Автореферат Сушко С.М.


           

 

УДК  622.243.273                                                                     На правах рукописи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СУШКО  СЕРГЕЙ  МИХАЙЛОВИЧ

 

 

 

 

 

 

Совершенствование технических средств и технологии расширения призабойной зоны при сооружении геотехнологических скважин

 

 

 

 

 

 

 

Автореферат

 

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

05.05.06 – Горные машины

 

 

 

 

 

Республика Казахстан

Алматы, 2009

 

         Работа выполнена в Казахском Национальном Техническом университете имени К.И.Сатпаева

 

 

Научный руководитель

кандидат технических наук,

доцент

Касенов А.К.

 

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор ШамсутдиновМ.М.

кандидат технических наук,

доцент

Соловьев А.И.

 

 

 

Ведущая организация

Институт горного дела          им. Д.А.Кунаева

 

         Защита состоится «30»   июня   2009 года в 1400  часов на заседании диссертационного совета Д 14.61.23 в Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева в конференц – зале НК   по адресу: 050013, г.Алматы, ул.Сатпаева 22а, телефон: 2-57-71-56

 

         Отзывы на автореферат диссертации можно направить по факсу (7272       92-48-42)

 

         С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КазНТУ имени К.И.Сатпаева по адресу: 050013,г.Алматы, ул.Сатпаева, 22, ГМК.

 

 

 

 

         Автореферат разослан «___»_____________2009 года  

 

 

 

 

 

 

 

Ученый секретарь

Диссертационного совета

 

 

                                Столповских И.Н.

 

ВВЕДЕНИЕ

           Актуальность проблемы. Наряду с углеводородным сырьем  уран является важнейшим энергетическим минеральным  ресурсом Республики Казахстан. Состояние урановой отрасли сильно влияет на экономическое положение страны. 

           Подземное выщелачивание урановых руд представляет собой наиболее прогрессивный, экономичный, безопасный и экологичный способ их добычи.             При этом способе выщелачивающий агент нагнетается в закачную скважину и он, двигаясь по руде и обогащаясь в процессе этого движения урановым сырьем доходит до откачной скважины, затем по ней поднимается на другую поверхность.

Производительность приемной скважины растет с ростом  увеличения диаметра приемной части, т. е. диаметра ствола в  интервале вскрытия рудного пласта. С другой стороны стоимость скважины возрастает с ее диаметром, вследствие чего  для удешевления работ  стремятся сохранять диаметр скважины в целом минимально необходимым, при максимальном диаметре приемной части. Таким образом, изыскания, направленные на решение проблемы расширения призабойной (т. е. приемной) части ствола скважины путем разработки лопастного расширителя вставного типа с целью создания каверны для последующего размещения гравийной обсыпки фильтра являются актуальными и представляют собой важную народно-хозяйственную задачу. Экономичному и качественному решению этой проблемы и посвящена настоящая работа.

           Цель работы состоит в разработке эффективной  конструкции расширителя технологических скважин, обеспечивающей образование полостей необходимых размеров для создания гравийных фильтров.

           Идея работы заключается в использовании лопастного расширителя вставного типа, обеспечивающего  эффективное управляемое расширением технологических скважин возвратно-поступательным движением.

         Задачи работы:

- изучение современного состояния проблемы расширения геотехнологических скважин и выбор на его основе наиболее перспективного типа расширителя;

- теоретические и экспериментальные исследования по выявлению эффективности работы расширителя вставного типа;

- совершенствование конструкции расширителя на основе теоретических и экспериментальных исследований;

- оценка экономической эффективности и результаты испытаний разработанной конструкции расширителя в производственных условиях.

           Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовался комплексный метод исследований, включающий анализ и научное обобщение научно-технической информации, теоретические и экспериментальные  исследования на специальном стенде с проверкой результатов в производственных условиях, конструкторские разработки, методы математической статистики для обработки результатов экспериментов.

           Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

           1. Минимальная удельная энергоемкость  откалывания кольцевого уступа, примыкающего к пилотной скважине для расширения последней, предопределяется рациональным расстоянием от первого ряда резцов расширителя до границы кольцевого уступа. Искомое расстояние прямо пропорционально общему расходу энергии, обратно пропорционально поверхностной энергии трещинооброзования и находится в определенной функциональной зависимости от кривизны поверхности.

          2. Наиболее рациональной схемой расположения резцов на лопастях расширителя является целиковая с самоскалыванием целика между соседними кольцевыми резцами, при этом для реализации самоскалывания целика породы расстояние между осями смежных резцов должно быть меньше или равно сумме глубины резания и ширины резца.

          3. Результирующая сила,  приложенная к резцам расширителя определяется толщиной снимаемого слоя породы, коэффициентом трения на границе «резец-порода», величиной площадки износа резца, контактирующей с породой, и сопротивлением породы на срез и растяжение.

         4. Обоснованы геометрические параметры лопастного расширителя возвратно-поступательным движением.

          Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждается использованием апробированных методик проведения экспериментов, методов математического моделирования, проверкой результатов теоретических и экспериментальных исследований в производственных условиях с удовлетворительной их сходимостью.      

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

           1.Установлены закономерности формирования каверны возвратно-поступательным движением расширителя и предложена методика обоснования параметров расширения скважины;

          2.Разработана методика расчета геометрических (рабочих) параметров лопастного расширителя, обеспечивающего управляемое образование каверны любого размера в технологической скважине;

          3. Разработана конструкция лопастного расширителя вставного типа, отличающаяся тем, что поршень снабжен возвратной пружиной и имеет калиброванный канал для создания над поршнем избыточного давления промывочной жидкости, а в центральном канале поршня установлен обратный клапан и защищен патентом РК.

         Практическое значение работы состоит в:

         – создании конструкции вставного расширителя лопастного типа для расширения технологических скважин возвратно-поступательным движением;

         – разработке методики расчета и обосновании геометрических параметров вставного расширителя лопастного типа;

        – разработке конструкции испытательного стенда для проведения комплексных исследований по установлению целесообразных геометрических параметров расширителей технологических скважин.

           Реализация выводов и рекомендаций работы.

Разработанные по результатам исследований рекомендации реализованы в следующих формах: 

– методика расчета конструктивных параметров вставных расширителей лопастного типа приняты к использованию в АО «Волковгеология»;

– предложенная конструкция вставного расширителя лопастного типа внедрена на предприятиях НАК «Казатомпром» с экономическим эффектом 21,14млн. тенге в год.

           Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались на различных международных конференциях: вторая международная научно-практическая конференция, посвященная 15-летию независимости Казахстана (Алматы, 2006); IV международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы урановой промышленности»(Алматы, 2004); научно-теоретическая конференция, посвященная 70-летию КазНТУ имени  К.И. Сатпаева (Алматы, 2004); научно-практическая конференция в КазНТУ им. К.И. Сатпаева (Алматы, 2005); научно-теоретическая конференция, посвященная проблемам сооружения геотехнологических скважин (Канада, 2003).

             Публикации. По теме диссертации  опубликовано 32 печатных работ, в т. ч. 27авторских свидетельств и патентов Республики Казахстан.

           Диссертационная работа выполнена в КазНТУ им. К.И. Сатпаева в соответствии с координационным планом НИР и ОКР НАК “Казатомпром” по проблеме №7 “Исследование и разработка эффективных методов сооружения геотехнологических скважин”

           Объем и структура  работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, общих выводов и рекомендаций, изложена на 129 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 12 таблиц, список литературы, включающий 116 наименований, и приложения.

 

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

 

           Глава 1 – Анализ современного состояния вопроса

           Казахстан обладает огромными запасами уранового сырья. Постановлением Правительства Республики Казахстан на ближайшие 3–5 лет предусмотрено 5-кратное увеличение добычи урановых руд.

          Наиболее перспективным способом  разведки и добычи этого сырья является способ подземного выщелачивания. Через закачную скважину в пласт урановой руды нагнетается кислота. Кислота растворяет руду, и далее, урановая руда в жидком виде через откачную скважину  выдается на поверхность. Данный метод позволяет экономить на  сооружении дорогостоящих горных выработок, а главное, обеспечивает добычу урановой руды без непосредственного контакта с ней человека.

          Количество и качество добываемой через откачную скважину руды зависит от приемной части скважины. Работа расположенного там фильтра существенно улучшается, если фильтровая труба оснащается снаружи гравийной обсыпкой. Толщина гравийного слоя не должна  быть менее 50 мм, что требует увеличения диаметра скважины на 100 мм.  Но увеличение диаметра скважины в целом на такую величину привело бы к резкому возрастанию расходов. Преодоление противоречия возможно путем решения технически сложной проблемы расширения одной только приемной части ствола скважины.

           Изложенная проблема исследовалась в работах многих исследователей и, в частности, Д. П. Лобанова, Н. Г., Малухина, Л. И. Водолазова, В. Л. Небера,   С.В. Маркелова, Д. Н. Башкатова, Н.В. Соловьева, И. А. Сергиенко, А. Ф. Мосева, Э. А. Бочко, М. К. Пименова, В. Ж. Аренса, Д. Н. Шлака, Б. В. Федорова, А. К. Касенова. Единого оптимального решения проблемы,
пригодного для всех горно-геологических условий, и, в частности, для условий  АО “Волковгеология”, упомянутыми работами найдено не было.

           Призабойная каверна обычно создается путем расширения уже пробуренного ствола.   Был выполнен патентный поиск с анализом большого числа расширителей–отечественных, российских, советских, запатентованных в дальнем зарубежье.

           В АО “Волковгеология” для расширения ствола использовался снаряд, представляющий собой спускаемую на бурильной колонне массивную трубу, армированную по наружной поверхности резцами.  Снаряд приводится во вращение, причем центробежные силы прижимали резцы к стенкам скважины, чем обеспечивали ее расширение. “Центробежный” метод  отличался  простотой, а соответствующий снаряд – невысокой стоимостью. Такой технологии присущи недостатки. Это  низкая скорость расширения, зависимость диаметра расширения от крепости пород, его непостоянство по длине каверны.

 

                  а)

                              б)

           Рисунок 1-Требуемая “идеальная” форма каверны и кавернограмма, полученная  с помощью  “центробежной ” технологии

         На рисунке 1а представлена требуемая форма каверны, а на рисунке 1б представлена кавернограмма скважины, полученная по «центробежной» технологии.

           Глава 2 – Теоретические исследования по созданию устройств для расширения приемной части скважины

            На основе  патентного анализа были систематизированы технические средства и была выбрана конструкция расширителя вставного типа для ее дальнейшего совершенствования

На рисунке 2 приведена схема  лопастного расширителя, принятая за основу.

           1 – корпус, 2 – ось, 3 –  лопасть, 4 – пружина, 5 – поршень, 6 – переходник, q – перепад давления  на проходном канале поршня, G – сила давления на поршень, R – сила давления лопасти на стенку скважины

Рисунок 2-Схема лопастного расширителя  вставного типа

         

При проходе промывочной жидкости  сквозь канал поршня возникает сила G, принуждающая поршень двигаться вниз и раздвигать лопасти расширителя до момента касания стенки скважины и начала ее расширения.  Эта сила уравновешивается силой сопротивлением пружины и равнодействующей  R сил, действующих на стенки скважины, т.е:

 

                                 ,                                (1)

 

где   k – жесткость пружины, x – ее деформация,  – угол между гранью лопасти, на которую нажимает поршень, и  вертикалью, отсюда:

 

                                        ,Н.                                             (2)

Лопасти находятся в равновесии (рисунок 3), если   равны нулю сумма  проекций сил на оси  х  и   y и суммы  их моментов относительно оси вращения лопастей, т.е:

                            

                     

                    

                                                                                                    (3)

      

                                          

 

                       N – нормальное давление поршня  на лопасть; t – плечо силы N относительно центра вращения лопасти, fN – сила трения между поршнем и лопастью (f –коэффициент трения “cталь по стали” – примерно 0.1 – 0.15), r – плечо силы трения, R – сила давления лопасти (ее резца) на стенку, L – плечо силы R,  Е – сила действующая на ось, m – число лопастей

Рисунок 3-Усилия, действующие на лопасть расширителя

            

Из уравнений (2), (3) вытекает:

 

                                , Н,                              (4)

            

                               ,  Н,                                                     (5)

 

                                ,Н,                                                                       (6)

          

                                                                                                (7)

 

           Уравнение зависимости действующей на резец силы  R  от глубины его внедрения h было составлено  С. С. Сулакшиным в виде:

 

                               ,  Н,                                                (8)

    

где  h – глубина внедрения армирующего расширитель резца, b – длина лезвия резца, Р – твердость породы стенки скважины по Л. А. Шрейнеру,  – угол приострения резца, f– коэффициент трения на контакте резец – порода  (f= 0.3 – 0.4)

          Из уравнений (4) и (8) выведена зависимость необходимого перепада давления q на отверстии поршня от  заданной величины внедрения h  резца лопасти в стенку скважины. Зависимость можно получить для пород различной буримости  ), при разной длине лезвия  b и   разных углах приострения   .

           С помощью компьютерной программы были рассчитаны различные варианты зависимости q = F(h) и выбраны наиболее выгодные конструктивные параметры расширителя  для условий расширения каверны в приемной части ходами снизу вверх и  сверху вниз.

           Затраты мощности на расширение скважины  (в кВт) определялись по формуле В. Г. Кардыша и  Б. В. Мурзакова:

 

                                  ,кВт,                   (9)

 

где К учитывает тип промывочной жидкости (1 для воды, 1.2 для глинистого раствора), К – форму забоя,  – коэффициент трения резца о породу, А –  Коэффициент, учитывающий расход мощности на единицу длины контакта лопасти с забоем (для пород VVI категорий А = 0.2) , – углубка в мм на 1оборот,  и  – соответственно диаметры после и до расширения в мм.  – осевая нагрузка в Н, n – частота в об/мин.

B – длина линии контакта резцов с породой

 

           Коэффициент                      ,                                                     (10)

 

где  m – число ступеней в конструкции расширителя.

          Формула (9) с учетом наиболее целесообразной схемы расположения резцов на рабочих  лопастях  3–х  лопастного расширителя была откорректирована в виде:

          ,кВт,                          (11)

 

где  b – длина лезвия резца в мм.  

              Глава 3 – Экспериментальные исследования технологических параметров лопастного расширителя

Экспериментальные исследования проводились на разработанном стенде, который был оснащен необходимыми контрольно-измерительными приборами.

           Целью экспериментов была проверка результатов, полученных аналитическим путем.  В частности, проверялась  зависимость необходимого перепада давления на поршне-толкателе от глубины внедрения резца расширителя при его воздействии на породу стенок скважины. Было установлено наличие явной корреляции экспериментальных данных с данными, полученными путем расчетов (расхождения составили 12,8÷17%).

Были также исследованы и сопоставлены с аналитическими данными экспериментальные зависимости расходуемой мощности от скорости расширения (рисунок 4).

 

1 – расширение ходом сверху-вниз до конечного диаметра;  2 – расширение ходом  снизу-вверх  до промежуточного диаметра;  3 – расширение ходом сверху-вниз до конечного диаметра; сплошная линия – теоретическая зависимость; прерывистая  линия - - - -  – экспериментальная зависимость.

           Рисунок 4-Зависимость мощности   на расширение скважины от скорости подачи расширителя  лопастного типа.

Исследовались  2 варианта расширения:

– движением расширителя сверху-вниз скважина сразу расширялась с 190 до 320 мм на всю заданную длину каверны;

–движением расширителя снизу-вверх скважина сначала расширялась с 190 мм до промежуточного диаметра 260  мм, а  затем  ходом вниз –  доводилась до окончательного диаметра 320 мм. 

Обоснованные теоретическим путем (формула (11)) выводы получили экспериментальное подтверждение.

          Было установлено, что создание каверны движением расширителя “сверху-вниз”  необходимого  диаметра  требует затрат мощности  в 2 раза больше и занимает в 1,5–1,7 раза больше времени по сравнению когда расширение осуществляется возвратно-поступательным движением.

          Она заключается в следующем:

- В ходе  теоретических исследований была разработана  методика обоснования основных конструктивных параметров  вставного расширителя

           - В соответствии с этой методикой было создано несколько конструкций, которые совершенствовались по результатам испытаний. Одна из последних конструкций приведена на рисунке 5.

1– корпус, 2 – лопасть, 3 – цилиндр, 4 – поршень, 5 – шток, 6 – пружина, 7 – кольцо регулировочное, 8 – обратный клапан,  9 – канал для жидкости, 10 – переходник, 11 – шайба-подшипниковая, 12 – палец, 13 – шплинт, 14 – манжета, 15 – проволока-фиксатор, 16 – отверстие, 17 – чехол, 18 – предохранительный стержень, 19 – перепускной канал

Рисунок 5-Конструкция расширителя

Перед спуском в скважину с помощью проволоки 15 (или чехла 17) лопасти 2 фиксируют в транспортном положении. Расширитель спускают в интервал расширения и включают буровой насос и вращение.  Вследствие перепада давления на канале 9 возникает сила . Она заставляет  поршень 4 опускаться, сжимая пружину 6 и воздействуя нижней фаской штока 5 на лопасти 2 (при этом проволока 15 разрывается).  Расходясь, лопасти доходят до стенок скважины. Теперь сила  уравновешивается не только противодействием пружины , но и силой сопротивления породы внедрению резцов R  (). При постоянных  подаче  насоса, размере канала 9 и площади поршня  4 сила  постоянна. Раздвигание лопастей прекращается, когда внутренние грани лопастей  займут положение, параллельное поверхности штока 5. В этот момент кольцевой вруб  достигает  заданного диаметра расширения. Далее подают осевую нагрузку и удлиняют каверну до заданных размеров.   В конце выключают насос,  пружина 6 возвращает поршень, а лопасти под действием  веса занимают транспортное положение.

           Опыты по установлению оптимальных параметров режима бурения при расширении скважин проводились по методу, разработанному Боксом и Уилсоном. В качестве критерия оптимизации была принята скорость бурения  , причем рассматривалась ее зависимость от трех  факторов:   – осевой нагрузки на расширитель, – частоты его вращения и  – расхода промывочной жидкости.  Для каждого параметра  устанавливался его интервал варьирования и далее для всех рассматривались их нормированные  значения

           Эксперимент  по выявлению значений начинался в окрестностях избранной по принципу близости к предполагаемому оптимуму нулевой точки (с координатами , ,).  Его цель – найти направление крутого восхождения к оптимуму (градиента). Факторы испытывались на двух уровнях (таблица 1):

                                             ,     или     = ±1,                              (12)

 

где при знаке  плюс получают верхний уровень , а при знаке минус – нижний

           

Таблица 1-Значения факторов в окрестностях нулевой точки

 

Факторы

Исходное

значение

     

Интервал варьиро-

вания   

Уровни   

Верхн.    (+1)

Нижн.

 (-1)

Осевая нагрузка  ,  Дан

600

200

800

400

Частота вращения , об/мин

124

50

174

74

Расход жидкости , л/мин

300

100

400

200

              

           Оптимизацию параметров режима проводили с использованием плана полного факторного эксперимента,  когда число составляющих опытов

 

                                                                ,                                                   (13)

 

где   – число факторов.  Т. к., эксперимент для трех параметров режима бурения , то при  = 3,   N = 8. План эксперимента дан в таблице 2.

По результатам эксперимента строилось  линейное уравнение регрессии вида:

                                                        ,                               (14)     

 

          где   – теоретическое (полученное по уравнению) значение скорости расширения; – нормированные    значения  трех факторов, а   – коэффициенты.  Уравнение геометрически представляет собой плоскостную модель поверхности откликов (скоростей расширения)  (согласно таблице 2).

          Значения коэффициентов уравнения  вычислялись в соответствии с методами  математической статистики. Их подстановка в уравнение (14) дает:

                                                                     (15)

 

Рассчитанные по этому уравнению  скорости    приведены в  таблице 2.        

Таблица 2-Результаты эксперимента в окрестностях нулевой точки

 

опы-

та

j

Факторы

Отклик   (скорость расширения, м/ч)

1-е 

повто

рение

2-е

повто-

рение

3-е

повто-

рение

Среднее

значение

y

Расчетн.

значение

y

1

+1

+1

+1

4.03

4.21

3.95

4.063

4.417

2

-1

+1

+1

2.71

2.98

2.65

2.780

2.583

3

+1

-1

+1

3.12

3.00

3.20

3.107

3.213

4

-1

-1

+1

1.51

1.73

1.69

1.643

1.649

5

+1

+1

-1

3.76

3.84

3.62

3.740

3.699

6

-1

+1

-1

1.87

1.94

2.13

1.980

2.135

7

+1

-1

-1

2.99

2.77

2.98

2.913

2.765

8

-1

-1

-1

1.01

1.23

1.26

1.167

1.201

 

 Полученная модель (15)  была подвергнута проверкам. Это были проверки:

           – неизменности условий эксперимента по критерию Кохрана.

           –адекватности модели истинному характеру поверхности           откликов по критерию Фишера.

           – значимости коэффициентов    по критерию Стьюдента.

           После того, как все статистические проверки дали удовлетворительный результат,  уравнение (15)  было использовано для  установления направления крутого восхождения к оптимуму.

          Результаты опытных работ по оптимизации режима расширения позволили в условиях пород  V категории буримости добиться увеличения  скорости расширения в 4,5 раза за счет расширения в два приема «снизу-вверх» и «сверху-вниз».

 

           Глава 4 – Опытно-промышленная оценка и экономическая эффективность разработанных технических средств

           Первая модификация расширителя была разработана еще в 2001 г. Производственные испытания выявили серьезные конструктивные недочеты: недостаточная ширина лопастей, приводившая к их деформации; малый размер промывочных каналов, приводивший к слишком высоким перепадам давления. Тем не менее, в целом была подтверждена эффективность выбранного направления, что дало основание для продолжения работы.

           С 2003 г после очередного совершенствования конструкции начат серийный выпуск расширителя в мастерских АО «Волковгеология».

          Однако дальнейшее совершенствование конструкции продолжалось и было оно направлено на обеспечение эффективной работы в  перемежающихся по крепости породах – в частности, при наличии в разрезе приемной части скважины галечников и песчаников (участок Акдала).  

           С 2004 г. все основные недостатки конструкции были устранены, и началось широкое  внедрение расширителя нового поколения, в результате которого получены следующие технико-экономические показатели.

            При средней длине каверны  15.1 м,  время расширения составило 3,4 ч, при средней механической скорости расширения 4,44м/ч. При расширении по старой “центробежной ” технологии средняя скорость была  всего лишь 0,93 м/ч,     т. е. новая технология дала рост производительности в 4,5 раза. Качество каверны резко улучшилось и (по данным каротажа) приблизилось к “ идеальному ” (рисунок 1а).

          Фактический экономический эффект от внедрения принятой конструкции расширителя составил 88100 тенге.

 

Заключение

Диссертация содержит новые научно обоснованные результаты по разработке породоразрушающих инструментов вставного типа для расширения участков стволов геотехнологических скважин, использование которых обеспечивает решение важной прикладной задачи. Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации заключаются в следующем:

1.     Систематизированы технические средства расширения скважин, позволившие объективно оценить их достоинства и недостатки, области их целесообразного применения, а также наметить направления их совершенствования.

2.     Установлено, что наиболее перспективным на настоящее время является использование разработанного породоразрушающего инструмента для расширения участков ствола скважины после прохождения пилот-скважины. Расширение скважин сплошным забоем в один прием без прохождения пилот-скважины является нецелесообразным в связи с недостаточной мощностью применяемых буровых установок.

3.     Разработана методика определения минимальной удельной энергоемкости при откалывании кольцевого уступа, примыкающего к пилот-скважине. Расстояние от первого ряда резцов расширителя, примыкающего к пилот-скважине, до края кольцевого уступа пропорционально общей энергии, обратно пропорционально поверхностной энергии трещинообразования и зависит от кривизны уступа.

4.     Установлено, что результирующая сила, приложенная к резцам расширителя, зависит от толщины снимаемого слоя породы, коэффициента трения на границе «резец-порода», величины площадки износа резца, контактирующей с породой, и прочностных свойств горных пород (сопротивление на срез и растяжение).

5.     Для реализации самоскалывания целика породы между соседними кольцевыми резцами расстояние между осями смежных резцов должно быть меньше или равно сумме глубины резания и ширины резца. Наиболее рациональная схема расположения резцов на лопастях расширителя – целиковая со самоскалыванием целика между соседними кольцевыми резцами.

6.     На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны конструкции породоразрушающих инструментов вставного типа для расширения участков ствола скважины, они также пригодны для бурения увеличенным диаметром по сравнению с диаметром скважины предшествующим данному интервалу, защищенные патентами республики Казахстан.

7.     Экспериментальными и производственными исследованиями установлено, что использование разработанных технических средств позволяет увеличить механическую скорость расширения по сравнению с существующей технологией  в 4,5 раза. Экономический эффект от внедрения разработанных расширителей вставного типа составляет 21,2 млн. тенге на годовой объем бурения НАК «Казатомпром»

 

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих  работах автора:

1.  С.М.Сушко, Касенов А.К., С.Д.Дауренбеков, А.Д.Бегун, и др. Технология и техника сооружения геотехнологических скважин при подземном выщелачивании урана. Алматы: Изд.Искандер, 2007 259 с.

2. Сушко С.М., Мосеев А.Ф., Пастушенко А.П. Устройство для обработки скважин.Авт.свид.№ 1192435, зарегистрировано 15.07.1985

3. Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Расширитель скважин обратного хода. Авт.свид.№ 32610. 12.06.2002 .

4. Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Способ поступательно-возвратного бурения скважин и инструмент для его осуществления. Авт.свид.№ 34585. 17.04.2001.

5. Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Кенжебаев Е.Б. Способ бурения скважин увеличенного диаметра. Авт.свид. № 36737. 14.03.2002.

6. Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Буровой инструмент. Авт.свид. № 38508. 05.07. 2004.

7. Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Буровой инструмент и способ бурения скважин большого диаметра. Авт.свид. № 38643. 05.04. 2005.

8. Сушко С.М., Джакишев М.Е., Рогов Е.И., Язиков В.Г., Кених М.В. Скважинная фильтровая колонна. Авт.свид. № 41954. 02.08.2006.

9.  Сушко С.М., Касенов А.К., С.Д. Дауренбеков, А.Д.Бегун, Б.В. Федоров. Методика сооружения скважин для разведки и добычи урана методом ПСВ. Методическое пособие. Алматы, 2007

10. Сушко С.М., Скоростные методы проходки разведочных и поисковых скважин на месторождениях, залегающих в нелитофицированных отложениях. Журнал «Геология Казахстана» №2, 1998 г, издательство «Гылым», с.128-137.

11 Сушко С.М., Касенов А.К., Федоров Б.В. Параметры лопастного расширителя скважин. КазхНТУ имени К.И.Сатпаева, Алматы 2006 год.

12. Сушко С.М., Бегун А.Д., Абдильдин Г.Н. Особенности сооружения технологических скважин для эксплуатации урановых месторождений Казахстана. Алматы, 2008. 284 с.

     13.  Сушко С.М.,Бегун А.Д., Латыпов А.С., Шияпов Р.Т., Пшеницын А.С., Абдильдин Г.Н. Скважинная распределительно-запорная система (варианты), устройство подачи гравийного материала и способ закачивания эксплуатационных скважин с ними (варианты). Авторское свидетельство № 19858, 23.10.2006г.

     14.  Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Кенжебаев Е.Б. Способ бурения скважин увеличенного диаметра. Патент № 13168,12.05.2002г.

     15.  Сушко С.М., Латыпов А.С., Пшеницын А.С., Шияпов Р.Т. Устройство для эмульгирования жидкостей и способ эмульгирования жидкостей. Предварительный патент № 18604, 25.08.2005г.

          16.  Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Расширитель скважин обратного хода. Патент № 11539, 14.09.2001г.

          17.   Сушко С.М., Латыпов А.С.,  Пшеницын А.С., Скобочкин Б.Е.Способ восстановления продуктивности пласта и устройство для его осуществления. Предварительный патент № 18647, 10.11.2005г.

     18.   Сушко С.М., Латыпов А.С., Пшеницын А.С., Шияпов Р.Т. Регулятор подачи долота для установок со свободной подачей и способ бурения скважин с ним. Предварительный патент № 18643, 03.10.2005г.

      19.  Сушко С.М., Латыпов А.С., Пшеницын А.С., Шияпов Р.Т. Расширитель скважин и способ расширения им участков стволовой части скважин. Предварительный патент № 18642, 03.10.2005г.

      20.  Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Способ поступательно-возвратного бурения скважин и инструмент для его осуществления. Патент 12452, 14.09.2001г.

      21. Сушко С.М., Латыпов А.С., Шияпов Р.Т., Пшеницын А.С. Конструкция фильтра обсадной колонны и способ сооружения приемной части эксплуатационной скважины. Авторское свидетельство № 19060, 13.07.2006г.

           22.  Сушко С.М., Бегун А.Д., Латыпов А.С., Уваров А.Д., Ниетбаев М.А. Пакерное устройство нагнетательной скважины и способ подачи технологического раствора в продуктивные пласты, расположенные на разных уровнях с ним. Предварительный патент № 19603, 15.12.2006г.

    23.  Сушко С.М., Бегун А.Д., Латыпов А.С., Уваров А.Д., Ниетбаев М.А. Пакерное устройство эксплуатационной скважины и способ сооружения эксплуатационной скважины раздельной эксплуатации двух продуктивных пластов с ним. Предварительный патент № 19604, 15.12.2006

    24. Сушко С.М., Латыпов А.С., Пшеницын А.С., Шияпов Р.Т.  Способ сооружения забойной части эксплуатационных скважин. Авторское свидетельство № 18646, 25.08.2005г.

          25.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Шияпов Р.Т. Устройство и способ обустройства технологических скважин. Авторское свидетельство       № 15428, 17.07.2003г.

    26.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Шияпов Р.Т., Пшеницын А.С. Скважинный распределительно-запорный узел, устройство подачи гравийного материала и способ заканчивания технологических скважин с ними. Авторское свидетельство № 16322, 03.08.2004г.

    27.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Кенжебаев Е.Б. Способ сооружения забойной части эксплуатационных скважин. Авторское свидетельство № 16323, 16.04.2004г.

          28.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Шияпов Р.Т. Устройство для транспортирования гранулированного материала и способ формирования им гравийно-засыпного фильтра в скважине. Авторское свидетельство № 16324, 16.04.2004г.

           29.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Кенжебаев Е.Б. Способ бурения скважин увеличенного диаметра. Авторское свидетельство № 13168, 12.05.2002г.

           30.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Буровой инструмент. Авторское  свидетельство № 13827, 08.01.2002г.

           31.Сушко С.М., Музапаров М.Ж., Латыпов А.С., Латыпова Ю.А. Инструмент обратного хода режущего типа. Предварительный патент № 10804, 16.02.2001г.

            32.Сушко С.М., Берикболов Б.Р., Латыпов А.С., Пшеницын А.С. Буровой инструмент и способ бурения им скважин большого диаметра. Авторское .свидетельство № 13825, 05.04.2002г.

 

 

Сергей Сушко

 

  Геотехникалық ұңғыларды әзірлеу кезіндегі ұңғы түбі маңын кеңейтудің  техникалық жабдықтары мен технологиясын  жетілдіру.

 

Техника ғылымдарының  кандидаты  дәрежесіне  ізденуші  диссертатциясына

 

ТҮЙІН

 

      Көмірсутекті шикізатпен қатар уран өндірісі Қазақстан Республикасының жоғары дәрежеде  экономикалық жағдайын көрсететін  негізгі энергетикалық ресурсына айналды. Қазіргі кезде уран рудасын өндіру жер асты сілтілеу жолымен геотехникалық ұңғыларды бұрғылау арқылы алынуда. Бұл әдіс жаңа технология ретінде адамның жеке өмірінің қауіпсіздігімен қатар қоршаған ортаны ластанудан толық сақтайды. Сілтілеуге ерітінді ретінде қолданылатын  қышқыл, айдау ұңғысы  арқылы уран рудасы қабатына қысыммен айдалады. Уранға қаныққан ерітінді  жер бетіне соратын ұңғы арқылы сораптардың көмегімен жеткізіледі.

          Жұмыстың мақсаты – қиыршық тасты сүзгі орнататын ұңғы түбі аймағын кеңейтетін кеңейткіштің тиімді конструкциясын жасап шығару. Бұл мақсатқа жету  үшін төмендегі мәселелерді шешу керек:

       Өндіріс материалдары мен жарық көрген жұмыстарға сүйене отырып, мәселенің бүгінгі күнгі жағдайын анықтау.

       Патентік зеріттеулер мен өндірістік сынақтарға сүйене отырып, кеңейткіштердің ең тиімді түрін таңдау.

       Құрылғы мен кеңейткіштердің жұмысын   теориялық зеріттеу.

       Теориялық зеріттеулер нәтижесін және бұрғылау режимінің тиімді көрсеткіштерін  дәлелдеу ретінде кеңейткіштерді стендтарда сынау.

        Теориялық және эксперементтік   зеріттеулер және де өндірістік сынақтар нәтижелеріне сүйене отырып, кеңейткіш конструкциясын жетілдіру.

       Кеңейткіш  конструкциясын жетілдіру мақсатында статистикалық  мәліметтер жинау,  өңдеу және пайдалану.

Жұмыстың ғылыми жаңалығының  мәнісі   төмендегілерде:

– Кеңейткіштің  кері жүрісті әсерінен ұңғы түбі маңын   кеңейту процессіне жаңа әдістеме ұсыну.

       Қалақшалы кеңейткішті есептеудің  жаңа тәсілі ұсынылған.

       Кері қайту жүрісті іске асыру арқылы қалақшалы кеңейткіштің жаңа түрі ұсынылды.

Жұмысты қорғаудың мәнісі:

       Ұңғы оқпанын кеңейту кезінде қуат пайдаланудың лөстік шығынын не барынша азайту.

       Кеңейткіштің жұмысшы қалақшаларындағы кескіштердің орналасу схемасының аптималды  түрін таңдау.

       Ұңғы оқпанының керекті аралықтарында кеңейту жұмыстарын жүргізу үшін, қалақшалы кеңейткіштердің бірнеше конструкциясы жасалды.

       Осы кеңейткіштерді  пайдалану кезінде қолданылатын технологиялық режимдер жасалды.

        Жұмыс нәтижесінің сенімділігі,  математикалық  модельдеу  тәсілінің   сынақ жүргізудің стандартты әдістемесімен және өндірістік сынақ нәтижесінің ұқсастығының  теориялық зеріттеулердің нәтижесімен  дәл келуі.

         Жұмыстың іс жүзінде пайдаланған кезде бағалылығы:  

       Қалақшалы кеңейткішті есептеудің  жаңа әдістемесі ойлап табылған.

       Кеңейткішдерді эксперимент жүзінде сынақтан өткізу үшін стенд жасалды.

      Жұмыстың нәтижесін өндіріске енгізу:

       Кеңейткіштерді жасауға және қолдануға техникалық құжаттар жасалды және бекітілді.

       Кеңейткіштер мен оларды пайдалану  режимі «Волковгеология» АҚ үлкен қолдау тауып, өндіріске  сәтті енгізілді.

              Жариялау. Диссертациялық жұмыстың негізгі жағдайлары әр түрлі халықаралық конфиренцияларда баяндалды:

       Қазақстанның егемендігіне 15-жылға  арналған, екінші халқаралық ғылыми-тәжрибелік конфиренцияда (Алматы 2006ж);

       «Уран өнеркәсібінің өзекті проблемалары» атты IV  халқаралық ғылыми-тәжрибелік конфиренцияда( 2004ж);

       Қ.И Сатпаев атындағы Қаз ҰТУ-дың 70-жылдығына арналған ғылыми-теориялық  конфиренцияда (Алматы 2004ж);

       Қ.И Сатпаев атындағы Қаз ҰТУ-да өткен ғылыми-тәжрибелік конфиренцияда (Алматы 2005ж);

       Геотехникалық ұңғыларды  бұрғылау мәселелеріне арналған, ғылыми-теориялық  конфиренцияда (Канада 2003ж);

          Жарық көру. Диссертатцияның тақырыбы бойынша 32 баспа жұмысы, оның ішінде 27авторлык куэлік және Қазақстан Республикасының патенттері жарық көрді.

          Диссертатциялық жұмыс Қ.И Сатпаев атындағы Қаз ҰТУ-дың ҒЗЖ және «Қазатомпром»-ның «геотехнологиялық ұңғыларды тиімді  зеріттеу және жобалау тәсілі » №7 мәселесі бойынша   координациялық жоспарымен сәйкес жасалған.  

                   Жұмыстың көлемі  мен  құрылымы. Диссертатция кіріспеден, 4-бөлімнен,жалпы қорытынды мен ұсыныстан тұрады. Жұмыс 129бетте жасалған,33-суреттен,12-кестеден,116 түрлі  әдебиеттер тізімнен және түрлі қосымшалардан  тұрады.   

         Жұмыс барысында шешілген барлық мәселелер мен сұрақтар, ғылыми жетекшім  техника ғылымдарыны кандидаты, доцент А.К. Касеновтың  ғылыми-әдістемелік және мол тәжрибелік көмегінің арқасында жүзеге асырылды. Сол үшін автор  ол кісіге  шын жүректен алғысын білдіреді.

 

SERGEY   SUSHKO

 

Perfectioning the bottom-hole zone reaming tools end technology when building geotechnological wells

 

Thesis for application to scientific degree of technological science candidate

 

RESUME

 

          Together with hydrocarbon raw materials, uranium represents Kazakhstan Republic’s the most important energetic mineral resource, upon which in high degree depends its economic welfare. Nowadays uranium ores are produced by means of underground leaching by means of geotechnological wells, which is considered as an up-to date technology, guaranteeing personal and environmental security.  The leaching acid solution is pumped in the ore containing formation down the injection well and, enriched with uranium, returns to the surface through the discharging well.

           The discharging well’s productivity depends on its bottom hole zone diameter. On the other hand the well building costs are growing sharply with the well’s mean diameter. So the modern trend consists in keeping the smallest possible mean diameter of the discharging well as a whole, while at the same time achieving the greatest possible diameter of its receiving bottom hole zone, where a gravel-type screen is usually positioned. Practically a cavern has to be created here, which technologically represents a rather complicated problem.

           The work’s objective is development of an efficient design of a reamer, providing down hole caverns for gravel screens   

           To achieve the objective the ways as follows were to be followed:

 – Establishing the modern status of the problem, basing on published works and industrial data  

– Selecting of the most efficient type of the reamer, basing on patent research and industrial tests

– Theoretical research of the reamer’s design and functioning

– Testing the reamer’s performance on a testing unit for the purpose of verifying theoretical findings, as well as elaborating the drilling practices

– Perfectioning the reamer’s design, basing upon theoretical and experimental research findings and industrial tests

– Collecting, processing and generalizing the statistical data on the developed reamer design’s efficiency

           Scientific innovative values of the work lie in the following:

– A new methodical approach to the reaming process is proposed, when the down hole cavern is formed due to reciprocal strokes of the reamer

– A new method of the insert-type blade reamer ratings is proposed

– A new design of the insert-type blade reamer for reaming by reciprocal strokes is developed

           The scientific findings of the work are as follows

– Methodic of minimizing the specific power expenditures while reaming the cavern is worked out

– A scheme of optimal disposition of cutters on the reamer’s working blades is elaborated

– Several designs of insert type blade reamers are developed for making caverns in assigned intervals of the borehole

– Working practices for reaming by means of developed designs of reamers are elaborated

           Reliability of the findings is corroborated by standard methodic of carrying out experiments, mathematic modeling methods, and consistency of industrial tests results with those of theoretical and experimental findings

           Practical value of the work:

– A version of insert type blade reamer is worked out, that enables reaming bore-holes of geotechnological wells by reciprocal strokes

– Methodic of rating the insert type blade reamers is worked out

– A testing unit for carrying out experimental research of the reamers is created

           Implementation of the results into the industry

– Specifications for manufacturing and application of the reamer are worked out and authorized

– The reamers and their application practices obtained a wide implementation in the J. S. Company Volkovgeologija. As compared to the earlier methods of geotechnological wells reaming the developed reamer provides economy of           T 88100 for one piece. 

           Approbation – The principal aspects of the work were discussed at various international conferences:

– Theoretical conference, dedicated to K. I. Satpayev Technical Universiry 70 year jubilee (Almaty 2004)

– Scientific and practical conference in K. I. Satpayev Technical Universiry (Almaty 2005)

– Theoretical conference on the problems of geotechnological wells construction (Canada 2003)

          32 publications were issued by the author S.M Sushko on the subject of the thesis, including 27 copyright certificates and patents of Kazakhstan Republic

           The thesis comprises introduction, 4 chapters, general conclusions and recommendations. It is presented on 129 pages of type-written text, contains 33 figures, 12 tables, a list of utilized literature including 116 items, supplements.

           The work on the thesis was executed in K. I. Satpayev Technical University in accordance with Kazatomprom’s coordination plan of researches and designing work on the problem 7 “Researches and working out efficient methods of geotechnological wells construction”.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подписано в печать 28.05.2009г.

 

 

Печать типографическая, Формат 60х84 1/16.

Бумага офсетная№1. Обьем 1п.л.

Тираж 150экз.заказ №

 

 

Типография Алматинского института

Энергетики и связи

050013,Алматы, ул. Байтурсунова,126