Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка технологии бурения гидрогеологических скважин с использованием двойных концентрических колонн и гидроударных машин

ВАК РФ 25.00.14, Технология и техника геологоразведочных работ

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Чистяков, Алексей Олегович

Введение.

Глава. 1. Анализ современных технологий бурения гидрогеологических скважин

1.1 Технология вращательного бурения с прямой промывкой.

1.2 Технология ударно-канатного бурения.

1.3 Технология ударно-вращательного бурения.

1.4 Технология бурения с гидротранспортом керна по двойной концентрической колонне.

1.5 Вращательное бурение с гидропневмотранспортом керна за рубежом

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка технологии бурения гидрогеологических скважин с использованием двойных концентрических колонн и гидроударных машин"

2.2 Цель и задачи работы.28

2.3 Методика исследований.29

2.4 Методика измерений рабочих характеристик гидроударных машин на стенде СВУБ-2.30

2.5 Методика определения результатов бурения.35

Глава 3. Технологические схемы бурения и рекомендации по применению технических средств для их эффективной реализации

3.1 Технологические схемы.36 ^

3.2 Технология вращательного бурения с двойной концентрической колонной и кольцевым гидроударником.39

3.3 Технология ударно-вращательного бурения с двойной концентрической колонной и серийными гидроударными машинами.48

3.4 Выводы и рекомендации.54

Глава 4. Теоретические и экспериментальные исследования технологии бурения гидрогеологических скважин большого диаметра

4.1 Введение.55

4.2.Гидродинамические исследования по определению расхода промывочной жидкости и скорости движения разрушенного керно-шламового материала при бурении скважин на воду большого диаметра.59

4.3 Аналитические исследования повышения забойной мощности гидроударных машин при снижении противодавления за счет образования ГЖС непосредственно иод клапаном.71

4.4 Выводы.77

Глава 5. Рекомендации по технологии бурения и результаты испытаний комплексов КГК-200 и КГ. 100

5.1 Особенности технологии и общие закономерности.78

5.2 Исследование влияния величины коэффициента аэрации и глубины скважины на показателя бурения.81

5.3 Результаты приемочных испытаний.86

Общие выводы и рекомендации.97

Приложение №1 - Расчет экономического эффекта от внедрения в производство геологоразведочных работ машины гидроударной Г-112.".99

Список литературы .107

Научная новизна.

Научная новизна выполненной работы заключается в том, что автором впервые:

Установлена зависимость Умех., давления в нагнетательной линии компрессора, перепад давления на гидроударной машине в комплексной технологии, с использованием ударно-вращательного бурения с образованием на забое ГЖС от степени аэрации при различной глубине скважины.

Аналитически определена зависимость расхода промывочной жидкости и скорости движения керна от внутреннего диаметра внутренней колонны, диаметра керна, отношения диаметра керна к диаметру внутренней колонны, диаметра и скорости бурения, пористости пород, что позволило обосновать оптимальные сочетания геологических, конструктивных и технологических параметров бурения с гидротранспортом керна. Определена аналитически и подтверждена экспериментально закономерность увеличения забойной мощности гидроударной машины при образовании под ее клапаном и в затрубном пространстве ГЖС.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются результатами теоретических, экспериментальных и производственных исследований предложенной технологии сооружения гидрогеологических скважин большого диаметра проведенных на стендах Подольского отделения СКБ «Геотехника», а также при проведении предварительных и приемочных испытаний комплексов КГ-100 и КГК-200, реализующих эту технологию, при бурении скважин на территории Подольского отделения (Московская область) и Опытном полигоне ОАО «Геомаш» (г.Щигры, Курская обл.).

Практическая ценность работы заключается в том, что в результате ее выполнения получены следующие результаты:

Разработана номограмма, по которой в зависимости от требуемого диаметра бурения и плотности пород геологического разреза, выбирается конструкция двойной концентрической колонны (внутренний диаметр внутренней трубы, диаметр керна), рациональная подача очистного агента и устанавливается оптимальная механическая скорость, при которой эффективно реализуется технология бурения с гидротранспортом керна с учетом применения гидроударных машин.

Разработана инструкция по бурению и руководство по эксплуатации комплексов КГ-100 и КГК-200, реализующих предложенную комплексную технологию.

Разработаны рекомендации по дальнейшему совершенствованию комплексной технологии и реализующих ее буровых комплексов.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

Научной конференции профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов Московской Государственной Геологоразведочной Академии им.С.Ордженикидзе (1999 и 2000 г.г.).

Научно-технических советах ФГУП СКБ «Геотехника» в 1999 и 2000 г.г.

Защищаемые положения

Положение 1.

Наиболее эффективным методом сооружения скважин на воду в сложных геологических условиях в диапазоне пород от I до X категорий по буримости является технология бурения с гидролневмотранспортом разрушенной породы по двойной концентрической колоне с применением гидроударных забойных машин.

Положение 2

Эффективное применение технологии гидротранспорта разрушенной породы при сооружении скважин на воду большого диаметра обеспечивается за счет оптимального сочетания геологических, конструктивных и технологических параметров (плотность породы, внутренний диаметр внутренней колонны, диаметр керна, диаметр и скорость бурения, расход очистного агента). 5

Положение 3.

Эффективность ударно-вращательного бурения скважин большого диаметра на воду повышается при увеличения забойной мощности гидроударных машин, за счет образования ГЖС непосредственно под клапаном машины и в затрубном пространстве.

Положение 4.

Комплексная технология бурения гидрогеологических скважин большого диаметра (гидротранспорт - гидроударник) может быть эффективно реализована только на буровых установках с подвижным вращателем и с применением специальных забойных снарядов для транспортировки разрушенной породы по центральному каналу двойной колонны или в затрубное пространство.

Введение.

Подземные воды имеют решающее значение для обеспечения населения качественной питьевой водой. Они широко исполь-зуютсяи для удовлетворения нужд промышленности и коммунального хозяйства, обводнения пастбищ, орошения.

По сведениям Г. П. Квашнина, в США и Швейцарии на долю водоснабжения из подземных водоисточников приходится около 60%, в Дании-около 100%. В нашей стране эта доля составляет 5055%.

Россия располагает огромными ресурсами пресных подземных вод, с возможным годовым потреблением около 330 км. куб. Из них в среднем в народном хозяйстве используется лишь немногим более 10%, в Сибири и на Дальнем Востоке-менее 6% прогнозных ресурсов. Для городского и промышленного водоснабжения используется 16 км.куб. подземных вод в год, а для сельскохозяйственного водоснабжения, обводнения пастбищ и орошения-20 км.куб/год.

Пуроиые скважины являются наиболее эффективными и экономичными сооружениями для добычи подземных вод.

Бурение и оборудование скважин на воду занимает важное место в народном хозяйстве страны, объем работ по их сооружению в 90-х годах был сопоставим с объемом бурения скважин на твердые полезные ископаемые, а сейчас значительно превышает его.

В СССР ежегодно сооружалось несколько десятков тысяч разведочных гидрогеологических и более 200 тыс. шт. скважин для водоснабжения, обводнения пастбищ, водопонижения, добычи минеральных и термальных вод. В последние 10 лет объем их бурения резко снизился и в то же время большое количество ранее пробуренных скважин, особенно на водозаборах, в сельскохозяйственных предприятиях, санаторно-курортных учреждениях вышли из строя или снизили дебит. Поэтому в условиях начавшегося социально-экономического возрождения страны неизбежны огромные объемы работ по сооружению новых и восстановлению вышедших из строя скважин.

В связи с этим разработка и внедрение эффективных технологий сооружения скважин на воду чрезвычайно актуальна.

Известно, что одной из наиболее эффективных технологий бурения в мягких и средней крепости породах является бурение с гидро-пневмотранспортом разрушенного материала по двойной концентрической колонне, а в породах высокой твердости -технология ударно-вращательного бурения с использованием гидро или пневмоударных машин.

Однако серийные технические средства обеспечивают эффективное бурение с гидротранспортом керна в мягких и средней крепости породах диаметром только до 200 мм, а серийные гидроударные машины обладают недостаточной забойной мощностью для эффективного бурения в крепких породах диаметром более 200 мм, что недостаточно для сооружения скважин на воду большого диаметра. Кроме того, и та и другая технологии обеспечивают высокие показатели при использовании в качестве очистного агента воды, что далеко не всегда возможно при сооружении гидрогеологических скважин из-за неустойчивости ствола при проходке в мягких породах и поглощении промывочной жидкости (воды) в крепких. .

Работы последних лет, проведенные в СКБ «Геотехника», показали что существуют реальные возможности расширения эффективной области технологии гидропиевмотраиспорта как в сторону увеличения диаметра бурения до 300 и более мм, так и в область бурения более твердых пород до X категории при обеспечении устойчивости стенок скважин и ликвидации поглощений за счет включения в состав снаряда помимо двойной концентрической колонны специальных забойных эжекторных снарядов, гидроударных машин и использования газожидкостной смеси образующейся непосредственно на забое скважины.

Решению вопроса выбора технологических схем бурения гидрогеологических скважин с использованием вышеуказанного бурового инструмента, подбору оборудования, наиболее эффективно реализующих возможности выбранных технологий, теоретическим и экспериментальным исследованиям, повышающим эффективность рассматриваемых технологий и облегчающим их практическое использование и посвящена данная диссертация.

Работа выполнялась в МГГА и СКБ «Геотехника», где автор в качестве конструктора, технолога и зам. зав. отделом прогрессивных способов бурения принимал непосредственное участие в проведении исследований и производственных испытаний.

Заключение Диссертация по теме "Технология и техника геологоразведочных работ", Чистяков, Алексей Олегович

Общие выводы и рекомендации.

На основании выполненных теоретических, экспериментальных исследований и производственных испытаний можно сделать следующие основные выводы и рекомендации.

1. Проведем анализ существующих технологий бурения скважин на воду, на основании которого сделано обоснование, что одной из наиболее эффективных для бурения в сложных геологических условиях и породах от I до XI категорий по буримости является комплексная технология сооружений скважин с гидротранспортом разрушенной породы двойной концентрической колонне применением гидроударных машин. Разработали соответствующие технологические схемы бурения.

2. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено что эффективное сооружение скважин на воду большого диаметра обеспечивается за счет определенного оптимального сочетания конструктивных и технологических параметров таких как внутренний диаметр внутренней колонны, диаметр керна, диаметр бурения, механическая скорость и расход очистного агента. Полученны формулы описывающие расчетные зависимости.

3. Для оперативного использования полученных зависимостей разработана номограмма, по которой в зависимости от требуемого диаметра бурения и плотности пород выбирается конструкция двойной колонны (внутренний диаметр внутренней трубы, необходимая подача очистного агента и оптимальная механическая скорость бурения.

4. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено увеличение забойной мощности гидроударных машин на 40 % при образовании под клапаном в зоне низкого давления гидроударника и затрубном пространстве ГЖС, образующийся за счет раздельной подачи воды для работы гидроударника по внутреннему каналу и воздуха по межтрубному каналу двойной концентрической колонны.

5. Проведено исследование и установлено влияние коэффициента аэрации в пределах 15 - 150 на период давления в гидроударной машине, изменение давления в нагнетательной линии компрессора, механическую скорость бурения и эффективную глубину применения предлагаемой технологии.

6. Уточнены рекомендации по составу оборудования и инструмента буровых комплексов КГ-100 и КГК-200, на которых реализованы предложенные технологии бурения скважин.

-987. Установлено, что применение комплекса КГ-100 обеспечивает рост механической скорости бурения по сравнению с вращательным способом на 250%, по сравнению с ударно-вращательным с применением тех же гидроударников на 70%. Общее время сооружения скважины на воду глубиной до 100 м под эксплуатационную колонну не более 6" сокращается не менее чем на 50%.

Применение комплекса КГК-200 позволит сократить материальные затраты на сооружение скважин по сравнению с традиционными методами бурения с прямой промывкой благодаря более высоким скоростям бурения, меньшим удельным затратам энергии, оперативному и качественному опробованию буримых пород, улучшению экологических условий бурения, более точной отбивке границ пластов пород, предотвращению кольматации водоносных горизонтов и как следствие, сокращению затрат на освоение скважин в 1,5-2 раза.

8. Основной , задачей последующих исследований является разработка технологии бурения комплексами в различных геологических условиях (вечная мерзлота, безводные районы).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Чистяков, Алексей Олегович, Москва

1. Башкатов Д.Н., Панков А.В. Коломнец A.M. прогрессивная технология бурения гидрогеологических скважин. М.: Недра, 1992.

2. Киселев А.Т. Исследование технологии гидроударного бурения разведочных скважин в крепких породах. Диссертация, 1967.

3. Башкатов А.Д. Временная инструкция по оборудованию скважин на воду гравийными фильтрами. М.: ВСЕГИНГЕО, 1989.

4. Башкатов Д.И., Полеков А.В., Коломиец A.M. перспектива развития технического прогресса при сооружении скважин на воду. Изв. ВУЗов геология и разведка № 2, 1984, с. 116-119.

5. Протокол приемочных испытаний образцов машин гидроударных Г-151. г.Киев 12 Декабря 1988 г. Архив СКБ.

6. Кардыш В.Г., Пешков А.Н., Кузнецов А.В. Техника и технология бурения с гидротранспортом М.: Недра, 1993.

7. Кардыш В.Г., Мурзаков Б.В., Окманский А.С. Техника и технология бурения геологоразведочных скважин за рубежом. -М.: Недра, 1985.

8. Отчет по теме 3.1.35 «Исследование рабочих процессов гидроударных машин с целью повышения забойной мощности и исследования процесса разрушения горных пород при положении ударных импульсов». Архив, 1988.

9. Ю.Ясов В.Г. Теория и расчет рабочих процессов гидроударных буровых машин. М.: Недра, 1977, 153 с.

10. П.Гукасои 11.А. Справочное пособие по гидравлике и гидродинамике в бурение. М.: Недра, 1982.

11. Гукасов Н.А. Механика жидкости и газа. М.: Недра, 1996.

12. Гукасов Н.А. Прикладная гидродинамика в бурении. М.: Недра, 1999.

13. Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.Н. Бурение разведочных скважин с применением воздуха.-М.: Недра, 1990.

14. Киселев А.Т., Меламед Ю.А. и др. Пути развития гидроударного бурения. -М.: ОНТИ ВИЭМС. Обзор, 1985.

15. Киселев А.Т., Меламед Ю.А. Возможности совершенствования технических средств для гидроударцого бурения. Л.: НПО Геотехника ВИТР Сб. научных трудов, 1988.

16. Кардыш В.Г., Кузьмин И.В., Смирнов О.В. Основные направления совершенствования технических средств для бурения скважин с гидротранспортом керна Л.: СКБ НПО «Союзгеотехника» сб. научных трудов, 1985.

17. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в осложненных условиях. М.: Недра, 1987.

18. Кудряшов Б.Б., Козлов А.В. Промывка пеной как средство нормализации процесса бурения скважин в мерзлых породах: В кн. Физические процессы горного производства. Л., 1988 - с. 51-60.

19. Слюсарев Н.И. выносные свойства пены. Сб.тр.: Промывка и крепление скважин и охрана окружающей среды, Л.: ВИТР, 1988.21 .Козловский А.Е. Оптимизация технологии бурения с очисткой забоя пеной. Диссертация. Л.: ЛГИ им. Г.В.Плеханова, 1986.

20. Мурзаков Б.В., Кочкарев А.В. Разработка рекомендаций по рациональным способам бурения и номенклатуре инструмента. Отчет о НИР по дог. № 51/138 НТ, архив, 2000.

21. Козловский А.Е., Козлов А.В. Бурение скважины с промывочной пеной 9основные теории эксперимента) М., 1999 - 114 С.

22. Соловьев Н.В., Чихошкин В.Ф., Богданов Р.К., Занора А.П. Ресурсообогащаяся технология алмазного бурения в сложных геологических условиях. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 1997.

23. Коган Д.И., Веселов В.Ф., Арифулин С.А., Минашкин A.M. некоторые особенности технологии бурения скважин с непрерывным пневмотранспортом выбуренной породы в многомерзлых россыпях. Л.: ВИТР, 1986.

24. Кардыш В.Г., Никифоров И.Г., Смирнов О.В. Совершенствование и разработка бурового инструмента. Л.: ВИТР, 1986.

25. Горшков Л.К., Кирсанов А.И. Особенности технологии алмазного бурения с пеной. В кн.: разработка и применение новых технологических средств при геологоразведочном бурении. - М. ВПО «Союзгеотехника», 1984.

26. Слюсарев НИ., Козловский А.Е., Лоскутов Ю.Н. технология и техника бурения геологоразведочных скважин с промывочной пеной.-СПб.: недра, 1996.

27. Козловский А.Е., Слюсарев Н.И. Исследование устойчивости пенных промывочных систем. В кн.: Совершенствование технологических средств ССК и повышение эффективности их внедрения. Л.: ВИТР, 1987.

28. Руководство по эксплуатации комплекса Технических средств КГК-200. Архив СКБ «Геотехника», 2000.

29. Руководство по эксплуатации КГ-100.Архив СКБ «Геотехника», 2000.

30. Яковлев A.M., Коваленко В.Н. бурение скважин с пеной на твердые полезные ископаемые. Л.: Недра, 1987.

31. Соловьев Н.В. Промывка скважин жидкостями с поверхностно активными антифрикционными и полимерными добавками. Уч. пособие. М.: МГРИ, 1993.

32. Отчет по теме 3.1.32. Исследование рабочих процессов гидроударных машин, уточнение методики их расчета и определение рациональных параметров машин. Архив, 1970.

33. Яковлев A.M., Коваленко В.И. Бурение скважин с пеной на твердые полезные ископаемые. Л.: Недра, 1987.

34. Граф Л.Э., Киселев А.Т., Монеткин В.А. и др. Временная инструкция по гидроударному бурению. Архив СКБ.

35. Дроздовский А.Б., Райкин В.Л., Мурзаков Б.В. Исследование процесса бурения скважин с гидротранспортом керна. Сб. научных трудов СКБ ВПО «Союзгеотехника» М., 1983. - с.36-50.

36. Кузьмин И.В. Твердосплавные коронки для бурения с гидротранспортом керна. Сб. научных трудов СКБ ВПО «Союзгеотехника»/ВИТР Л., 1985, - с. 18-21.

37. Кузнецов А.В. Обеспечение внутренней циркуляции при бурении с гидротранспортированием породы по двойной колонне. Сб. научных трудов СКБ ВПО «Союзгеотехника»/ВИТР Л., 1986 -с.105-111.

38. Мельник Э.Д., Пешков А.Н., Кузнецов А.В. Буровой инструмент для КГК-100. Разведка и охрана недр. 1986. - № 3. - с.27-30.

39. Цой В.В. Вопросы динамики гидроударных буровых машин. Диссертация. Институт механики АН УССР, Киев, 1969.

40. A.T.Kiselev and Ju.A.Melamed "Hydraulic Percussion Hammers1'. Former-USSR RZD on Advanced Drilling Motors, Maurer Engineering Inc., Part 8, chapter 8.1.

41. Ju.A.Melamed, A.T.Kiselev, M.Gelfgat, D.Dreesen, Ja.Blasic "Hydraulic Hammer Drilling Technology: Developments and Capabilities".