Разработка составов и регулирование свойств промывочных жидкостей для бурения геологоразведочных скважин в слабосвязных породах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.14, кандидат технических наук Блинов, Павел Александрович

• Блинов, Павел Александрович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Блинов, Павел Александрович

Введение.

Глава 1. Особенности бурения скважин в интервалах залегания слабосвязных и несвязных пород.

1.1. Геологические условия залегания слабосвязных горных пород и их свойства.

1.2. Анализ методов бурения слабосвязных пород.

1.3. Анализ промывочных жидкостей используемых при бурении слабосвязных и несвязных пород.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Разработка методики исследования.

2.1. Структурообразующие процессы закрепления слабосвязных горных пород.

2.2. Методика определения свойств промывочной жидкости

2.3. Методы определения физико-механических характеристик несвязных горных пород.

2.4. Метод исследования в условиях скважины.

2.5. Методика обработки результатов эксперимента.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования.

3.1. Исследование свойств промывочной жидкости.

3.2. Определение пластической прочности.

3.3. Определение механических характеристик на срезном приборе

3.4. Экспресс-метод определения крепящих свойств промывочных жидкостей.

3.5. Исследования на экспериментальном стенде.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Технико-экономическая оценка и экологическая безопасность промывочных жидкостей при бурении слабосвязных горных пород.

4.1. Результаты экспериментально-промышленных испытаний рецептур промывочных жидкостей. Технико-экономическая оценка.

4.2. Влияние разработанных промывочных жидкостей на окружающую среду.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка составов и регулирование свойств промывочных жидкостей для бурения геологоразведочных скважин в слабосвязных породах»

Результаты бурения геологоразведочных скважин и, как следствие, динамика прироста запасов полезных ископаемых, во многом зависят от эффективности проходки бурением интервалов скважин, представленных толщей слабосвязных и несвязных горных пород.

При бурении геологоразведочных скважин традиционными способами в слабосвязных и несвязных породах, представленных песками, валунно-галечными и моренными отложениями происходит сужение и обрушение ствола скважины, что приводит к прихватам бурового инструмента, перебурке уже пройденных интервалов и обуславливает усложнение конструкций скважин, увеличение металлоемкости за счет постановки дополнительных обсадных колонн и удорожание процесса бурения.

В настоящее время эта проблема решается либо путем создания технических средств и технологий бурения с одновременным креплением ствола скважины колонной обсадных труб, либо за счет разработки специальных составов промывочной жидкости, способной за счет своих крепящих свойств удерживать ствол скважины в устойчивом состоянии. Применение специальных составов промывочных жидкостей является неотъемлемой частью первого способа и по экономическим и технологическим параметрам более выгодно.

Исследованием проблемы беструбного крепления скважин при проходке неустойчивых интервалов скважин в разное время занимались следующие ученые и специалисты в области бурения: A.M. Яковлев, Б.Б. Кудряшов, Л.К. Горшков, B.C. Литвиненко, Н.И. Николаев, A.M. Жуков, А.С. Коржуев, В.А. Никишин, Н.К. Липатов, Л.А. Терещенко, В.Г. Поротов, Э.А. Бочко, Л.М. Ивачев, А.П. Руденко, М.К. Раскопин, М. Роберте, М.У. Шаусманов, Ю.А. Нифонтов, Н.И. Герасименко, С.Н. Смагин и др.

Таким образом, в интервалах залегания слабосвязных и несвязных горных пород особую актуальность приобретает решение проблемы их проходки без дополнительного крепления обсадными трубами.

Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что исследования выполнялись в соответствии с планом НИР кафедры технологии и техники бурения скважин Санкт-Петербургского государственного горного института, выполняемых за счет госбюджетных ассигнований.

Целью работы является повышение эффективности проходки толщи слбосвязных горных пород при бурении геологоразведочных скважин.

Идея работы заключается в создании условий для формирования зоны консолидации в толще несвязных горных пород приствольной зоны геологоразведочной скважины за счет проникающего и структурообразующего воздействия адгезивов.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

• Изучение механических свойств несвязных пород, влияющих на устойчивость ствола скважины;

• Разработка и обоснование экспресс-метода, позволяющего определять крепящие свойства промывочной жидкости по величине относительной продольной деформации;

• Исследование механических свойств несвязных пород, обработанных промывочной жидкостью;

• Исследование механизма структурообразования толщи несвязных горных пород в приствольной зоне геологоразведочной скважины при проникающем воздействии промывочных жидкостей, обогащенных адгезивами;

• Определение параметров промывочной жидкости, влияющих на механические свойства несвязных пород.

Методика исследований включает в себя комплекс теоретических, экспериментальных и стендовых исследований с использованием как стандартных, так и специально созданных методик, приборов и установок.

Планирование экспериментов и статистическая их обработка проводилась с использованием Г1К с помощью современного программного обеспечения.

Основные защищаемые положения.

1. Структурообразующие процессы закрепления слабосвязных горных пород методом холодной битумизации сопровождаются возникновением новообразований, представленных первичными и вторичными субстрат-связующими комплексами, прочностные показатели которых зависят от физико-химических свойств субстрата (зерен горных пород), типа адгезивов и условий их применения.

2. Крепящие свойства промывочных жидкостей, используемых при бурении геологоразведочных скважин в интервалах залегания несвязных пород, могут быть выражены величиной относительной продольной деформации (е — Ah/H) образцов горной породы и достоверно определяются экспресс-методом непосредственно на буровой.

3. При бурении несвязных горных пород временная устойчивость ствола скважины может быть обеспечена за счет использования в качестве промывочной жидкости глинобитумных растворов на основе омыленного талового пека (ОТП).

Основные научные результаты, полученные лично автором:

• анализ современного состояния проблемы бурения толщи несвязных горных пород, позволивший сформулировать цель и задачи исследований;

• методика исследований крепящих свойств промывочных жидкостей;

• результаты исследований механизма структурообразования консолидированных массивов в толще несвязных горных пород приствольной зоны геологоразведочной скважины;

• экспресс-методика определения крепящих свойств промывочных жидкостей;

• установление закономерности проникновения различных типов промывочной жидкости в приствольной зоне толщи несвязных горных пород;

• разработка оптимальной рецептуры промывочной жидкости для проходки толщи несвязных горных пород.

Научная новизна работы заключается в установлении закономерности консолидирующего воздействия промывочной жидкости на состояние стенок ствола скважины и механизма структурообразования консолидированных массивов в толще несвязных горных пород.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций определяются современным уровнем теоретических и экспериментальных исследований, высокой степенью сходимости их результатов и многократной воспроизводимостью полученных данных при последующих исследованиях.

Реализация результатов работы. Результаты исследований реализованы в виде экспресс-методики и макета прибора для экспресс-исследований крепящих свойств промывочных жидкостей, которые могут быть рекомендованы для практического использования в производственных геологических предприятиях, ведущих буровые работы. Результаты исследований используются при чтении лекций и при проведении лабораторных занятий для студентов специальностей 080700 и 090800 по дисциплинам "Буровые промывочные и тампонажные растворы", "Бурение нефтяных и газовых скважин", "Бурение скважин на нефть и газ", "Заканчивание скважин", "Осложнения и аварии при бурении". Материалы исследований использованы при подготовке учебного пособия "Буровые промывочные жидкости".

Практическая значимость работы.

1. Разработка экспресс-метода для определения крепящих свойств промывочных жидкостей;

2. Создание оригинальной конструкции стенда для визуального наблюдения и оценки результатов экспериментов;

3. Разработка рекомендаций по применению ОТП при бурении несвязных пород.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на конференциях молодых ученых СПГГИ (ТУ) 2001, 2002 и 2003 гг.; международной конференции Streszczenia referatow XIV miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna, Zakopane (Польша), 2003 г.; на заседаниях кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в т.ч. одно учебное пособие.

Заключение диссертации по теме «Технология и техника геологоразведочных работ», Блинов, Павел Александрович

Выводы по главе 4

1. На основе производственных данных бурения скважин на Воркутском угольном месторождении оценен экономический эффект от использования ОТП в качестве добавки к промывочным жидкостям. Относительный экономический эффект от использования ОТГ1 составил 29% на 1 м бурения, крепления и извлечения обсадных труб в интервалах слабосвязных пород. Фактический экономический эффект от использования ОТП составил 1050 руб. на 1м бурения, крепления и извлечения обсадных труб в интервалах слабосвязных пород.

2. Оценена экологическая безопасность применения разработанных рецептур промывочных жидкостей. ОТП относится к IV классу опасности (малоопасные вещества).

141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований предложен способ решения проблемы бурения несвязных горных пород посредством использования специальных промывочных жидкостей, обладающих высоким уровнем крепящих свойств. При этом:

1. Установлено, что оценка крепящих свойств буровых растворов для бурения несвязных пород может быть достоверно выполнена при помощи обобщенного критерия, характеризуемого показателями их прочностных свойств - пластической прочностью и углом внутреннего трения.

2. Экспериментально доказано наличие консолидирующего воздействия адгезионных промывочных жидкостей на основе ОТП на формирование ствола скважины и приствольной зоны несвязных пород, характеризуемое увеличением их пластической прочности и коэффициента продольной деформации на 30-38 %.

3. Разработана и подтверждена, стандартными лабораторными методами, экспресс - методика определения крепящих свойств бурового раствора, основанная на сравнении величин продольной деформации образцов системы: горная порода - буровой раствор.

4. Установлен механизм структурообразования консолидированных массивов в толще несвязных горных пород приствольной зоны скважины, который представляет собой комплекс новообразований, мощность которых зависит от глубины проникновения промывочной жидкости и интенсивности адсорбции адгезива на поверхности поровых каналов.

5. Установлена закономерность распространения промывочной жидкости в толще несвязных горных пород приствольной зоны скважин.

6. Разработана конструкция лабораторного стенда для исследования крепящих свойств бурового раствора моделированием условий буровой скважины. Изготовлен экспериментальный экземпляр.

7. Разработана и апробирована (в экспериментальных условиях) рецептура бурового раствора на основе ОТП для бурения несвязных пород.

8. В результате экспериментальных исследований установлено, что использование разработанного глинобитумного раствора на основе ОТП обеспечивает увеличение устойчивости толщи несвязных пород на 37 %.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Блинов, Павел Александрович, 2003 год

1. Аветисян Н.Г. Выбор типа бурового раствора для бурения в неустойчивых породах. Обзор, информ. Сер. Бурение. - М.: ВНИИОЭНГ, 1983.

2. Агабальянц Э.Г. Промывочные жидкости для осложненных условий бурения. М., Недра, 1982, 184 с.

3. Анализ и классификация методов и технических средств для бурения скважин в четвертичных отложениях/ Сборник трудов молодых учёных СПГГИ(ТУ)/СПГГИ, СПб, 1999. Вып. 5, С. 84-87.

4. Ангенопуло O.K., Подгорнов В.М., Аваков В.Э. Буровые растворы для осложненных условий. М.: Недра, 1988. - 135 с.

5. Афанасьев И.С., Дроздик В.Д., Жабрев В.Ф. Техника и технология буровых работ в Финляндии,- Техн. и технол. геол.-развед. работ; орг. пр-ва: Обзор/ВИЭМС, 1980.

6. Ахмадеев Р.Г., Данюшевский B.C. Химия промывочных и тампонажных жидкостей. М.: Недра, 1981.

7. Балаба В.И. Об оценке экологического риска использования нетоварных веществ в бурении // Нефтяное хозяйство. 2000. - №7. - С. 81-83.

8. Балаба В.П., Колесов А.И. Оценка экологической безопасности веществ, используемых в бурении // Газовая промышленность. 1998. - №11. — С. 48-51.

9. Басарыгин Ю.М., Булатов А.И., Проселков Ю.М. Осложнения и аварии при бурении нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 2000.

10. Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К., Тунгусов А.А. Устранение аномального износа алмазных импрегнированных коронок. // В. сб.: Синтетические сверхтвёрдые материалы в буровом инструменте.-Киев, ИСМ АН УССР, 1988.

11. I. Биогеохимические основы экологического нормирования / В.Н. Башкин и др. М.: Наука, 1993. - 230с.

12. Блинов Г.А., Гореликов В.Г. Методы, технические средства и технология бурения скважинс с одновременным креплением ствола обсадными трубами. М., 1993.-С.33 (Техн.,технол. и орг. геол.-развед. работ: Обзор/В ИЭМС.МГП "Геоинформмарк").

13. Блинов Г.А., Гореликов В.Г., Гореликов Н.Н. Испытания комплекса технических средств НКС-93 для бурения скважин с одновременной обсадкой,- В сб: Методика и техника разведки, №7(145).-СПб.: ВИТР, 1996.

14. Бородай А., Левин В. Природосберегающие технологии при строительстве скважин // Бурение. Специальное приложение к журналу «Нефть и капитал». 2001. - №2. - С. 91-96.

15. Бочко Э.А. О влиянии микростроения искуственно закрепленных грунтов на их физико-механические свойства. В кн.: Новые способы строительства и гидравлика гидротехнических сооружений. М., 1976.

16. Бочко Э.А., Никишин В.А., Упрочнение неустойчивых горных пород при бурении скважин. М., Недра, 1979, 168 с.

17. Булатов А.И., Проселков Ю.М., Рябченко В.И. Технология промывки скважин,- М.: Недра, 1981, 301 с.

18. Буровые промывочные жидкости и тампонажные смеси: Методические указания к лабораторным работам f Санкт-Петербургский горный ин-т, Сост.: Николаев Н.И., Цыгельнюк Е.Ю. СПб, 2000, 32 с.

19. Буровые промывочные жидкости: Учеб. пособие / Н.И. Николаев, Ю.А. Нифонтов, П.А. Блинов. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб, 2002.

20. Войтенко B.C. Механизм формирования напряженно-деформированного состояния горных пород около скважины. В кн. Оптимизация и совершенствование технологии бурения и испытания поисковых и разведочных скважин. - М.: ВНИГРИ, 1984.

21. Войтенко B.C. Прикладная геомеханика в бурении. М.: Недра, 1990.

22. Воркутский угленосный геолого-промышленный район: структура запасов и направления комплексного освоения. Сыктывкар, 1994 . - 272 с.

23. Гончарова Л.В. Основы искусственного улучшения грунтов. М., изд-во МГУ, 1973.

24. Гореликов В.Г., Казика В.Ф. Алмазный породоразрушающий инструмент. А.с. СССР №1182148 кл. Е21в10/60,1984.

25. Городнов В.Д. Буровые растворы: Учебник для техникумов. М.: Недра, 1985.

26. Городнов В.Д. Физико-химические методы предупреждения осложнений в бурении. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1984.

27. Горькова И.М. Структурные и деформационные особенности осадочных пород. Наука, 1965.

28. Грей Дж. Р., Дарли Г.С.Г. Состав и свойства буровых агентов (промывочных жидкостей) / Пер. с англ. М.: Недра, 1985, 509 с.

29. Данюшевский B.C., Алиев P.M., Толстых И.Ф. Справочное руководство по тампонажным материалам,- М.: Недра, 1987, 373 с.

30. Заливин В.Г., Кудрин О.В. Новая смазочная добавка ОТП к промывочным жидкостям для районов Восточной Сибири. В сб.: Совершенствование и внедрение технологии промывки и тампонирования скважин в условиях Восточной Сибири и Крайнего Севера. Л., ВИТР, 1987.

31. Зарипов С.З. Лабораторный контроль при бурении нефтяных и газовых скважин. М., Недра, 1977, 192 с.

32. Ивачев Л.М. Промывочные жидкости и тампонажные смеси. Учебник для вузов. М., Недра, 1987.

33. Инженерная геология. Инженерная петрология. Ломтадзе В.Д. J1., "Недра", 1970.

34. Калинин А.Г., Ошкордин О.В., Питерский В.М., Соловьев Н.В. Разведочное бурение: Учеб. для вузов. М.: ООО "Недра-Бизнесцентр", 2000.

35. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов.-М: Недра, 1972, 392 с.

36. Кудряшов Б.Б., Яковлев A.M. Бурение скважин в осложненных условиях: Учеб. Пособие для вузов. М.: Недра, 1987.

37. Ламбин А.И., Федоров В.В., Бронникова Т.П., Страбыкин И.Н. Промывочные жидкости на основе шлам-лигнина для бурения в осложненных условиях. В сб. Совершенствование технических средств и технологии промывки и крепления скважин. Л., ВИТР, 1985, с. 29-33.

38. Ломтадзе В.Д. Методы лабораторных исследований физико-механических свойств песчаных и глинистых грунтов. Госгеолиздат,1952.

39. Магомедов М.З., Орлов А.В. Буровые растворы для бурения в неустойчивых горных породах. Обзор, информ. Сер. Бурение. М.: ВНИИЭНГ, 1981.

40. Мендюк И.М., Марасанова Л.К., Попова Е.В. Исследование ингибирующих свойств некоторых остаточных продуктов. В сб.: Совершенствование и внедрение технологии промывки и тампонирования скважин в условиях Восточной Сибири и Крайнего Севера. Л., ВИТР, 1987.

41. Методика поисков и разведки угольных месторождений Печорского бассейна / М-во геол. СССР, Полярно-Урал. Произв. Геол. Объединение. Под ред. И.и. Молчанова М., Недра, 1981. -260 с.

42. Методы научных исследований и организации эксперимента: Учеб. пособие / К.П. Власов; Санкт-Петербургский горный ин-т. СПб, 2000.

43. Михайлов Н.И. Изменение физических свойств горных пород в околоскважинных зонах. М.: Недра, 1987.

44. Нифонтов Ю.А., Нифонтова Т.И. Избирательное разрушение отвальных масс в отвалах угледобывающих предприятий Севера / Сборник трудов научно-практической конференции "Неделя горняка", МГГУ, Москва, 2629 января 1999 г., 3 с.

45. Нифонтов Ю.А., Семенко Н.Ф. Регулирование свойств буровых растворов при бурении геологоразведочных и поисковых скважин на месторождениях Печорского бассейна // материалы XXIX Научно-технической конференции, ВЗПИ, М., 8-9 апреля 1986, 5 С.

46. О методике определения крепящих свойств промывочной жидкости для бурения слабосвязных пород/ "Полезные ископаемые России и их освоение" в сб. Записки горного института, СПб, Т. 152, С. 18-20.

47. Опыт применения специальных промывочных жидкостей при брении скважин в осложненных условиях на Воркутском угольном месторождении / Народное хозяйство республики Коми, Город в Заполярье. Проблемы и решения, материалы конф. ВГИ СПГГИ (ТУ),

48. Т. 12, номер 4, 2003 г., Воркута-Ухта-Сыктывкар, 6 с. (соавторы: Нифонтов Ю.А., Герасименко Н.И.).

49. Перечень предельно-допустимых концентраций и ориентировочно безопасных уровней воздействия вредных веществ для воды рыбохозяйственных водоемов. -М.: ТОО «Мединор», 1995. 200с.

50. Ползучесть осадочных горных пород. Теория и эксперимент/ Ж.С. Ержанов, А.С. Сагинов и др. Алма-Ата, Наука, 1970.

51. Применение сополимеров карбоновых кислот при бурении нефтяных и газовых скважин/ Streszczenia referatow XIV miedzynarodowa konferencja naukowo-techniczna, Zakopane, 11-13 czerwca, 2003, C. 53, (соавторы: Николаев Н.И., Нифонтов Ю.А., Тойб P.P.).

52. Проходка моренных отложений с одновременным креплением колонной обсадных труб/ Науков1 пращ ДонДТУ. Сер1я прничо-геолопчна. Випуск 24/ Редкол.: Башков Э.О. (голова) та шш. Донецьк, ДонДТУ, 2001, С. 912, (соавторы: Гореликов В.Г., Яковлев A.M.).

53. Рабинович Н.Р. Инженерные задачи механики сплошной среды в бурении. М.: Недра, 1989.

54. РД 5753490-006-98. Технологический регламент на проектирование и строительство нефтяных скважин (буровые растворы). Тюмень, 1998, 35 с.

55. Ребиндер П.А. Физико-химические основы современных методов закрепления грунтов. В кн.: Пленарные доклады и решения 6-го Всесоюзного совещания по закреплению и уплотнению грунтов. М., 1970.

56. Резниченко И.Н. Приготовление, обработка и очистка буровых растворов.-М.: Недра, 1982, 230 с.

57. Рябченко В.И. Управление свойствами буровых растворов.- М.: Недра, 1990, 230 с.

58. Справочник инженера по бурению геологоразведочных скважин. Под. общ. ред. проф. Е.А. Козловского, т. 1. -М.: Недра, 1984.

59. Справочник физических констант горных пород/ Под ред. С.Кларка. М., Мир,1969.

60. Стандарт Акционерного общества. Сборник методик контроля параметров буровых и тампонажных растворов. СТП 103-99. Тюмень, 1999, 51 с.

61. Технология и техника разведочного бурения. Учебник для вузов/ Ф.А. Шамшев, С.Н. Тараканов, Б.Б. Кудряшов и др. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Недра, 1983.

62. Титков Н.И., Коржуев А.С., Бочко Э.А. Глинисто-битумные буровые растворы. Бурение, 1966.

63. Токунов В.И., Хейфец И.Б. Гидрофобно-эмульсионные буровые растворы. М., Недра, 1983, 167 с.

64. Чубик П.С. Квалиметрия буровых промывочных жидкостей Томск, Изд,-во НТЛ, 1999, 300 с.

65. Электрическая природа осложнений в скважинах и борьба с ними/ А.С. Серяков, J1.K. Мухин, В.З. Лубан и др. М.: Недра, 1980.

66. Яковлев A.M. Глинистые растворы и способы их приготовления при бурении геологоразведочных скважин. В кн.: Техника и технологиягеологоразведочных работ. Организация производства М.: ВИЭМС, 1980.

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

68. Яковлев A.M., Литвиненко B.C., Коваленко В.И. и др. Экологизация промывки при бурении скважин. СПб, СПбГГИ (ТУ) 1994.

69. Яковлев A.M., Николаев Н.И. Очистные агенты и оперативное тампонирование скважин. Учебное пособие. СПб, СПбГГИ (ТУ), 1990.