, выводов и рекомендаций в производственных условиях и достаточной сходимостью экспериментальных данных и результатов теоретических исследований. При проведении исследований в лабораторных условиях были рассчитаны конструктивные параметры стендов имитирующих приза-бойные условия и контакт цементного камня с обсадной колонной.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов РГГРУ имени Серго Орджоникидзе «Новые идеи в науках о земле», «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX-XXI в.в. (2003, 2004, 2005, 2006, 2007 и 2008 г.г. ).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 опубликованных работах, поданы четыре заявки на предполагаемые изобретения, которые находятся на рассмотрении в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 61 наименования. Диссертация содержит 11 таблиц и 38 рисунков.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Анненков, Анатолий Алексеевич

5.5. Основные выводы и рекомендации

1. На основании исследований разработаны и внедрены технические решения и технико-технологические рекомендации по рациональной конструкции и технологии бурения разведочных и эксплуатационных скважин, обеспечивающие герметичность обсадных колонн и надёжную изоляцию затрубного пространства и водоносных горизонтов в течение всего времени эксплуатации скважин на основе применения рациональных конструкционных материалов обсадных труб, новых рецептур цементного раствора и усовершенствованной технологии их цементирования.

2. Установлена зависимость, описывающая изменение механической скорости бурения во времени от режимных параметров, физико-механических свойств буримых горных пород с учетом напряженного состояния забоя от взаимодействия с породоразрушающими элементами бурового долота и уточненной гидравлической программы вскрытия водоносных горизонтов.

На основании этой зависимости даны рекомендации по выбору наиболее эффективных типов шарошечных долот для бурения в конкретных геолого-технических условиях.

3. Предложена классификация видов контроля технического состояния скважин.

В дополнение к известным методам контроля качества изоляции затрубного пространства при эксплуатации специальных скважин, а также нефтегазовых и гидрогеологических разработан и рекомендуется гелиеметрический метод.

4. Разработанные рекомендации по совершенствованию технологии сооружения разведочных скважин внедрены в производство при бурении эксплуатационных скважин на полигоне подземного захоронения радиоактивных и токсичных отходов с получением значительного экономического эффекта при снижении экологических рисков.

Для совершенствования технологии бурения разведочных скважин необходимо:

- дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных методов исследований механизации разрушения горных пород шарошечными долотами;

- разработка компьютерных технологий проектирования и выбора поро-доразрушающего инструмента и режимов бурения им.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Анненков, Анатолий Алексеевич, Москва

1. Анненков А. А., Соловьев Н.В. Обоснование параметров и технологии бурения скважин специального назначения. Материалы VII международной конференции «Новые идеи в науках о земле». Том 3, М. 2005г., стр. 267-268.

2. Анненков Л. А., Егоров Н.Н., Новоселова В.И., Шипулин Ю.К. Проблемы захоронения промотходов в глубокие горизонты земных недр. Материалы II Республиканской научно-практической конференции. Саратов: «Научная книга», 2001 г. стр. 94-96.

3. Анненков А. А., Егоров Н.Н., Святовец С.В. Замкнутая природно-техническая система «Наука в России». РАН, 2006 г. № 6, стр. 24-27.

4. Анненков А.А. Использование метода гелиеметрии при контроле технического состояния скважин для глубокого хранения жидких токсичных промышленных отходов. «Разведка и охрана недр», № 10, 2008 с. 59-61.

5. Анненков А.А., Егоров Н.Н., Захаренков А.В. Промышленный опыт внедрения способа использования недр в технологии водоподготовки на ТЭЦ. «Разведка и охрана недр», № 10, 2008 с. 61-64.

6. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций. Учебное пособие. М. : Изд. АСВ, 200 152 с.

7. Башкатов Д.Н., Сулакшин С.С., Драхлис С. Л. и др. Справочник по бурению скважин на воду. — М., Недра, 1979 560 с.

8. Белоусов В.О. Методы борьбы с самопроизвольным отклонением скважин от вертикали. Труды ВНИИБТ, выпуск 14, Изд-во «Недра», 1965.

9. Беликов В.Г. Обобщение и распространение опыта в бурении. М., Недра, 1978-175 с.

10. Биргер И.А., Шорф Б.Ф., Иосилович Г.Б. Расчёт на прочность деталей машин. -М. Машиностроение, 1979-702 с, ил.

11. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. М.: наука, Гл. ред. физ-мат. лит. 1986 544 с.

12. Будюков Ю.Е., Власюк В.И., Спирин В.И. Алмазный породоразру150шающий инструмент: Тула:ИПП «Гриф и К0», 2005. - 288 с.:ил.

13. Будюков Ю.Е., Власюк В .И., Спирин В.И. Алмазный инструмент для бурения направленных и многоствольных скважин. Тула, «Гриф и К0», 2007 -176 с.

14. Булатов А.И. Тампонажные материалы и технология цементирования скважин. М., Недра, 1982, 296 с.

15. Булатов А.И., Аветисов А.Г. Справочник инженера по бурению. В 2-х томах. Том 2.- М. : Недра, 1985. 191 с.

16. Булычев Н.С., Фотиева Н.Н., Стрельцов Е.В. Проектирование и расчет крепи капитальных выработок. М.: Недра, 1986, 288 с.

17. Блок Л.С. Практическая номография. М. «Высшая школа», 1971,328 с.

18. Воздвиженский Б.И., Голубинцев О.Н., Новожилов А.А. Разведочное бурение. М. : Недра, 1979 510 с.

19. Власюк В.И., Будюков Ю.Е., Спирин В.И. и др. Новые технологии в создании и использовании алмазного породоразрушающего инструмента. М., ЗАО «Геоинформмарк», 2002, -140 с.

20. Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Сердюк Н.И. Расчеты в бурении. Справочное пособие. Под редакцией А.Г. Калинина. М., РГГРУ, 2007 г.,668 с.

21. Гаврилко В.М., Алексеев А.С. Фильтры буровых скважин. Изд. 2 переработанное и дополненное. М., Недра, 1976, 345 с.

22. Гайворонский А.А., Цыбин А.А. Крепление скважин и разобщение пластов. М.,: Недра, 1981 г.

23. Гидрогеологические исследования для обоснования подземного захоронения промышленных стоков. Под ред. В.А. Грабовникова. М.: Недра, 1993.-335 с.:ил

24. Голиков С.И., Калинин А.Г. Власюк В.И. и др. Терминологический словарь по бурению скважин. М: Росгео, ООО «Геоинформмарк», 2005 -272с.

25. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руково151дство по тампонажным материалам. 2-е издание переработанное и дополненное. М., Недра, 1987, 373 с.

26. Добровольский Г.Б., Казикаев Д.М., Петриченко В.П. Крепление скважин большого диаметра. -М.: Недра, 1988 238 с.

27. Еременко Т.Е. Крепление нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1965,214 с.

28. Камнев Е.Н., Пароленов В.П., Лобанов Н.Ф., Тер-Семёнов А.Л. Геологическое строение регионов России, предполагаемых для сооружения хранилищ радиоактивных отходов. М., «Разведка и охрана недр». 2006, № 3, с. 61-66.

29. Калинин А.Г., Власюк В.И., Ошкордин О.В., Скрябин P.M. Технология бурения разведочных скважин. М., Изд-во «Техника», ТУМА ГРУПП, 2004, 528 с.

30. Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М., Соловьев И.В. М., Разведочное бурение. М.: ООО «Недра» - Бизнесцентр», 2000, - 748 с.гил.

31. Козодой А.К., Зубарев А.В., Федоров B.C. Промывка скважин при бурении. -М., Гостоптехиздат, 1963 г., 172 с.

32. Козловский Е.А., Питерский В.М., Комаров М.А. Кибернетика в бурении. М., Недра, 1982, 298 с.

33. Куликов В.В. Научные основы промывки разведочных скважин в сложных геологических условиях. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. М.:РГТУ, 2008.

34. Маковей Н. Гидравлика бурения. Пер. с рум. М.: Недра, 1986, 536 с.

35. Мартынов В.П. Повышение качества опробования нефтяных пластов разведочными скважинами. Автореферат диссертации канд. техн. наук/РГГРУ им. С. Орджоникидзе/, 2006, 24 с.

36. Методическое руководство по определению расчётных нагрузок на обсадную колонну. М. Министерство нефтяной промышленности СССР, 1976.

37. Основы научных исследований. Под ред. В.И. Крутова, В.В. Попова. -М. : Высш. шк., 1989-400 с.

38. Погарский А.А., Чефранов К.А., Шишкин О.П. Оптимизация процессов глубокого бурения. М., Недра, 1981, 296 с.

39. Песляк Ю.А. Расчёт напряжений в колоннах труб нефтяных скважин.-М., Недра, 1973.

40. Рыбальченко А.И., Пименов М.К., Костин П.П. и др. Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов. — М.: ИздАТ., 1994, 256 с.:ил.

41. Саркисов Г.М. Расчет бурильных и обсадных колонн. М., Недра,1971.

42. Сердюк Н.И., Куликов В.В., Тунгусов А.А. и др. Бурение скважин различного назначения. — М.: Российский государственный геологоразведочный университет. 2006 624 с.

43. Середа Н.Г., Соловьев Е.М. Бурение нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1974, 458 с.

44. Справочник по бурению геологоразведочных скважин. Главный редактор проф. Е.А. Козловский. СПб. : ООО «Недра», 2000, 712 с.

45. Сычев К.И. Захоронение токсичных и радиоактивных отходов. «Советская геология», 1990, № 10, с. 104-110.

46. Сухотин В.В. О возможности предсказаний прочности цементного камня. Труды МИНХ и ГП им. И.М. Губкина, вып. 96, М., изд-во «Недра», 1970.

47. Соловьев Н.В. Промывка скважин жидкостями с поверхностно-активными антифрикционными и полимерными добавками. -М.: МГРИ, 1983, 100 с.

48. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т. 2. Более сложные вопросы теории и задачи. Изд-во «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. М.- 1965, 450 с.

49. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней пластин и оболочек. М., Наука, 1971, 505 с.

50. Халилов А.А. Исследование гидравлических параметров насадок гидромониторных долот. Изд.во МВО СССР, сер. Нефть и газ, № 11, 1962.

51. Чефранов К.А. Регулирование процесса бурения. М., изд-во «Недра»,1972, 160 с.

52. Шашнев Ф.А., Тараканов С.Н., Кудряшов Б.Б. и др. Технология и техника разведочного бурения. Учебн. для ВУЗов. 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Недра, 1983, 565 с.

53. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. — М.: Мир, 1982 302 с.

54. Шрейнер Л.Н. Физические основы механики горных пород. — М.: Гос-точтех издат, 1950.

55. Эйгелес P.M. Разрушение горных пород при бурении. М., изд-во «Недра», 1970, с. 222.1. ПШТОЖЕНИЕi;1. АКТо внедрении рациональной технологии сооружения разведочных скважин на пл.ХХУПг.Красноярск,2615 июня 1988г.