Рациональная технология бурения скважин в ледовых массивах с использованием электромеханического снаряда на кабеле

Васильев, Николай Иванович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Рациональная технология бурения скважин в ледовых массивах с использованием электромеханического снаряда на кабеле
ВАК РФ 25.00.15, Технология бурения и освоения скважин

Автореферат диссертации по теме "Рациональная технология бурения скважин в ледовых массивах с использованием электромеханического снаряда на кабеле"

На правах рукописи

ВАСИЛЬЕВ Николай Иванович

РАЦИОНАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В ЛЕДОВЫХ МАССИВАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО СНАРЯДА НА КАБЕЛЕ

Специальность 25.00.14 - Технология и техника

геологоразведочныхработ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2004

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете).

Научные консультанты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, ст. науч. сотр.

Н.И.Слюсарев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - Государственное учреждение «Арктический и Антарктический научно-исследовательский институт» (ГУ ААНИИ).

Защита диссертации состоится 24 июня 2004 г. в 12 ч на заседании диссертационного совета Д 212.224.02 при Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.ВЛлеханова (техническом университете) по адресу: 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, дом 2, ауд. № 1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.

Автореферат разослан 21 мая 2004 г.

Б.Б.Кудряшов

Л,К.Горшков

доктор географических наук

В.Н.Голубев

доктор технических наук, профессор

А.Т.Киселев

диссертационного совета профессор

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

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. Планомерное комплексное изучение Антарктиды проводится уже более 30 лет. В нем 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 ледовых отложений в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна, что дает возможность проводить кристалло-морфологические 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, в связи с обнаружением на глубине около 3760 м в районе ст. Восток подледникового озера, формируется еще одно направление исследований, которое может стать одним из самых значимых проектов в XXI в. — изучение этого озера.

Высший уровень международного признания получил проект глубокого бурения на ст. Восток и комплексных палеогеографических исследований ледяного керна, выполняемый Санкт-Петербургским государственным горным институтом (СПГГИ) и Государственным научным центром РФ «Арктическим и антарктическим НИИ» (ГНЦ РФ ААНИИ) совместно с учеными Франции и

США.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по антарктической тематике, выполненные представителями научной школы, созданной в СПГГИ под руководством профессора Кудряшова Б.Б., позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области глубокого бурения ледовых массивов. Отличительной особенностью этих работ является их ярко выраженная практическая направленность. Начиная с 13-ой Советской антарктической экспедиции (САЭ, 1967), сотрудники кафедры технологии и техники бурения скважин, а также других кафедр СПГГИ участвовали практически во всех Советских и затем Российских антарктических экспедициях (РАЭ) как в зимовочных, так и в сезонных составах. В ледниковом покрове Антарктиды (ст. Восток, обсерватория Мирный, гляциологический профиль Мирный-Восток 1), а также на леднике архипелага Северная Земля пробурено в общей сложности более 18 тыс. м с полным отбором ледяного керна. В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледовых толщах принимал широкий круг российских ученых и полярных исследователей: С.С. Абызов, Н.И. Барков, В.Н. Бахтюков, К.В. Блинов, Н.Е. Бобин, В.Н. Васильев, Р.Н. Вострецов, Л.К. Горшков, А.А. Гусев, Д.Н. Дмитриев, А.Н. Дмитриев, Э.А. Загривный, В.М. Зубков, А.Е. Каравашкин, Е.Е. Короткевич, Б.Б. Кудряшов, А.В. Красилев, В.Я. Липенков, Н.Н. Меньшиков, С. . Митин, Б.С. Моисеев, В.В. Морев, В.М. Пашкевич, Ю.А. Рыдван, Л.М. Саватюгин, Н.И. Слюсарев, Г.Н. Соловьев, Г.К. Степанов, П.Г. Талалай, В.Ф. Фисенко, В.К. Чистяков, В.М. Шашкин, A.M. Шкурко и др.

Несмотря на большие достигнутые успехи колонковое бурение сверхглубоких скважин на грузонесущем кабеле с выходом в подледниковые отложения не достигло уровня современных требований прежде всего из-за отсутствия обоснованных методик проектирования технологических средств и методов управления технологическими процессами, обеспечивающих получение керна высокого качества при рациональном энергообеспечении в специфических природно-климатических условиях.

Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) - СПГГИ (ТУ)

на основе госбюджетных тем и хоздоговоров в рамках ряда научно-технических программ:

ОКП «Исследование и использование Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства на 1986-90 гг. и на перспективу до 2000 года, утвержденной постановлением Госплана СССР №378 от 14.08.86г.;

ЦНТП Росгидромета, Проект 1.7.7.1.2, тема 013015 "Реконструкция изменений климата за последние 400 тыс. лет по данным анализа ледяного керна станции Восток и колонок грунта из озер антарктических оазисов" (1995 -1998);

ГНТП "Комплексные исследования океанов и морей Арктики и Антарктики", проект 06.03 "Ледник", тема 510003 "Исследовать характеристики и глубинное строение ледникового покрова Антарктиды, подледниковых озер и эпишельфовых водоемов; получить данные о современных и прошлых изменениях климата" (1995 —1998); ФЦП «Интеграция», Контракт М0211-5.1. (1999 - 2001); ФЦП "Мировой океан", подпрограмма "Изучение и исследование Антарктики":

1999-2002 гг.

Проект № 6 "Продолжение бурения и температурные исследования в глубокой скважине 5Г-1 на станции Восток";

Проект № 7 "Проведение исследований ледяного керна и бурение базального льда без вхождения в подледниковое озеро Восток ";

2003-2007 гг.

Проект 4 «Провести комплексные исследования подледниково-го озера Восток, оценить прошлые изменения климата по данным ледяных кернов, колонок морских и озерных отложений»; ФЦНТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" подпрограмма: "Научно-инновационное сотрудничество между Министерством образования и Министерством природных ресурсов РФ", раздел: "Разработка новых методов и технологий неисточительного природопользования, повышение комплексного и малоотходного использования природных ресурсов", тема "Разработать комплексные геолого-геофизические модели типовых структур континентальной земной коры по материалам бурения глубоких и сверхглубоких скважин",

Госконтракт № 1/8-НВ, Контракт № 7-Н от 27.04.01 между СПГГИ (ТУ) и ФГУП НПЦ «НЕДРА» (2001).

ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения", подпрограмма «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики», Контракт «Обоснование и разработка экологически чистой технологии для проникновения в подледное озеро Восток (Антарктида)» (1999-2001).

Цель работы - научное обоснование, разработка и внедрение в производство высокопроизводительной технологии бурения глубоких скважин в ледниках с выходом в подледниковые породы колонковым электромеханическим буровым снарядом на грузоне-сущем кабеле.

Идея работы - установление и использование факторов и физических эффектов процесса разрушения льда с учетом его структурно-реологических свойств и закономерностей изменения основных показателей процесса бурения колонковым электромеханическим снарядом, реализующих многофакторные математические модели для повышения эффективности сооружения скважин в ледниках.

Задачи исследований

1. Анализ закономерностей развития способов и технических средств глубокого бурения скважин в ледовых толщах для выявления наиболее значимых факторов? влияющих на эффективность процесса сооружения скважин и качество получаемого кернового материала.

2. Изучение механизма резания льда в функциональной связи геометрических параметров породоразрушающих элементов с физико-механическими и структурно-реологическими свойствами льда.

3. Исследование закономерностей и обоснование физических и математических моделей технологических операций колонкового бурения во льдах.

4. Разработка методики оценки продолжительности проходки скважин заданной глубины в зависимости от изменения технологических факторов колонкового бурения льда.

5. Обоснование конструктивных параметров и методики проектирования технических средств колонкового бурения во льдах электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле.

6. Проведение стендовых и полевых испытаний разработанного оборудования и бурение глубокой скважины на станции Восток в Антарктиде.

Методика исследований.

1. Теоретический анализ и обобщение отечественных и зарубежных литературных данных.

2. Создание экспериментальных стендов, разработка методик исследования на основании теории подобия, размерностей и планирования эксперимента, выполнение экспериментальных исследований.

3. Математическое моделирование процессов и режимов колонкового бурения во льдах снарядами на грузонесущем кабеле.

4. Опытно-производственная проверка разработанных рекомендаций, технологии и технических средств с целью оценки их эффективности при внедрении в практику бурения ледниковых отложений.

Достоверность научных положений и выводов, технических решений и рекомендаций базируются на достаточным объеме теоретических и экспериментальных исследований, производственных испытаний с использованием контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры высокого класса и электронно-вычислительной техники при сходимости полученных экспериментальных исследований с вероятностью 0,90 - 0,96.

Достоверность подтверждается высокой сходимостью расчетных величин с опытными данными, положительными результатами внедрения технологии и технических средств колонкового бурения скважин в ледниковых покровах архипелага Северная Земля и сверхглубоких скважин на ст. Восток в Антарктиде.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и экспериментально-производственном подтверждении функциональной связи геометрических параметров породоразрушающих элементов с физико-механическими и структурно-реологическими свойствами льда в процессе резания; установлении зависимостей между основными параметрами бурения глубоких скважин в ледовых толщах, позволяющих обосновывать проектирование энергосберегающих технических средств и оптимальные режимы их эксплуатации.

Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений; в совершенствовании и создании ресурсосберегающих технических средств колонкового бурения глубоких скважин во льдах, что позволило успешно с высокими показателями и качеством осуществить бурение на ст. Восток до глубины 3623 м, а также вскрыть толщу льда с выходом в подледниковые породы и моренные отложения с полным отбором керна на ледниках архипелага Северная Земля.

Реализация результатов работы

Научно-методические рекомендации, технологии и разработанные технические средства использовались при ведении буровых работ:

♦ на леднике Вавилова (арх. Северная Земля, о. Октябрьской Революции) пробурена скважина с выходом в подледнико-вые породы с полным отбором керна;

♦ на леднике Академии Наук (арх. Северная Земля, о. Комсомолец) пробурена скважина глубиной 721 м с отбором керна в моренных отложениях на глубину 4 м;

♦ на ст. Восток в Антарктиде скважина 5Г-1 пройдена до глубины 3623 м, что на 400 м превышает глубины всех пробуренных скважин во льдах в мировой практике. Из скважины получен керн с твердыми включениями моренного материала и керны льда, образовавшегося при намерзании воды озера на подошву ледника.

Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении курсов лекций для студентов специальностей 080700 "Технология и техника разведки МПИ" и 090800 "Бурение нефтяных и газовых скважин" по дисциплинам: «Бурение скважин в осложненных условиях», «Гидроаэромеханика и теплообмен при бурении», «Заканчивание скважин», «Научно - технический прогресс в бурении», «Буровые промывочные и тампонажные растворы».

Научная значимость результатов исследований заключается в развитии теории разрушения льда, обосновании и разработке математической модели управления технологическими процессами бурения скважины во льдах и подледниковых породах механическими колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле.

Исходный материал и личный вклад

В основу диссертационной работы положены результаты теоретических, экспериментальных и производственных исследований, начатых в 1982 г. и выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в лаборатории кафедры технологии и техники бурения скважин и в производственных условиях на ледниках архипелага Северная Земля и на ст. Восток в Антарктиде. За этот период автор был руководителем (исполнителем) госбюджетных тем, грантов и хоздоговоров, объединенных единой задачей создания эффективных технологий и технических средств колонкового бурения сверхглубоких скважин во льдах с выходом в подстилающие горные породы.

Личное участие автора состоит в формулировании и постановке теоретических и экспериментальных исследований, создании методик, лабораторных установок и стендов, обосновании физических и математических моделей и разработке программ их численного решения, в разработке комплекса технических средств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, а также в проведении опытно-производственной проверки результатов исследований и оценке эффективности разработанных рекомендаций.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете геологоразведочного факультета СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете отдела географии полярных стран ГУ ААНИИ (Ленинград, 1988), на конференции «Пути повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин» (ВНИИ методики и техники Мингео СССР, Ленинград, 1987), на Международном совещании «Изучение озера Восток - научные задачи и технологии» (С.-Петербург, 1998), на Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.Петербург, 1989 - 2001), на Юбилейной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Ф.А. Шамшева (С.Петербург, 1993), на V Международном горно-геологическом Форуме (С.-Петербург, 1997), на международных симпозиумах по технологии бурения льда (Япония, 1993, 2000), на Второй международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (С.-Петербург, 2000)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 7 авторских свидетельств.

Объем и структура диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, содержит 225 страниц машинописного текста, 12 таблиц, 80 рисунков и 1 приложение.

В главе 1 анализируется развитие технологии и рассматриваются технические средства для бурения скважин в ледовых отложениях и подледниковых породах, проводится анализ результатов бурения глубоких скважин во льдах Антарктиды и Гренландии.

Глава 2 посвящена анализу методик оценки механизма разрушения льда при механическом бурении и анализу факторов, влияющих на процесс сооружения скважин в ледовых толщах снарядами на грузонесущем кабеле.

В главе 3 приводятся аналитические и экспериментальные исследования процесса бурения глубоких скважин во льду колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле, теоретические и экспериментальные исследования гидродинамики процесса перемещения бурового снаряда в скважине при проведении спуско-подъемных операций.

В главе 4 обоснован выбор конструктивной схемы колонкового электромеханического бурового снаряда, и описаны результаты проектирования и испытаний его отдельных узлов и вспомогательного наземного оборудования.

Глава 5 посвящена анализу результатов практического внедрения разработанной технологии и технических средств при бурении скважин в ледниках архипелага Северная Земля и Антарктиды.

Защищаемые положения

1. Физико-механические и структурно-реологические свойства льда являются основными факторами, влияющими на выбор формы и ориентацию режущих элементов буровых коронок, позволяющих минимизировать энергозатраты на разрушение резанием и задавать механическую скорость бурения непосредственно подачей снаряда в залитой скважине.

Основные проблемы при механическом бурении льда возникают при достижении глубин более 2000 м, а при глубине 3000 м осложнения приводят к остановке бурения. Характерными свойствами льда являются его пластические и реологические свойства. Поэтому основным направлением исследований было изучение режимных параметров процесса резания льда с учетом его структурно-реологических свойств.

В процессе бурения резец коронки движется по винтовой линии (рис. 1), угол наклона которой определяется по известной зависимости

где к* - толщина слоя, срезаемого одним резцом, м; г- число резцов коронки; с11 =(£ + с/)/2- средний диаметр, м; В — наружный диаметр коронки, м; ё - внутренний диаметр коронки, м.

Рис. 1. Схема взаимодействия резца со льдом

При установившимся процессе на движущийся со средней скоростью V резец действует система сил, приложенных к передней и задней граням. Их можно представить в виде усредненных сил, приложенных к резцу на среднем диаметре с!1 (рис. 1): Т7 - сила, приложенная перпендикулярно передней грани, - сила трения, возникающая при перемещении

стружки по передней грани резца, - вертикальная реакция забоя. Кроме того, на резец действуют движущие силы: Р горизонтальная и - вертикальная.

При установившемся равномерном движении резца, сумма всех внешних сил равна нулю.

отсюда

В полученных уравнениях четыре неизвестные величины. Наиболее простым способом определения зависимости сил Р и

R от различных факторов являются экспериментальные исследования процесса резания льда в лабораторных условиях.

Направление силы Р очевидно, а сила R может быть направлена как вверх, так и вниз и иметь нулевое значение.

При абсолютно остром резце сила R3a(j может возникнуть в случае контакта нижней грани резца с поверхностью забоя дефор-мированнной после прохождения режущей кромки. Это может быть связано с образованием зоны напряжений во льду вблизи режущей кромки.

Если R = 0, то R3ag = F[cosa —/sinar) и реакция забоя R3aQ уравновешивается суммой вертикальных составляющих сил F и при любых значениях переднего и заднего углов

резца и толщины срезаемого слоя h (механической скорости бурения).

Если R3a6 < F{cos a- f sin а) , то R < 0, и для предотвращения самопроизвольного внедрения резца в забой сила R должна быть направлена вверх.

Если R3a6 > Fieos a- f sin a) , сила R будет направлена вниз, создавая нагрузку на забой, от которой зависит механическая скорости бурения.

Для определения взаимосвязи механической скорости бурения VM, момента сопротивления при резании льда и нагрузки на забой от геометрических характеристик резцов был поставлен полный факторный эксперимент в соответствии с разработанной методикой экспериментальных исследований.

Результаты обработки данных экспериментов, выполненных на стенде в лаборатории кафедры ТТБС и в полевых условиях на леднике Вавилова (арх. Северная Земля 1984, 1986, 1988) и на ст. Восток в Антарктиде (1989, 1995), показывают, что при линейной зависимости связь между моментом на коронке и механической скоростью бурения сильная и положительная (рис. 2).

Я б

1 4

90°

\ н 75°

в т 30° /TJ ▲ А^

60° i45°

♦ -60; в -90; А -75; > -45 Ж -30

10 15 20 25 30 35 Скорость бурения, м/ч

Рис. 2. Экспериментальные диаграммы зависимости момента на коронке от механической скорости бурения при различных передних углах резания

Значения крутящего момента при передних углах резания 30, 45 и 75° практически совпадают. При а = 60° его значения минимальные -4 Н-м, а максимальные - при а =90° - 9 Н-м .При угловой скорости коронки ю = 22,6 с"1, реализуемая на коронке мощность не превышала 200 Вт при а=90° и 110 Вт при значениях а в диапазоне от 30° до 75°.

Удельная энергоемкость разрушения льда при бурении обратно пропорциональна механической скорости бурения (рис.3).

0 5 10 15 20 25 30 35

Скорость бурения, м/ч

Рис. 3. Экспериментальные диаграммы зависимости удельной энергии разрушения льда от механической скорости бурения при различных передних углах резания

При изменении механической скорости от 20 до 30 м/ч удельная энергоемкость для наиболее выгодной геометрической формы резцов (а = 60° и у = 5°) уменьшается не более, чем на 5%. Таким образом, повышение механической скорости более 30 м/ч

практически не дает экономии энергии. Учитывая износостойкость и прочность резцов, можно считать предпочтительным применение резцов с передним углом резания 60 .

В случае, когда у >5° величина осевой нагрузки была пренебрежительно мала и не влияла на механическую скорость во всем исследованном диапазоне. Таким образом, реализовывался первый вариант соотношения сил, действующих на резец при Я = 0.

При у <3° для обеспечения постоянной механической скорости требуется существенное увеличение осевой нагрузки. При у- 3° и осевой нагрузке 1200 Н (вес бурового снаряда) механическая скорость бурения не превышала 5 м/ч и периодически падала

до нуля, а при обратных углах углубки не происходит.

С увеличением глубины повышаются температура и давления, под действием которых лед становится более пластичным, что может привести к ситуации, подобной шнековому бурению пластичных пород. В частности, ряд осложнений, которые возникали при бурении скважин 5Г-1 на глубинах свыше 3000 м, могут быть объяснены возникновением силы, способствующей внедрению резцов в забой из-за повышения пластичности льда. Процесс бурения протекал крайне нестабильно, происходили неожиданные заклинивания коронки, даже при скорости подачи бурового снаряда

. Участки скважины, прохождение которых сопровождалось проблемами в бурении, соответствуют периодам потепления палеоклимата во время образования льда, что выражается в увеличении размеров отдельных кристаллов. На глубине 3340 метров скважина вошла в базальный лед, где величина отдельных кристаллов стала быстро увеличиваться (отдельные керны длиной до 2м были частью монокристалла). Одной из причин прекращения углуб-ки снаряда было образование ледяных наростов на нижней грани резцов. Избежать налипания шлама на поверхности резцов и превращение его в ледяные наросты удалось, увеличив обратный угол с 5° до 20°, но процесс не стабилизировался. При резании крупнокристаллического льда, обладающего большой пластичностью и вязко-

стью, стружка не дробится на отдельные частицы, а сворачивается в рулон, так же как при строгании дерева вдоль волокон рубанком, и перекрывает кольцевой канал, по которому выносится шлам. Для дробления стружки на нижних гранях резцов были нанесены канавки, после чего зашламования прекратились.

2. Снижение энергетических затрат во время спуско-подъемных операций может быть обеспечено изменением радиального зазора, как наиболее значимого фактора, влияющего на величину сил гидравлических сопротивлений при движении бурового снаряда как поршня в полубесконечном неподвижном цилиндре с образованием ламинарного подслоя на поверхностях раздела при противоположно направленном перетоке вытесняемой жидкости.

При спуско-подъемных операциях в залитой скважине буровой снаряд на грузонесущем кабеле представляет собой поршень, перемещающийся по оси неподвижного цилиндра, разделенного этим поршнем на две сообщающиеся полости. В процессе движения бурового снаряда жидкость перетекает по кольцевому каналу из одной полости в другую. При установившемся движении на буровой снаряд действует уравновешенная система сил, важной составляющей которой является сумма гидравлических сопротивлений, включающая в себя:

- силу , вызванную перепадом давления по торцам снаряда

из-за потерь энергии при движении жидкости в кольцевом канале;

- силу , связанную с местными потерями напора по торцам

снаряда при переходных процессах течения жидкости;

- силу трения бурового снаряда о жидкость.

Гидродинамические процессы движения в шероховатых каналах определяются высотой элементов шероховатости и толщиной ламинарного слоя. Если выступы шероховатости лежат внутри ламинарного подслоя, то поверхности раздела представляются гидравлически гладкими. Силы трения поверхности снаряда о жидкость

определяются через касательные напряжения, возникающие в тонком ламинарном слое жидкости на поверхности тела.

Силу Рм можно учесть, введя коэффициент К, характеризующий потери напора при переходных процессах течения жидкости вблизи торцов снаряда, тогда

где Г} - касательные напряжения в жидкости на поверхности бурового снаряда, Па; г - радиус бурового снаряда, м; Ар - разность давлений, Па; а - расстояние от поверхности снаряда до нейтральной поверхности, м; - длина бурового снаряда, м. Величина а находится из выражения

где - относительное расстояния до нейтрального слоя;

- относительный радиального зазора; 5 - радиальный зазор, м.

Для расчета силы гидравлических сопротивлений при перемещении бурового снаряда в скважине получено выражение

V - скорость перемещения бурового снаряда, м/с; й - диаметр бурового снаряда, м; V - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; р плотность заливочной жидкости, кг/м3.

Для определения коэффициента К была проведена серия опытов по исследованию процесса перемещения модели бурового сна-

ряда на лабораторном стенде в диапазоне изменения относительного радиального зазора 5 от 0,05 до 0,25 (рис. 4).

В результате обработки экспериментальных данных получено выражение

Я>1,04 + Ш .

4,5

3,5

2,5

■------ о

• - - - 0 —

1,5

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 £

Рис. 4. График зависимости коэффициента К от относительного радиального зазора

данные лабораторных экспериментов; - данные замеров в скважине.

3. Технологические показатели процесса бурения льда снарядами на грузонесущем кабеле (механическая скорость бурения, рейсовая проходка, средняя скорость спуско-подъемных операций) при достижении определенных, фиксированных для каждой конечной глубины скважины, значений не оказывают существенного влияния на общие затраты времени проходки скважины, а установленные закономерности их взаимовлияния позволяют определить области допустимых значений каждого из контролируемых показателей и целенаправленно выбирать параметры технических средств и режимов их использования

Одним из комплексных критериев оценки эффективности применения выбранного оборудования и обоснованности технологии бурения, по Е.А. Козловскому, является время строительства скважины. Баланс рабочего времени можно принять за математическое описание процесса бурения скважины, а время бурения - за критерий оптимизации:

Т = Тсп+Твс+Тм, (1)

при этом

_ Я-Я0 _ Н-Н0 _ Н2 -Яр

1 «с ~ , '10' 1 м ~ ' 1 СП ~ , ' Уг1)

Я Ум юсп

где Т - время бурения скважины, ч; Тсп - время спуско-подъемных операций, ч; - время вспомогательных операций, ч; - время углубки забоя скважины (время чистого бурения), ч; Н0, Н - начальная и конечная глубина скважины, м; ^ рейсовая проходка, м;

- время вспомогательных операций, кратное рейсу, ч; - средняя механическая скорость бурения, м/ч; - средняя скорость проведения спуско-подъемных операций, м/ч.

После преобразований выражение (1) приводится к виду

Примечательно, что с увеличением таких определяющих процесс бурения факторов, как механическая скорость , средняя скорость СПО усп и рейсовая проходка h выше определенных, фиксированных для каждой конечной глубины скважины значений, практически прекращается снижение времени бурения скважины. Поэтому стремление к всемерному увеличению их значений выше практически оправданных не только бессмысленно, но и вредно, поскольку требует специальных усилий и новых затрат, влекущих удорожание проходки скважин в экстремальных условиях приполярных районов.

Функциональная зависимость (3) позволяет выделить области значений факторов в зависимости от конкретных условий:

целесообразный диапазон значений средней скорости спуско-подъемных операций составляет от 0,25 до 1,0 м/с вне зависимости от механической скорости бурения и проходки за рейс;

диапазон значений рейсовой проходки составляет 2 - 3 м при глубине скважины до 500 м, 3-5 м при глубине от 500 до 1000 м и 5 -10 м при глубинах свыше 1000 м; рациональный диапазон механической скорости бурения должен составлять от 20 до 30 м/ч.

При решении дифференциального уравнения движения бурового снаряда в скважине получены выражения для средних за рейс скоростей подъема

и спуска снаряда

где Н, - глубина скважины в 1 -м рейсе, м; у0 - начальная скорость подъема, м/с; - конечная скорость подъема у устья скважины, м/с;

N - мощность на барабане лебедки, Вт; С ,ук - вес бурового снаряда и 1 м грузонесущего кабеля с учетом архимедовой силы, Н.

С изменением глубины средняя скорость СПО в каждом рейсе меняется по зависимости

Тогда средняя скорость спуско-подъемных операций при бурении всей скважины определится из выражения

Как видно из формулы (4), отдельно скорости спуска или подъема оказывают ограниченное влияние на среднюю скорость СПО. Так, при , и наоборот.

Более эффективным является одновременное увеличение скоростей спуска и подъема, следовательно, необходимо выделить наиболее значимые и поддающиеся простому регулированию факторы, влияющие на скорость как спуска, так и подъема. Таким фактором является радиальный зазор , увеличение которого влечет за собой повышение средней скорости СПО. Радиальный зазор £ может регулироваться при тепловом способе бурения за счет высоты цилиндрических поверхностей кольцевой коронки-нагревателя, а при механическом способе бурения — установкой коронок разного диаметра.

Полученные аналитические выражения позволяют определить мгновенные и средние значения скоростей спуска и подъема бурового снаряда, а также за все время бурения скважины. Опытные данные, полученные при бурении скважин в ледниках архипе-

лага Северная Земля и на ст. Восток в Антарктиде, имеют расхождения с расчетными значениями скоростей спуска и подъема бурового снаряда при значениях относительного радиального зазора от 0,05 до 0,25 не более 11 % . Значения коэффициента К хорошо согласуются с данными стендовых экспериментальных исследований (рис.4).

Увеличение радиального зазора позволяет повысить среднюю скорости СПО, но влечет увеличение площади забоя и объема шламосборника, а при постоянной длине бурового снаряда приводит к уменьшению проходки за рейс. Кроме того, увеличение площади забоя при постоянной мощности приведет к снижению механической скорости бурения. Таким образом, величина радиального зазора оказывает влияние на основные показатели, определяющие производительность бурения: среднюю скорость СПО, проходку за рейс и механическую скорость бурения.

Для безопасного выполнения СПО скорость перемещения бурового снаряда в скважине, особенно при спуске, должна быть не более 1 м/с.

При бурении скважин свыше 1000 м рациональный диапазон значений средней скорости СПО от 0,5 до 1,0 м/с, тогда соответствующий ему диапазон значений радиального зазора от 0,005 до 0,01 м, а мощность привода лебедки не более 10 кВт (рис. 5).

Подставив в уравнение (3) значения показателей бурения в виде функций от радиального зазора, получим уравнение зависимости общего времени бурения скважины от радиального зазора и мощности привода лебедки

где - рейсовая проходка, м; V, (£,//) — средняя скорость спус-ко-подъемных операций, м/ч; Г0(«5) - время вспомогательных операций, кратных рейсу, ч; - механическая скорость бурения, м/ч.

30 кВт \ / //

20 \

!// /

/ 1 _

2 __

усп ' и/ч

1,0

5,0

0,5

1 1 8=0,01 м

/ 0,005

/ 0,004

0,002

0,005

0,01 5, м

10 15

N. кВт

Рис. 5. Зависимость средней скорости спуско-подъемных операций от а) - радиального зазора (1 - при ограничении утах = 1м/с; 2 — без ограничений); б) - мощности привода буровой лебедки при различных значениях радиального зазора

Расчетный анализ влияния мощности привода буровой лебедки и радиального зазора на время бурения скважины, выполненный с помощью полученного выражения для бурового снаряда диаметром 108 м и длиной 13 м, (рис. 6) подтверждает вывод о нецелесообразности увеличения мощности привода свыше 15 кВт, так как снижение времени бурения скважины при этом не превышает 1% в диапазоне изменения радиального зазора от 0,005 до 0,01 м.

Т.ч

3500

3000

2500

2000

0 5 10 15 20 N. кВт

Рис. 6. Зависимость времени сооружения скважины от мощности привода и радиального зазора.

4. Бурение глубоких скважин в ледниковом покрове с выходом в подстилающие горные породы целесообразно осуществлять с помощью бурового оборудования для механического бурения снарядами на грузонесущем кабеле, при этом реактивный момент уравновешивается автоматическим распорным механизмом, а вынос шлама обеспечивается обратпой призабойной циркуляцией заливочной жидкости в проточный коаксиальный сепаратор с турбулизирующпми и преломляющими поток отверстиями и фильтровальной сеткой.

Одной из основных задач исследования являлась разработка колонкового электромеханического снаряда для сквозного бурения ледников с выходом в подстилающие горные породы и, в частности, для завершения сверхглубокой скважины на ст. Восток, проходка которой начиналась термобуровым снарядом. Тепловой способ по

сравнению с механическим более энергоемкий, особенно при бурении глубоких скважин, кроме того, при механическом бурении качество керна существенно выше.

Работа электромеханического снаряда (рис. 7) основывалась на общеизвестных принципах:

♦ передача вращения от вала погружного электродвигателя породоразрушающему инструменту через двухступенчатый планетарный редуктор и колонковую трубу;

♦ нейтрализация реактивного момента распорным механизмом, исключающим возможность вращения корпуса электродвигателя и грузонесущего кабеля;

♦ сбор шлама в процессе бурения осуществляется путем использования принудительной призабойной циркуляции с помощью специального насоса.

Распорное устройство включает в себя пружинный привод и четырехзвенные шарнирно-рычажные механизмы с тремя коньками, установленными с шагом 120° по окружности, раствор которых был на 2 - 3 мм больше диаметра скважины.

Расчет конструктивных параметров распорного механизма производился по максимально возможному крутящему моменту для бурения подледниковых горных пород при электродвигателе мощностью 3 кВт и передаточном числе двухступенчатого планетарного редуктора i= 13.

Подача на забой обеспечивается дополнительным приводом буровой лебедки с выбранной механической скоростью. На равномерность перемещения бурового снаряда на грузонесущем кабеле при подаче на забой в процессе резания льда могут оказывать влияние силы трения на коньках распорного устройства, которые влияют на изменение длины грузонесущего кабеля. Грузонесущий кабель можно представить как упругую нить, жесткость которой зависит от длины (при глубине 3000 м примерно 10 Н/мм). При коэффициенте трения, равном 0,03, суммарная сила трения может достигать 150 Н, что не оказывают значимого влияния на скорость перемещения бурового снаряда.

Надежное удаление разрушенной породы с забоя является необходимым условием эффективности процесса бурения. Расчет

Рис. 7. Схема колонкового электромеханического бурового снаряда КЭМС-112:

1 - коронка;

2 - колонковая труба;

3 - шламосборник;

4 - редуктор;

5 - электродвигатель;

6 - датчик расхода заливочной жидкости;

7 - насос;

8 - распорное устройство;

9 - ударное устройство;

10 -токосъемник;

11 - датчик нагрузки на забой;

12 - кабельный замок;

13 - верхний шламосборник;

14 - грузонесущий кабель

системы удаления и сбора шлама основывается на общеизвестных критериях - по скорости восходящего потока при его замкнутой призабойной циркуляции. Равенство плотностей жидкости и льда обеспечивает равновесие системы и невозможность даже в статических условиях осаждения частиц шлама. Поэтому незначительный скоростной напор потока обеспечивает их отрыв от забоя. Основной целью исследования являлся поиск технологических схем процесса сбора шлама специальным шламосборником, встроенным в буровой снаряд. Экспериментальные исследования по удалению и аккумуляции шлама позволили обосновать наиболее надежную конструкцию, представляющую собой проточный коаксиальный сепаратор, оборудованный турбулизирующими и преломляющими поток окнами и фильтровальной сеткой.

Турбулизация потока обеспечивает эффективность выноса шлама за счет увеличения уровня гидравлической мощности и ликвидации застойных зон, а сетка - равномерное концентрическое его распределение по всей высоте сепаратора и свободный выход заливочной жидкости. Расчет величины скоростного напора и потерь давления потока заливочной жидкости в замкнутой призабойной системе циркуляции для выбора технических характеристик насоса и мощности его привода осуществляется по классическим уравнениям годродинамики.

Полевые испытания созданного оборудования проводились в 1984, 1986 и 1988 гг. на леднике Вавилова (арх. Северная Земля). В 1984 г. была пробурена скважина глубиной 90 м, а в 1986 г. - глубиной 152 м.

Опытные буровые работы в 1988 г. проводились с целью подготовки бурового оборудования для бурения глубокой скважины на ст. Восток. Была пробурена скважина глубиной 461 м с выходом в подледниковые породы. На глубине 457 м буровой снаряд вошел в подледниковые породы, бурение по которым производилось стандартной коронкой СА-1. Средняя механическая скорость бурения по сцементированным льдом моренным отложениям и по горной породе, представленной мерзлой глиной с включением большого количества обломочного материала осадочного происхождения, составила

1,5 м/ч. Всего по подледниковым породам пройдено 4 м, выход керна, составил 100%.

В рамках международного проекта PEGAIS "Глобальные изменения климата Арктики" в период работы Таймыро-Североземельской российско-германской полярной экспедиции на леднике Академии Наук (архипелаг Северная Земля, о. Комсомолец) в сезонные периоды 1999 - 2001 гг. была пробурена скважина глубиной 724 м, и пройдено 4 м мореносодержащего льда. Механическая скорость бурения и рейсовая проходка были близки к расчетным значениям.

На ст. Восток в Антарктиде в скважине 4Г переход с теплового способа на механический был осуществлен на глубине 2348 м в период работы 34 САЭ в 1989 г. При средней проходке за рейс 2 м и механической скорости бурения 20 м/ч была достипгута глубина 2546 м.

При бурении скважины 5Г-1 переход на механический способ бурения был осуществлен на глубине 2755 м. Бурение велось в зимовочный период 40 РАЭ и в периоды сезонных работ 41 -=-43 РАЭ. Всего было выполнено 420 рейсов с отбором керна до глубины 3623 м при следующих средних показателях: рейсовая проходка -1,88 м, механическая скорость бурения - 8 м/ч, скорость СПО - 0,7 м/с.

Благодаря применению разработанной технологии в процессе бурения скважины 5Г-1 механическим способом удалось полностью избежать проблем, связанных с проявлениями физико-механических и структурно-реологических свойств льда.

Выводы

1. Разработанная в результате выполненных исследований конструкция породоразрушающих элементов позволяет задавать и регулировать скорость бурения скоростью подачи снаряда на гру-зонесущем кабеле без изменения осевой нагрузки.

равлически гладкого течения и минимизировать уровень мощности привода лебедки при бурении глубоких скважин снарядом на несущем кабеле.

3. Полученные физические и математические модели являются основой для учета структурно-реологических свойств и условий резания льда, определения гидродинамических параметров течения заливочной жидкости при обратной циркуляции в призабой-ной зоне для сепарации шлама и тем самым определяют возможность управления технологическими операциями в процессе бурения и спуско-подъемными циклами, поэтому могут быть рекомендованы для составления программ оптимизации бурения скважин заданной глубины.

4. Созданные научно-методические основы проектирования технологии и комплекса технических средств бурения во льдах на грузонесущем кабеле позволяют осуществлять проходку глубоких скважин с полным отбором керна и выходом в подстилающие горные породы.

5. Разработанные на уровне изобретений компактные мобильные технические средства для колонкового бурения скважин электромеханическим снарядом на грузонесущем кабеле соответствуют требованиям геологоразведочного производства и экологической безопасности, надежны в эксплуатации, удобны в обслуживании, что позволяет проходить скважины в ледниковах толщах Арктики и Антарктики

6. Высокая эффективность и целесообразность применения разработанных рекомендаций, технологий и технических средств подтверждается опытно-производственными испытаниями на ледниках арх. Северная Земля и в Антарктиде, где на леднике Вавилова было пробурено 4 м подледниковых пород с полным отбором керна, на леднике Академии Наук пробурена скважина глубиной 721 м с выходом в моренные отложения, на ст. Восток скважина 5Г пробурена с полным отбором керна до глубины 3623 м и остановлена в 130 м от поверхности подледникового озера, о чем свидетельствуют не только геофизические исследования, но и включения в керне твердого моренного материала и льда, образовавшегося при намерзании воды на подошву ледника.

Основные положения и научные результаты опубликованы в следующих работах

1. Бурение скважин в ледниках и подледниковых породах колонковыми электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле. Пути повышения эффективности алмазного бурения. ВИТР. Л, 1986.-С.94-103. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков и др.).

2. Оптимизация зубчатых пар по уровням напряжений и удельных скольжений зубьев на блокирующих контурах. Записки ЛГИ, т. 108, 1986 г., С. 17-21. (Соавтор: И.П. Иванов).

3. Результаты стендовых экспериментальных исследований процесса бурения льда механическим буровым снарядом КЭМС-112. Записки ЛГИ, т. 116, 1988.-С.82-86. (Соавторы: П.Г. Талалай, В.В. Уфаев).

4. Механическое бурение скважин во льду. Учебное пособие. Л., изд. ЛГИ, 1988.- 90с. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, Н.Е. Бобин и др.).

5. Буровой снаряд А.с. № 146754.-Бюлл. изобр., № 11, 1989.- С. 106. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков, Уфаев В.В.).

6. Колонковый электромеханический буровой снаряд А.с.№1472613.-Бюлл. изобр.,№ 14, 1989.С.141. (Соавторы: Б.Б. Куд-ряшов, В.К. Чистяков и др.)

7. Влияние геометрических характеристик коронки на процесс разрушения льда В сб.: Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях. Донецк, ДПИ, 1991.-С.10-13. (Соавторы: П.Г. Талалай, В.В. Уфаев).

8. Принципы оптимизации бурения скважин снарядами на грузо-несущем кабеле В сб.: Оптимизация бурения скважин в осложненных условиях. Донецк, ДПИ, 1991.-С.10-13. (Соавторы: Б.Б. Кудря-шов, В.К. Чистяков).

9. Бурение скважин с отбором керна электромеханическим снарядом на грузонесущем кабеле в ледниках и подледниковых породах Материалы гляциологических исследований. Вып.71. М., РАН, 1991-с. 165-170. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков).

10. Оптимизация процесса разрушения льда резанием. Записки ЛГИ, т. 125, 1991.-С. 108. (Соавторы: В.К. Чистяков, П.Г. Талалай).

11. Некоторые особенности технологии бурения скважин во льду снарядами на грузонесущем кабеле/ Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Вып.15: Межвуз.научн. темат. Сборник -Екатеринбург: Ур.горн.инст., 1992,-104 с.

12. Буровой снаряд А.С. №1716067. -Бюлл.изобр., №8, 1992. (Соавторы: П.Г. Талалай, В.К. Чистяков)

13. Гидравлические сопротивления перемещению бурового снаряда на кабеле в скважине при выполнении спуско-подъемных операций Записки СПГГИ, т. 136, СПб., 1993.-с. 14-20. (Соавтор: Б.Б. Кудря-шов).

14. Стенд для исследования процесса разрушения льда резцовыми коронками и анализ экспериментальных данных/ Методика и техника разведки, №3 (141).- СПб: изд. ВИТР, 1993. - С.98-105. (Соавторы: П.Г. Талалай , В.В. Уфаев).

15. Core drilling by electromechanical drill Polar Record, 1993, Vol. 29, №170-pp. 235-237. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков и др.).

16. Оптимизация процесса бурения скважин во льду колонковыми электромеханическими буровыми снарядами на грузонесущем кабеле Рефераты лучших научных разработок "Конкурс грантов по фундаментальным исследованиям"/М.: МГГА, 1994-с. 48-49. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, П.Г. Талалай).

17. Investigation of the ice cutting process by the rotary drill Proc. of the Fourth Int. Workshop on Ice Drilling Technology. Nat. Inst. Of Polar Research. Sp.Is.№ 49, Tokyo, 1994- pp.132-137. (Соавтор: П.Г. Талалай).

18. KEMS-112 electromechanical ice core drill Proc. ofthe Fourth Int. Workshop on Ice Drilling Technology. Nat. Inst. Of Polar Research. Sp.Is.№ 49, Tokyo, 1994- pp.138- 152. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, П.Г. Талалай).

19. Исследование системы удаления и сбора шлама при бурении скважин во льду электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле Методика и техника разведки, №4 (142).- СПб: изд. ВИТР, 1995. -С.97-104. (Соавтор: П.Г. Талалай).

20. Бурение и исследование глубокой скважины на станции Восток В сб. Результаты исследования Антарктики - СПб.: Гидрометеоиз-дат, 1995-С.80-82. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков и др.)

21. Результаты глубокого бурения на станции Восток в Антарктиде и задачи исследования подледникового озера В сб. "Наука в СПГГИ (ТУ)", вып. 3/СПб.: Изд. СПГГИ, 1998- с. 137-144. (Соавторы: Б.Б.Кудряшов, В.К. Чистяков и др.)

22. Механическое бурение скважин во льду. Учебное пособие. Л., изд. ЛГИ, 1998.- 90с. (перевод на китайский язык). (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, Н.Е. Бобин и др.).

23. О бурении глубокой скважины на станции "Восток" в Антарктиде В межвуз. Науч. Темат. Сб. "Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые" Екатеринбург, Изд. УГГГА, 1998 - с. 185-191. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.М. Зубков, А.В. Красилев).

24. More than 200 m of lake ice above subglacial Lake Vostok, Antarctica // Science.-1999.-Vol.286.-P.2138-2141, (Соавторы: Jouzel J., Petit J.R., Souchez R., Barkov N.I., Lipenkov V.Ya., Raynaud D., Sti-evenard M., Vassiliev N.I., Verbeke V., Vimeux F.).

25. Результаты бурения глубоких скважин в Антарктиде и в Гренландии /Доклады научно-практической геологической конференции «Геологическая служба и минеральносырьевая база России на пороге XXI века» 2-6.10.2000г. СПб (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков и др.).

26. Некоторые особенности процесса колонкового бурения скважин полуавтономными снарядами на грузонесущем кабеле. Изд. Вестник Томского государственного университета, 2001. С. 51-58.

27. Основы теории способа асептического вскрытия подледниково-го озера Восток /Записки Горного института. Т. 148 (2), 2001 - с. 130133. (Соавтор: В.М. Зубков).

28. Экспериментальные исследования процесса резания льда / Записки Горного института. Том 148 (2), 2001 -с.155-160. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, А.Н. Дмитриев).

29. Исследования и разработки прогрессивных технологий бурения скважин в осложненных условиях/ Результаты научных исследований проблем минерально-сырьевого комплекса//Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 2001. 233 с. (Записки Горного института. Т. 147). 30-47. (Соавторы: B.C. Литвиненко, Б.Б. Кудряшов и др.).

30. Российско-германские гляциологические исследования на Северной Земле и прилегающих островах в 2000 г. // Материалы гляциологических исследований. 2002. Вып.91. С. 150-162. (Соавторы: Л.М. Саватюгин, С.М. Архипов, Р.Н. Вострецов, Д. Фритцше, X. Миллер).

31. Some features of ice drilling technology by drill on a hoisting cable Mem.Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue, 56, 2002, 136-141.

32. Hydraulic resistance to movement of a drill suspended by a cable in a bore-hole in travels Mem.Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue, 56, 2002. 142-147. (Соавтор: Б.Б. Кудряшов).

33. A Project of Penetration and Exploration of Sub-glacial Lake Vos-tok, Antarctica. Mem. Natl. Inst. Polar Res., Spec. Isue, 56, 2002, 245252. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, СР. Веркулич и др.).

34. Deep ice coring at Vostok Station (East Antarctica) by an electromechanical drill Mem.Natl Inst. Polar Res., Spec. Isue, 56, 2002, 91-102. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, В.М. Зубков и др.).

35. Термобуровой пробоотборник. Патент РФ № 2182225, БИ № 13, 2002(Соавторы: Б.Б. Кудряшов, А.Н.Дмитриев и др.)

36. Коронка для бурения-плавления льда. Патент РФ № 2209918 БИ № 22 ,2003. (Соавторы: Б.Б. Кудряшов, А.Н. Дмитриев и др.).

37. Колонковый электромеханический буровой снаряд Патент РФ № 2209912 БИ № 22, 2003. (Соавторы: B.C. Литвиненко, Б.Б. Кудряшов и др.)

38. Тепловая коронка термобурового пробоотборника. Решение о выдаче патента на изобретение №2002130417/03(032130) от 06.02.2004. (Соавторы: А.Н. Дмитриев, В.М. Зубков, А.В. Красилев).

РИЦ СПГГИ. 14.05.2004.3.231. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

*10929

Содержание диссертации, доктора технических наук, Васильев, Николай Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БУРЕНИЯ

СКВАЖИН В ЛЕДНИКОВЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ.

1.1. Технология и технические средства для бурения льда.

1.1.1. Наземное буровое оборудование.

1.1.2. Колонковые электромеханические снаряды.

1.1.3. Заливочная жидкость на основе углеводородов.

1.2. Результаты бурения глубоких скважин в Антарктиде и Гренландии.

1.2.1. Глубокие скважины в Гренландии.

1.2.2. Результаты бурения глубоких скважин зарубежными специалистами в Антарктиде.

1.2.3. Глубокие скважины на станции Восток.

1.3. Анализ аварийных ситуаций при глубоком бурении.

Выводы по главе 1.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ГЛУБОКОГО МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ КОЛОНКОВЫМ

СНАРЯДОМ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ.

2.1. Физико-механические свойства льда.

2.2. Анализ методик оценки механизма разрушения льда при механическом бурении.

2.3. Оценка влияния технологических показателей на производительность бурения.

Выводы по главе 2.

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОЛОНКОВОМ БУРЕНИИ СКВАЖИН

ВО ЛЬДУ.

3.1. Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований.

3.2. Исследование влияния геометрических характеристик коронки на процесс разрушения льда.

3.2.1. Методика экспериментальных исследований процесса механического колонкового бурения льда.

3.2.2. Результаты экспериментальных исследований процесса резания льда.

3.3. Исследования работы системы удаления и сбора шлама.

3.4. Исследования процесса движения бурового снаряда в залитой скважине.

3.4.1. Методика стендовых исследований процесса движения бурового снаряда в залитой скважине.

3.4.2. Исследование влияния различных факторов на скорость спуско-подъемных операций и производительность бурения.

Выводы по главе 3.

4. ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

КОЛОНКОВОГО ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО БУРОВОГО СНАРЯДА НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ И КОМПЛЕКТА ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ.

4.1. Обоснование конструктивной схемы колонкового электромеханического снаряда на грузонесущем кабеле.

4.2. Колонковый узел.

4.3. Приводной узел.

4.4. Распорное устройство.

4.5. Обоснование и разработка системы управления и контроля работы бурового снаряда.

Выводы по главе 4.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ИСПЫТАНИЙ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ.

5.1. Экспериментальные работы на ледниках архипелага Северная Земля.

5.1.1. Бурение экспериментальных скважин на леднике Вавилова.

5.1.2. Бурение скважины на леднике Академии Наук.

5.2. Бурение скважин на станции Восток в Антарктиде.

5.2.1. Скважина 4Г.

5.2.2. Скважина 5Г-1.

5.3. Анализ результатов бурения скважин механическим способом.

5.4. Перспективы совершенствования и использования технологии и технических средств для механического бурения льда.

Выводы по главе 5.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Рациональная технология бурения скважин в ледовых массивах с использованием электромеханического снаряда на кабеле"

Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда [68], мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. Планомерное комплексное изучение Антарктиды проводится уже более 30 лет. В нем 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 ледовых 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, в связи с обнаружением на глубине около 3760 м в районе ст. Восток подледникового озера [6, 26], формируется еще одно направление исследований, которое может стать одним из самых значимых проектов в XXI в. - изучение этого озера. В настоящее время Национальным центром научных исследований (НЦНИ) Франции подготовлен к подписанию текст Соглашения об учреждении Европейского научно-исследовательского объединения (ЕНИО) "Восток".

Целью данного объединения является продолжение совместного изучения уникальных климатических и биологических данных, полученных по ледяному керну со станции Восток. Проектом предусматривается создание сети

4 французских и 6 российских научно-исследовательских групп, входящих в состав НИИ и университетов, которые принадлежат различным министерствам и ведомствам Франции и России.

Научная программа ЕНИО обсуждалась на совещании российских и французских экспертов, которое было проведено по инициативе Посольства Франции в России в июле 2004 г. на базе Президиума Российской академии наук с участием представителей всех научно-исследовательских групп -потенциальных членов объединения. Французская сторона намечает предложить данное Соглашение для подписания в третьем квартале 2004 г.

Высший уровень международного признания получил проект глубокого бурения на ст. Восток и комплексных палеогеографических исследований ледяного керна, выполняемый Санкт-Петербургским государственным горным институтом (СПГТИ) и Государственным научным центром РФ «Арктическим и антарктическим НИИ» (ГНЦ РФ ААНИИ) совместно с учеными Франции и США.

Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по антарктической тематике, выполненные представителями научной школы, созданной в СПГТИ под руководством профессора Кудряшова Б.Б., позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области глубокого бурения ледовых массивов. Отличительной особенностью этих работ является их ярко выраженная практическая направленность. Начиная с 13-ой Советской антарктической экспедиции (САЭ, 1967), сотрудники кафедры технологии и техники бурения скважин, а также других кафедр СПГТИ участвовали практически во всех Советских и затем Российских антарктических экспедициях (РАЭ) как в зимовочных, так и в сезонных составах.

В ледниковом покрове Антарктиды (ст. Восток, обсерватория Мирный, гляциологический профиль Мирный-Восток 1), а также на леднике архипелага Северная Земля пробурено в общей сложности более 18 тыс. м с полным отбором ледяного керна. В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледовых толщах принимал широкий круг российских ученых и полярных исследователей: С.С. Абызов, Н.И. Барков, В.Н. Бахтюков, К.В. Блинов, Н.Е. Бобин, В.Н. Васильев, Р.Н. Вострецов, JI.K. Горшков, А.А. Гусев, Д.Н. Дмитриев, А.Н. Дмитриев, Э.А. Загривный, В.М. Зубков, А.Е. Каравашкин, Е.Е. Короткевич, Б.Б. Кудряшов, А.В. Красилев, В.Я. Липенков, Н.Н. Меньшиков, С. . Митин, Б.С. Моисеев, В.В. Морев, В.М. Пашкевич, Ю.А. Рыдван, Л.М. Саватюгин, Н.И. Слюсарев, Г.Н. Соловьев, Г.К. Степанов, П.Г. Талалай, В.Ф. Фисенко, В.К. Чистяков, В.М. Шашкин, A.M. Шкурко и др.

Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) - СПГГИ (ТУ) на основе госбюджетных тем и хоздоговоров в рамках ряда научно-технических программ: ОКП «Исследование и использование Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства на 1986-90 гг. и на перспективу до 2000 года», утвержденной постановлением Госплана СССР №378 от 14.08.86г.; ЦНТП Росгидромета, Проект 1.7.7.1.2, тема 013015 "Реконструкция изменений климата за последние 400 тыс. лет по данным анализа ледяного керна станции Восток и колонок грунта из озер антарктических оазисов" (1995 - 1998); ГНТП "Комплексные исследования океанов и морей Арктики и Антарктики", проект 06.03 "Ледник", тема 510003 "Исследовать характеристики и глубинное строение ледникового покрова Антарктиды, подледниковых озер и эпишельфовых водоемов; получить данные о современных и прошлых изменениях климата" (1995 -1998);

ФЦП «Интеграция», Контракт М0211- 5.1. (1999 - 2001);

ФЦП "Мировой океан", подпрограмма "Изучение и исследование Антарктики": 1999-2002 гг.

Проект № 6 "Продолжение бурения и температурные исследования в глубокой скважине 5Г-1 на станции Восток";

Проект № 7 "Проведение исследований ледяного керна и бурение базального льда без вхождения в подледниковое озеро Восток "; 2003-2007 гг.

Проект 4 «Провести комплексные исследования подледникового озера Восток, оценить прошлые изменения климата по данным ледяных кернов, колонок морских и озерных отложений»;

ФЦНТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники", подпрограмма: "Научно-инновационное сотрудничество между Министерством образования и Министерством природных ресурсов РФ", раздел: "Разработка новых методов и технологий неисточительного природопользования, повышение комплексного и малоотходного использования природных ресурсов", тема "Разработать комплексные геолого-геофизические модели типовых структур континентальной земной коры по материалам бурения глубоких и сверхглубоких скважин", Госконтракт № 1/8-НВ, Контракт № 7-Н от 27.04.01 между СПГГИ (ТУ) и ФГУП НПЦ «НЕДРА» (2001).

ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения", подпрограмма «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики», контракт «Обоснование и разработка экологически чистой технологии для проникновения в подледное озеро Восток (Антарктида)» (1999-2001).

Задачи исследований

1. Анализ закономерностей развития способов и технических средств глубокого бурения скважин в ледовых толщах для выявления наиболее значимых факторов, влияющих на эффективность процесса сооружения скважин и качество получаемого кернового материала.

Методика исследований.

1. Теоретический анализ и обобщение отечественных и зарубежных литературных данных.

Реализация результатов работы

• на леднике Вавилова (арх. Северная Земля, о. Октябрьской Революции) пробурена скважина с выходом в подледниковые породы с полным отбором керна;

• на леднике Академии Наук (арх. Северная Земля, о. Комсомолец) пробурена скважина глубиной 721 м с отбором керна в моренных отложениях на глубину 4 м;

• на ст. Восток в Антарктиде скважина 5Г-1 пройдена до глубины 3623 м, что на 400 м превышает глубины всех пробуренных скважин во льдах в мировой практике. Из скважины получен керн с твердыми включениями моренного материала и керны льда, образовавшегося при намерзании воды озера на подошву ледника.

Исходный материал и личный вклад

Восток в Антарктиде. За этот период автор был руководителем (исполнителем) госбюджетных тем, грантов и хоздоговоров, объединенных единой задачей создания эффективных технологий и технических средств колонкового бурения сверхглубоких скважин во льдах с выходом в подстилающие горные породы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете геологоразведочного факультета СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете отдела географии полярных стран ГУ ААНИИ (Ленинград, 1988), на конференции «Пути повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин» (ВНИИ методики и техники Мингео СССР, Ленинград, 1987), на Международном совещании «Изучение озера Восток - научные задачи и технологии» (С.Петербург, 1998), на Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, 1989 - 2001), на Юбилейной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Ф.А. Шамшева (С.-Петербург, 1993), на V Международном горно-геологическом Форуме (С.-Петербург, 1997), на международных симпозиумах по технологии бурения льда (Япония, 1993, 2000), на Второй международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» ( С.Петербург, 2000)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 7 авторских свидетельств.

Автор выражает глубокую признательность заслуженному деятелю науки и техники РФ, профессору Б.Б. Кудряшову, с которым на протяжении многих лет прорабатывались основные цели и направления исследований, научному консультанту, д.т.н. Н.И. Слюсареву, который помог в обсуждении проблем и подготовки основных выводов и рекомендаций, проф. Н.Е. Бобину, проф. Н.И. Николаеву, проф. В.К. Чистякову, проф. И.Г. Шелковникову, вед. инженеру А.В. Красилеву, научному сотруднику В.М. Зубкову, кандидатам географических наук Н.И. Баркову, В.Я. Липенкову, Л.М. Саватюгину и другим сотрудникам кафедры ТТБС СГПТИ (ТУ), отдела географии ГУ ААНИИ и Российской антарктической экспедиции.

Заключение Диссертация по теме "Технология бурения и освоения скважин", Васильев, Николай Иванович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обоснованная в результате выполненных исследований конструкция породоразрушающих элементов позволяет задавать и регулировать скорость бурения скоростью подачи снаряда на грузонесущем кабеле без изменения осевой нагрузки.

2. Изменение гидродинамических характеристик потока при спуско-подъемных операциях позволяет регулировать скорость движения снаряда при минимальных сопротивлениях в режиме гидравлически гладкого течения и минимизировать уровень мощности привода лебедки при бурении глубоких скважин снарядом на несущем кабеле.

3. Полученные физические и математические модели являются основой для учета структурно-реологических свойств и условий резания льда, определения гидродинамических параметров течения заливочной жидкости при обратной циркуляции в призабойной зоне для сепарации шлама и, тем самым, определяют возможность управления технологическими операциями в процессе бурения и спуско-подъемными циклами, поэтому могут быть рекомендованы для составления программ оптимизации бурения скважин заданной глубины.

5. Рзработанные на уровне изобретений компактные мобильные технические средства для колонкового бурения скважин электромеханическим снарядом на грузонесущем кабеле соответствуют требованиям геологоразведочного производства и экологической безопасности, надежны в эксплуатации, удобны в обслуживании, что позволяет проходить скважины в ледниковах толщах Арктики и Антарктики

202

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора технических наук, Васильев, Николай Иванович, Санкт-Петербург

1. Авиационные зубчатые передачи и редукторы: Справочник / Под ред. Э.Б. Вугакова. - М.: Машиностроение, 1981. 294 с.

2. Адлер Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В. Маркова, Ю.В. Грановский М.: Наука, 1976. 280 с.

3. Альтшуль А.Д. Гидравлика и аэродинамика / А.Д. Альтшуль, П.Г. Киселев М.: Стройиздат, 1975. 323 с.

4. Бадаков Л.И. К вопросу о толщине жидкой пленки на поверхности кристаллов льда//Тр. ВГИ. 1980, Вып. 46. С. 57-66.

5. Барон Л.И. Основные научно-методические вопросы разрушения горных пород механическими способами // Разрушение горных пород механическими способами. М.: Наука, 1966. С. 3-13.

6. Башкатов Д.Н. Планирование эксперимента в разведочном бурении. -М.: Недра, 1985. 181 с.

7. Бобин Н.Е. Механическое бурение скважин во льду. Учебное пособие / Н.Е. Бобин, Б.Б. Кудряшов, Н.И. Васильев, В.К. Чистяков, Г.К. Степанов, П.Г. Талалай Л.: Изд. ЛГИ, 1988. 90с.

8. Бобров В.Ф. Основные теории резания металлов. М.: Машиностроение, 1975.344 с.

9. Богородский В.В. Лед: Физические свойства. Современные методы гляциологии / В.В. Богородский, В.П. Гаврило Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 383 с.

10. Васильев Н.И. Оптимизация зубчатых пар по уровням напряжений и удельных скольжений зубьев на блокирующих контурах / Н.И. Васильев, И.П. Иванов // Зап. ЛГИ, 1986, т. 108. С. 17-21.

11. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики): Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1976. 479 с.

12. Ветров Ю.А. Сопротивление горных пород резанию / Ю.А Ветров., А.И. Дионисьев М.: Углетехиздат, 1962. 265 с.

13. Вайтковский К.Ф. Механические свойства льда. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 100 с.

14. Вялов С.С. Реология мерзлых грунтов. В сб.: Прочность и ползучесть мерзлых грунтов. М., 1963. С. 5-54.

15. Гладков М.Г. Исследования механических свойств льда методом одноосного сжатия / М.Г. Гладков, Б.А. Федоров // Тр. ААНИИ, 1984. Т. 386. С. 44-52.

16. Глебов А.И. Аналитическое определение силы резания льда // Тр. НИИВТ, 1983. Вып. 164. С. 51-58.

17. Глебов А.И. Определение длины записи сил резания на осциллографной ленте // Тр. НИИВТ, 1981. Вып. 154. С. 44-47.

18. Глебов А.И. Разрушение льда резанием в среде поверхностноактивных веществ // Тр. НИИВТ, 1977. Вып. 126. С. 34-44.

19. Глебов А.И. Некоторые результаты экспериментов по разрушению льда резанием / А.И. Глебов, Н.Н. Монзырев // Тр. НИИВТ, 1978. Вып. 135. С. 24-31.

20. Глебов А.И. К вопросу разрушения льда резцом, имеющем постоянный угол резания / А.И. Глебов, К.А. Шевник // Тр. НИИВТ, 1979. Вып. 142. С.33-41.

21. Голубев В.Н. Изменение климатических условий в центральной части Восточной Антарктиды за последние 12 тысяч лет / В.Н. Голубев, Н.И. Барков, В.Н. Петров // Метеорол. исслед. в Антарктике: Сб. докл. на III Всесоюз. симп. 4.2. Л., 1991. С.20—24.

22. Горшков Л.К. Разведочное бурение с гидроизвлечением керноприемника / Л.К. Горшков, Т.Н. Мендыбаев СПб.: Недра. 1994. 160 с.

23. Грабчак Л.Г. Об оптимальном угле резания при бурении в мягких горных породах / Л.Г. Грабчак, А.Н. Попов // Изв. ВУЗов. Геология и разведка. 1976. №5. С. 144-148.

24. Гукасов Н.А. Справочное пособие по гидравлике и гидродинамике в бурении. -М.: Недра, 1982. 302 с.

25. Дерягин Б.В. О скольжении твердых тел по льду / Б.В. Дерягин, С.С. Бундевич // Журнал технической физики, 1952. Т. 22, вып. 12. С. 19671980.

26. Зварыгин В.И. Исследования резцов с целью определения их рациональной геометрии / В.И. Зварыгин, С.С. Сулакшин // Изв. ТПИ, 1966. Т. 151. С. 141-148.

27. Зеленин А.Н. Основы разрушения грунтов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1968. 376 с.

28. Золоторевский B.C. Механические свойства металлов. М.: Металлургия, 1983. 352 с.

29. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 368 с.

30. Исаев М.И. Бурение скважин со съемными керноприемниками / М.И. Исаев, В.П. Онищин -Л.: Недра, 1975. 128 с.

31. Кардыш В.Г. Оптимизация создания и эксплуатации технических средств для геологоразведочного бурения / В сб.: Технические средства для прогрессивных способов бурения. М.: ВПО «Союзгеотехника», 1983. С. 5-10.

32. Козловский А.Е. Оптимизация процесса бурения (структура и элементы управления). 2000. 246 с.

33. Козловский Е.А. Оптимизация процесса разведочного бурения. М.: Недра, 1975. 303 с.

34. Козловский Е.А. Кибернетческие системы в разведочном бурении / Е.А. Козловский, М.А. Комаров, В.М. Питерский М.: Недра, 1985. 285 с.

35. Колесник С.В. Очерки гляциологии. М.: Географиздат, 1963. 51 с.

36. Кудряшов Б.Б. Бурение скважин тепловым способом в ледниковом покрове Антарктиды. Обзор / Б.Б. Кудряшов, В.К. Чистяков, В.А. Морев // Тех. и технол. геологоразвед. работ; орг. про-ва. М.: ВИЭМС, 1977. 58 с.

37. Кудряшов Б.Б. Бурение скважин в мерзлых породах / Б.Б. Кудряшов, A.M. Яковлев М.: Недра, 1983. 286 с.

38. Кудряшов Б.Б. Промывочная жидкость для бурения в низкотемпературных ледовых отложениях / Б.Б. Кудряшов, В.М. Пашкевич, В.К. Чистяков // А.с. № 992562. Опублик.1983, Бюл. № 4. С. 117.

39. Кудряшов Б.Б. Бурение ледникового покрова Антарктиды тепловым способом / Б.Б. Кудряшов, В.К.Чистяков, В.А. Морев // 25 пет Советской антарктической экспедиции. Л: Гидрометеоиздат, 1983 . С. 149-158.

40. Кудряшов Б.Б. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород / Б.Б. Кудряшов, В.К.Чистяков, B.C. Литвиненко -Л.: Недра. 1991.С.295.

41. Лавров В.В. Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 206 с.

42. Лезин Д.Л. Разрушение льда резанием // Тр. НИИВТ, 1977. Вып. 126. С. 1626.

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

44. Машины и стенды для испытаний деталей / Под ред. Л.Н. Решетова М.: Машиностроение, 1981. 280 с.

45. Маэно Н. Наука о льде. Пер. с яп. М.: Мир, 1988. 231 с.

46. Михайлова Н.Д. О применении колонкового бурения в условиях Антарктиды // Зап. ЛГИ, 1973. Т. 66, вып. 1. С. 66-71.

47. Назаровский А.А. Влияние режимов работы и некоторых конструктивных параметров концевой фрезы на процесс фрезирования льда // Тр. ГПИ, 1971. Т. 27, вып. 8. С. 21-25.

48. Некрасов С.С. Сопротивление хрупких материалов резанию. М.: Машиностроение, 1971. 184 с.

49. Овчинников В.Ф. Механизация приготовления проруби на подледном лове рыбы // Тр. ПИНРО, 1966. Вып. 18. С. 46-65.

50. Онищин В.П. Определение затрат времени при бурении скважин съемным инструментом // Создание и совершенствование съемного инструмента для геологоразведочного бурения. Л.: ВИТР, 1986. С. 18-30.

51. Онищин В.П. Экспериментальные исследования сопротивлений при движении съемного инструмента в бурильных трубах / В.П. Онищин, Н.И. Корнилов, В.В. Яковенко // Зап. ЛГИ, 1985. Т. 105. С. 43-48.

52. Пашкевич В.М. О разработке специальных буровых растворов для бурения ледниковых покровов Антарктиды / В.М. Пашкевич, В.К. Чистяков // Зап. ЛГИ, 1982. Т. 93. С. 72-78.

53. Паундер Э. Физика льда. М.: Мир, 1967. 189 с.

54. Песчанский И.С. Ледоведение и ледотехника. Л.: Гидрометеоиздат, 1967. 459 с.

55. Петров И.Г. Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда//Тр. ААНИИ, 1976. Т. 331. С. 4-41.

56. Планетарные передачи: Справочник / Под ред. В.Н. Кудрявцева и Ю.М. Кирдяшева. JL: Машиностроение, 1977. 536 с.

57. Поротов Г.С. Основы статистической обработки материалов разведки месторождений. Учебное пособие. JL: Изд. ЛГИ, 1985. 97 с.

58. Протодьяконов М.М. Теория резания угля врубовыми машинами. М.: ОНТИ НКТП СССР, 1936. 190 с.

59. Разрушение прочных грунтов / Ю.А. Ветров, В.Л. Баладинский, В.Ф. Баранников, В.П. Кукса. Киев: Будивельник, 1972. 35 с.

60. Ребрик Б.М. Новый механический критерий технической эффективности способов бурения и технических средств // Технология и техника геологоразведочных работ. Межвузовский научный сборник № 8. М.: Изд. МГРИ, 1985. С. 42-51.

61. Розенберг A.M. Элементы теории процесса резания металлов. -Свердловск: Машгиз, Урало-Сиб. отд-ние, 1966. 319 с.

62. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента: Справочное руководство. М.: Наука, 1971. 192 с.

63. Русские ученые основоположники науки о резании металлов. - М.: Машгиз, 1952. 480 с.

64. Савельев Б.А. Строение и состав природных льдов. М.: Изд-во МГУ, 1980. 280 с.

65. Суетова И.А. Средняя высота, объем и мощность льда Антарктиды (новые данные) // Антарктида. Докл. комиссии. 1987. Вып. 26. С. 113-119.

66. Талалай П.Г. Тепловой режим разрушения льда при вращательном бурении // Зап. горного ин-та. 2001. Т. 148 (2). С. 169-174.

67. Талалай П.Г. О разрушении льда при вращательном бурении // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердыеполезные ископаемые. Вып. 16: Межвуз. Науч. Темат. сборник. Екатеринбург: Изд-во УГИ, 1993. С.91-97.

68. Технология и техника разведочного бурения / Ф.А. Шамшев, С.Н. Тараканов, Б.Б. Кудряшов и др. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1983. 565 с.

69. Толстой A.M. О прочности льда в зависимости от скорости нагружения // Тр. ААНИИ, 1976. Т. 331, С. 71-76.

70. Торбан С.С. Механизация рыболовства во внутренних водоемах. М.: Пищевая промышленность, 1969. - 324 С.

71. Трубина Е.А. Исследование процессов бурения льда винтовыми бурами // Тр. ГПИ, 1970. Т. 26, вып. 1, С. 39-44.

72. Угаров С.А. Повышение производительности вращательного бурения с отбором керна. В сб.: Технические средства для прогрессивных способов бурения. М.: ВПО «Союзгеотехника», 1983. С. 11-28.

73. Чистякова В.К. Промывочные среды для бурения скважин в мерзлых породах / В.К. Чистякова, П.Г. Талалай, А.А. Яковлева М. 1999. С.78.

74. Шелковников И.Г. О механическом бурении льда // Зап. горного ин-та. 2001. Т. 148 (2). С. 174-176.

75. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. Учебник для ВУЗов / В.Н. Шохин, А.Г. Лопатин М.: Недра, 1980. 400 с.

76. Шрейнер Л.А. Физические основы механики горных пород. Л.: Гостоптехиздат, 1950. 211 с.

77. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. М.: Изд-во АН СССР, 1965.317 с.

78. Эпштейн Е.Ф. Теория бурения-резания пород твердыми сплавами. М.: Л.: ГОНТИ, 1939. 180 с.

79. Arnason В. Mechanical drill for deep coring in temperate ice / B. Arnason, H. Bjorneson, P. Theodorson // J. of Glacial. 1974. Vol.13, № 67. P. 133-139.

80. Augustin L. The EPIC A deep drilling program / L. Augustin and A. Antonelli // Mem. Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue 56. 2002. P. 226-244.

81. Bernard Michel. Ice mechanics // Les presses de luniversite Laval. Quebec, 1978. -P.567-570.

82. Donnou D. Deep or thermal electromechanical drill? / D. Donnou, F. Gillet, A. Manouvrier, J. Perrin, C. Rado, C. Ricou // Second intern. Symp. on ice Drill Technology. Calgary, 1982. lip.

83. Gillet F. Ice core quality in electromechanical drilling / F. Gillet, D. Donnou, C. Girard, A. Manouvrier, C. Rado, C. Ricou // Second intern, symp. on ice drill. Technology. Calgary, 1982. P. 18.

84. Gundestrup N.S. Borehole surveys at Dye-З» South Greenland / N.S. Gundestrup, B.L. Hansen // J. of Glaciol. 1984. Vol. 30, № 106. P. 282-288.

85. Gundestrup N.S. A battery powered, instrumented deep ice core drill for liquid filled holies / N.S. Gundestrup, S.J. Johnsen // Geophysical Monograph 33. Washington, 1985. P. 19-22.

86. Gundestrup N.S. ISTUK: A Deep ice core drill system / N.S. Gundestrup, S.J. Johnsen, N. Reeh // Second intern. Symp. on ice drill Technology. Calgary, 1982. P. 12-20.

87. Gundestrup U.S. Sticking deep ice core drills: Why and how to recover /N.S. Gundestrup, S.J. Johnsen, H. Shoji, P. Talalay and F. Wilhelms // Mem. Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue 56. 2002. P. 181-195.

88. Fujii Y. Deep ice core drilling to 2503 m depth at Dome Fuji, Antarctica / Fujii Y., N. Azuma, Y.Tanaka, Y. Nakayama fiid all. // Mem. Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue 56. 2002. P. 103-116.

89. Handbook of chestry and phisics // Editor in chief Charles D. Hodgman -Chemical rubber publishing CO. 1959. P.3456.

90. Jouzel J. More than 200 m of lake ice above subglacial Lake Vostok, Antarctica / J. Jouzel, J.R. Petit, R. Souchez, N.I. Barkov, V.Y. Lipenkov a., D. Raynaud,

91. M. Stievenard, N.I. Vassiliev, V. Verbeke, F. Vimeux // Science. 1999. Vol.286. P.2138 2141.

92. Johnson S.J. A fast light weight core drill / S.J. Johnson, W. Dansgeard, N. Gundestrup, S.B. Hansen, J.O. Nielsen, N. Reeh // J. of Glaciol. 1980. vol. 25, № 91. P. 169-174.

93. Lipenkov V. Bubbly-ice densification in ice sheets: Applications / Lipenkov V., A.N. Salamatin, P. Duval // Journal of Glaciology. Vol. 43. № 145. 1997. P. 397 -407.

94. Mellor M. General considerations for drill system design / M. Mellor, P.V. Sellman // Proc. Symp. Univ. Nebraska, Lincoln, 1976. P. 77-111.

95. Talalay P. Hole fluids for deep ice core drilling / P.G. Talalay and N. S. Gundestrup // Mem. Natl Inst. Polar Res., Spec. Issue 56. 2002. P. 148-170.

96. Ueda H.T. Drilling through the Greenland ice Sheet / H.T. Ueda, D.E. Garfield // USA CREEL Spec. Rep. 126. Hanover, 1968. 12 p.

97. Ueda H.T. Deep core drilling at Byrd Station / H.T. Ueda, D.E. Garfield -Hanover, 1970. P. 53-62.

98. Ueda H.T Core drilling through the Antarctic ice sheet / H.T. Ueda, D.E. Garfield // USA CRREL Tech. Rep. 231. Hanover, USA CRREL, 1969. 17 p.

99. Ueda H.T. Experiments on the cutting process in ice / H.T. Ueda and J. Kalafut // USA CREEL Spec. Rep. 89-5. Hanover, 1989. 40 p.

100. Предприятие, использующее результаты: ГУ Арктический и антарктический НИИ, директор д.географ.наук И.Е. Фролов

101. Форма внедряемых результатов диссертационной работы: Электромеханический буровой снаряд на кабеле, комплект наземного оборудования и технология глубокого бурения льда и подледниковых пород в Арктике и Антарктике

102. От предприятия 'Нач. планового отдела1. Нач. технического отдела

103. Ответственный за внедрение

104. Г.Н. Добротина Л.М. Саватюгин В.Я. Липенков

Информация о работе

Васильев, Николай Иванович
доктора технических наук
Санкт-Петербург, 2004
ВАК 25.00.15

Диссертация

Рациональная технология бурения скважин в ледовых массивах с использованием электромеханического снаряда на кабеле - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы