Автореферат Кудайкулова


 

УДК 622.691.4.                                                                                На правах рукописи

УДК 622.24.057.051.64(043)                                                 

 

 

 

 

КУДАЙКУЛОВ СЕРИК КИМЕЛЬЕВИЧ

 

СОЗДАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ

АЛМАЗНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН В СЛОЖНЫХ ГОРНО–ГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

 

 

 

 

05.05.06 – Горные машины.

25.00.14 – Технология и техника геологоразведочных работ.

 

 

 

 

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

 

 

 

 

Алматы, 2008

Работа выполнена в Казахском национальном техническом университете имени К.И.Сатпаева

 

 

 

Научные консультанты:                                  Ракишев Б.Р., доктор технических   

                                                                           наук, профессор, академик НАН РК,

                                                                           заслуженный деятель Республики

                                                                           Казахстан

                                                                           Башкатов Д.Н., доктор технических

                                                                           наук, профессор, академик РАЕН,

                                                                           заслуженный деятель науки и

                                                                           техники Российской Федерации

 

Официальные оппоненты:                              Ткаченко А.М., доктор технических 

                                                                           наук, профессор  

                                                                           Музапаров М.Ж., доктор технических

                                                                           наук, профессор

                                                                           Николаев Н.И., доктор технических 

                                                                           наук, профессор

 

 

         Ведущая организация: Карагандинский государственный технический

                                                  университет

 

         Защита состоится 30 сентября 2008 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д 14.61.23 в Казахском национальном техническом    университете  имени   К.И. Сатпаева   по    адресу: 050013, г. Алматы, ул. Сатпаева 22, конференц – зал нефтяного корпуса.

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

 

         Автореферат разослан  __20 августа__ 2008 г.

 

 

        Ученый секретарь,

 доктор технических наук,

              профессор                                                                       Столповских И.Н.

 

 

 

 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

 

      Актуальность темы. Стратегической задачей Республики Казахстан является производство конкурентоспособной продукции с мощным экспортным потенциалом, обеспечивающим ускоренное развитие народного хозяйства. Для реализации этой задачи  необходимо обеспечить горно – металлургические предприятия минеральным сырьем за счет эффективного освоения разведанных месторождений с одновременным расширением сырьевой базы.

      Программой развития ресурсной базы минерально – сырьевого комплекса Республики Казахстан на 2003–2010 гг. предусмотрено создание и совершенствование эффективной системы геологических исследований, направленных на выявление дополнительных запасов полезных ископаемых для действующих горнорудных и нефтеперерабатывающих предприятий, информационное обеспечение и научно-техническая поддержка геологических исследований.

      В этой связи значительно увеличиваются объемы поисково-разведочного бурения, которое являясь основным техническим средством геологоразведочных работ занимает ведущее место в получении геологической информации. Основным требованием геологической службы к разведочному бурению является отбор полноценного кондиционного керна и высокая точность подсечения скважинами рудных тел по запроектированной разведочной сети. Помимо получения высококачественной геологической информации, применяемые технико-технологические средства должны обеспечить эффективное решение технико-экономической задачи – высокую производительность проходки скважин при минимизации стоимости  буровых работ.

      Комплексное решение указанных геолого-технических задач разведочного бурения пород средней и высокой твердости с большим эффектом реализуется при использовании для проходки скважин снарядов со съемными керноприемниками (ССК). В Казахстане около половины объема поисково-разведочных скважин бурится ССК. Вместе с тем практика бурения показывает, что существуют условия, сдерживающие дальнейшее расширение области эффективного применения ССК. Это:

– значительное снижение стойкости алмазных породоразрушающих инструментов (ПРИ)  в твердых абразивных породах;

         сильная трещиноватость и перемежаемость пород по твердости, приводящие к увеличению числа самозаклиниваний керна, что значительно снижает общую производительность проходки скважин, причем нередки случаи отклонения трассы скважины от запроектированной траектории;

     – существующие устройства для отбора ориентированного керна, адаптированные к применению в комплексе с ССК, сложны по конструкции, имеют невысокую точность и производительность;

      В этой связи исследования, направленные на решение указанных проблем, весьма актуальны и имеют большое научно-техническое значение.

      Цель работы – разработка технологий и технических средств для алмазного бурения горных пород в сложных геологических условиях, обеспечивающих повышение технико-экономических показателей буровых работ и качество геологической информации.

      Идея работы заключается в использовании новых принципов конструирования алмазных буровых коронок в ССК, учитывающих кинематические, силовые характеристики бурового оборудования и режим бурения.

      Задачи исследований:

          провести исследования взаимодействия алмазных ПРИ с горной породой;

          разработать конструкции новых ПРИ, учитывающих кинематические, силовые характеристики бурового оборудования и режим бурения;

         провести исследования формирования керна при традиционном бурении и бурении ССК и разработать технико-технологические мероприятия, повышающие выход керна и производительность бурения в сложных геологических условиях.

      разработать высокопроизводительные и надежные средства отбора ориентированного керна и удержания трассы скважины на проектном направлении;

          разработать критерий эффективного применения и прогнозирования технико-экономических показателей бурения разработанным комплексом технико-технологических средств;

      При выполнении работы использован комплексный метод исследования, включающий анализ научно-технической информации и патентных материалов, аналитические и экспериментальные исследования, опытно-промышленные и промышленные испытания разработанных технических средств, обработку результатов исследований и испытаний методами математической статистики с применением компьютерных технологий.

      Научная новизна работы заключается в следующем:

 (по специальности 05.05.06 –  «Горные машины»)

          дано теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение эффективности «гребешкового» профиля алмазосодержащих слоев импрегнированной алмазной буровой коронки, профиль которой представляет чередующиеся кольцевые клинообразные выступы и впадины, убывающие по линейному закону от периферии к оси матрицы коронки;

          установлены рациональные параметры эжекторного узла ССК и верхнего предела величины обратного потока, возбуждаемого эжектором, во взаимосвязи с размывающим действием промывочной жидкости на алмазосодержащую матрицу коронки;

          определены целесообразные параметры ударного узла разработанного керноориентатора и ударника, обеспечивающие внедрение клинообразного долота в торец керна твердых горных пород на глубину, необходимую для однозначного выявления следа апсидальной плоскости.

(по специальности 25.00.14 –  «Технология и техника геологоразведочных работ)

          установлен механизм самозаклинивания керна при бурении вертикальных и наклонных скважин в сильнотрещиноватых породах с учетом формы и размеров отделившихся кусков пород от керна;

          выявлены зависимости расхода обратного потока промывочной жидкости, исключающего самозаклинивание керна при бурении наклонных скважин с применением ССК от величины зенитного угла и угла между осью скважины и направлением трещиноватости буримых пород, а также от геометрических размеров и плотности выбуриваемого керна;   

          установлен циклический характер изменения скорости бурения при использовании импрегнированных многослойных алмазных коронок с «гребешковым» профилем каждого алмазосодержащего слоя матрицы, причем количество циклов равно количеству алмазосодержащих слоев.

      Практическая значимость работы заключается в разработке методик расчета конструктивных и кинематических параметров многослойных алмазных коронок, в обосновании параметров оборудования ССК и технологии бурения с отбором ориентированного керна; в получении 8 патентов на основные конструктивные элементы, составляющие созданный комплекс технико-технологических средств на базе ССК для бурения в сложных условиях; во внедрении комплекса  в практику бурения при разведке 12 казахстанских месторождений с реальным экономическим эффектом от внедрения, составляющим 160 млн. тенге за 4 года.

      Личный вклад автора состоит в постановке проблемы и определении  задач исследований; научном обосновании параметров многослойных алмазных коронок и технических средств отбора ориентированного керна; разработке технологии бурения ССК, оснащенными импрегнированными алмазными коронками; проведении опытно-конструкторских работ по созданию комплекса технико-технологических средств разведочного бурения в сложных условиях на базе ССК; разработке методики проведения экспериментальных исследований и производственных испытаний комплекса.

      Автор выражает искреннюю благодарность за доброжелательное отношение и поддержку, ценные замечания и предложения профессорам Федорову Б.В., Крупнику Л.А., Поветкину В.В. и Аканову Х.Г. , сотрудникам кафедры технологии и техники бурения скважин КазНТУ и сотрудникам компании «Бурмаш». 

      На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

(по специальности 05.05.06 – «Горные машины»)

          алмазные импрегнированные буровые коронки для ССК должны выполняться многослойными; оптимальная форма каждого обращенного к забою алмазосодержащего слоя должна быть «гребешковой», представляющей кольцевые конусные выступы и впадины, высота которых уменьшается в направлении от периферийной части матрицы к внутренней по линейному закону;

          ССК должен оснащаться эжекторно-вибрационным  узлом, обеспечивающим повышение выхода керна при бурении трещиноватых пород; при проектировании его параметров следует учитывать размывающее действие обратного эжектируемого потока промывочной жидкости на алмазосодержащую матрицу буровой коронки и увеличивающиеся потери давления, связанные с ростом длины формирующегося керна;

          параметры (масса и скорость ударника) ударного узла созданного керноориентатора должны обеспечить внедрение клинообразного долота в торец керна самых твердых пород на глубину, достаточную для однозначного определения следа апсидальной  плоскости.

(по специальности 25.00.14 –  «Технология и техника геологоразведочных работ)

          при бурении сильнотрещиноватых и раздробленных пород, когда высота формируемых кусков керна мала по сравнению с его диаметром, заклинивание происходит клинообразным куском породы, отделившимся с торца керна, а при бурении трещиноватых пород, когда высота куска керна имеет такой же порядок, как и его диаметр, заклинивание происходит при смещении верхнего куска по трещине, отделяющей его от пенька керна; 

         комплексное определение следа апсидальной плоскости на выбуриваемом керне, основанное на сканировании торца керна, с одновременным ударным воздействием на последний клинообразным долотом обеспечивает достоверную информацию о положении отбираемого геологического образца в пространстве;

         эффективность использования комплекса технико-технологических средств ССК и многослойных алмазных буровых коронок в сложных условиях оценивается критерием, учитывающим уменьшение числа самозаклиниваний керна, а также скоростное и надежное ориентирование его с помощью керноориентатора.

      Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретическими выкладками, использованием новых компьютерных программ, методов математического анализа и математической статистики, хорошей сходимостью результатов аналитических и экспериментальных исследований, положительными результатами испытаний в производственных условиях и внедрением созданного комплекса технико-технологических средств бурения ССК в сложных горно-геологических условиях.

      Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на: конференциях молодых ученых МГРИ, Москва (1987, 1988, 1989 гг.); научных семинарах кафедры разведочного бурения МГРИ, Москва (1991, 1995, 1997 гг.); научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин КазНТУ, Алматы (1999, 2003, 2004, 2005, 2007, 2008 гг.); 1 Международ-ном симпозиуме по бурению скважин в осложненных условиях (Санкт-Петербург, 1998); Международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке», посвященной 70-летию КазНТУ им. К.И.Сатпаева (Алматы, КазНТУ, 2004); II Международной научно-практической конференции «Современные научные достижения – 2006» (г. Днепропетровск, Украина, 2006); Ежегодной Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, МГГРУ, 2003, 2004, 2005, 2006 гг.); Четвертой Международной конференции «Ресурсовос-производящие, малоотходные и природоохранные технологии   освоения недр» (Москва – Караганда, 2007 г.); III Международной конференции «Геотехнология: инновационные методы недропользования в XXI веке»  (Навоий, 2007 г.); Международной научно – технической конференции "Инновации в образовании, науке и технике" (г. Бишкек, 2006).

      Публикации. По материалам диссертации опубликовано 38 научных работ (по списку Комитета по надзору 22 работы в 9-ти различных изданиях, в том числе 10 авторских свидетельств СССР и патентов РК), 12 индивидуальных статей и 9 статей в зарубежных изданиях.

      Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников, включающих 148 наименований. Текст изложен на 220 страницах компьютерного текста и содержит 70 рисунков, 16 таблиц и 10 приложений.

      Тема диссертационной работы связана с планом НИР по научно-техническому сопровождению программы развития минерально-сырьевого комплекса на 2003 – -2010 гг. республики Казахстан, международным научно-исследовательским проектом «Разработка, создание и внедрение нового поколения ПРИ на месторождениях Казахстана», выполненным казахстанской буровой компанией «Бурмаш» и голландской компанией «JKS BOYLES» (2003 – 2008 гг.).  

 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

 

      Теория и практика разведочного бурения алмазными ПРИ получила интенсивное развитие в трудах ведущих ученых СНГ и дальнего зарубежья. Наибольший вклад в эту область исследований внесли Шамшев Ф.А., Воздвиженский Б.И., Кудряшов Б.Б., Башкатов Д.Н., Козловский Е.А., Соловьев Н.В., Лиманов Е.Л., Туякбаев Н.Т., Горшков Л.К., Лившиц В.Н., Осецкий А.И., Федоров Б.В., Мендыбаев Т.Н. и другие.

      В разработку технических средств и технологии бурения ССК весомый вклад внесли сотрудники фирмы «Boart Longyear» (США), а в бывшем СССР – сотрудники ВИТР Исаев М.И., Онищин В.П., Жуков А.М., Богданов В.А. и др.

      Вращательное колонковое бурение алмазными коронками в Казахстане вошло в практику буровых работ в конце шестидесятых годов 20-го века. В это же время в передовых зарубежных странах уже около 80 % всего объема разведочного бурения на твердые полезные ископаемые выполнялось алмазными ПРИ. Широкое распространение последних объясняется в первую очередь их высокой стойкостью.

      Основная особенность алмазного бурения на современном этапе его внедрения – широкий разброс геологических условий, которые характеризуются наличием как весьма твердых абразивных пород, так и пород с невысокими показателями механических свойств. При этом в геологических разрезах скважин могут присутствовать зоны различных осложнений.  В связи с этим необходимо было разработать высокоэффективные алмазные ПРИ, обладающие высокой стойкостью за счет рационального использования алмазного сырья при их изготовлении.

      В настоящее время наблюдается четко выраженная тенденция использования импрегнированных коронок для бурения любых пород, абразивные свойства шлама которых достаточны для истирания матрицы. Основной фактор, определяющий производительность импрегнированной коронки, – подбор матрицы такой износостойкости в сочетании с сортом алмаза, чтобы коронка в данной породе самозатачивалась в процессе бурения.

      Из практики традиционного колонкового бурения известно, что затраты времени на спуско-подъемные операции (СПО) увеличиваются почти в кубической зависимости от глубины скважины. Если стойкость алмазных коронок достаточно высока, то основной проблемой, сдерживающей общую производительность проходки скважин, является значительное время на СПО, связанное с ограниченной длиной керноприемной трубы и частым самозаклиниванием керна при бурении трещиноватых пород.    

      Радикальным решением задачи уменьшения времени на СПО и увеличения углубки за рейс явились работы по созданию технико-технологических средств алмазного бурения с использованием ССК.

      Первый ССК был разработан фирмой  «Bоart Longyear» (США) и успешно испытан в 1955 г.  В настоящее время такие снаряды широко применяют многие ведущие зарубежные фирмы.

      В бывшем СССР бурение ССК впервые было осуществлено в 1963-1964 гг. сотрудниками МГРИ и СКБ СССР в Казахстане. С 1969 г. головной организацией по созданию комплекса технических средств ССК становится ВИТР (Всесоюзный институт техники разведки) бывшего СССР. Такие комплексы с шифрами ССК-59 и ССК-76 были созданы и испытаны в различных регионах, в том числе и в Казахстане.

      В конце 80-ых годов в СССР ежегодно бурилось порядка 7,0-7,3 млн.м. скважин алмазными коронками, из этого объема  2,2 млн.м – с использованием ССК, в том числе в Казахстане – 300 тыс.м. С распадом СССР в 90-ые годы резко сократились объемы поисково-разведочных, в том числе и буровых работ.

      В настоящее время наблюдается устойчивый рост экономики Казахстана, что вызвало необходимость укрепления минерально-сырьевой базы республики. В этой связи соответственно растут объемы буровых работ, которые в настоящее время составляют 190-200 тыс.м. скважин, причем половина указанного объема бурится с использованием ССК.

      У буровых организаций, обслуживающих геологическую службу Казахстана, появилась возможность закупать комплексы ССК у лучших зарубежных фирм, которые по качеству выполнения, надежности превосходят комплексы ССК бывшего СССР, а по цене сопоставимы с последними.

      Результаты буровых работ с применением комплекса ССК «Bоart Longyear», достигнутые частной буровой компанией «Бурмаш», при средней глубине скважин 420 м и средней категории буримых пород 8,7 составили 800 – 1200 м/станко-месяц в благоприятных условиях, а в сложных  условиях – 500 – 800 м/станко-месяц. Стоимость 1 п.м скважины составила 12 – 15 тыс. тенге. Таким образом, производительность бурения ССК в сложных условиях оказывается примерно в 1,5 раза ниже, чем при бурении в благоприятных условиях.

      Сложные условия на объектах работ в республике связаны в основном с сильной трещиноватостью и раздробленностью буримых пород. При бурении по таким породам часто возникает самозаклинивание кусков керна в керноприемной трубе. Это явление имело место в предрудных и рудных интервалах на месторождениях Жомарт, Еспе, Верхне-Иргизское, Кызыл-Шокы и др.

      Частое самозаклинивание вызывает резкий рост затрат времени на СПО, что снижает производительность бурения ССК, несмотря на высокую стойкость коронки. Затраты времени Тсп на все спуски и подъемы керноприемника при бурении скважины глубиной L подчиняются известной гиперболической зависимости М.И.Исаева – В.П.Онищина, которая в уточненной нами редакции имеет вид:

                                  , час                                         (1),

где углубление скважины за цикл, м; S – стойкость инструмента, м

      Анализ формулы (1) показывает, что при большой стойкости S инструмента и заданной глубине скважины L величина Тсп зависит от углубления за цикл Рк, причем резкое возрастание времени на СПО керноприемника наблюдается, если Рк < 0,5м0,6м.

      Другой проблемой, с которой столкнулись буровые организации, эксплуатирующие комплексы ССК, явилась крайне низкая скорость бурения в очень твердых породах XI-XII категории и соответственно – малая стойкость алмазных буровых коронок. Например, при бурении по кварцитам XI-ой категории (месторождение Мизек) механическая скорость бурения составила 0,4 – 0,45 м/ч, а стойкость алмазных коронок – 3 – 4 м.

      Третья проблема возникла в связи с требованиями ряда геологических организаций республики производить отбор ориентированного керна при бурении ССК. Такая задача возникла при бурении скважин на Васильковском  карьере, месторождении Мизек и других. Следует отметить, что существующие технические средства ориентированного керноотбора не были адаптированы к применению с комплексами ССК зарубежных фирм, а те средства, которые можно было использовать, отличались невысокой точностью, сложной конструкцией и длительной камеральной обработкой.

      На ряде месторождений при бурении наклонных прямолинейных скважин глубиной до 500 – 600 м предъявляются весьма жесткие требования в точности подсечения рудных тел. Отклонение оси скважины от проектной точки встречи с рудным телом не должно превышать 0,3– 0,5 м. Существующие комплексы ССК не обеспечивали такой точности. 

       Следовательно, для повышения технико-экономических показателей буровых работ и качества получаемой геологической информации в сложных условиях необходимо было разработать специальный комплекс технико-технологических средств на базе ССК, применение которого позволило бы эффективно решать указанные проблемы.

      Для решения проблемы, связанной с созданием алмазных буровых коронок высокой стойкости, были проанализированы современные воззрения на механизм разрушения горных пород при механическом воздействии ПРИ.

      Ввиду сложности этого процесса были использованы различные методы исследований, в основе которых лежат закономерности теории упругости, пластичности, механики сплошных сред и механики трещинообразования. Для изучения взаимодействия импрегнированных алмазных коронок с забоем скважины были применены методы триботехники, качественно описывающие  разрушение породы в режиме микрорезания и истирания.

      В последнее время для исследования напряженного состояния анизотропных, трещиноватых пород начали применять энтропийные, вероятностные методы с использованием аппарата статистической физики.

      Многочисленные экспериментальные исследования позволили установить механизм разрушения горных пород при статическом и динамическом вдавливании, а также основные этапы этого процесса под действием возрастающего усилия, действующего на индентор. В частности, установлена важная особенность разрушения твердых пород при внедрении алмазных зерен –формирование в горном массиве зоны непосредственного внедрения зерна и рас-положенной под ней зоны разрушения, представляющей ослабленную трещинами раздробленную, но неудаленную с забоя скважины породу. Мощность последней в твердых породах в 6 – 12 раз превышает зону внедрения алмазных зерен. 

Таким образом, на основе современных представлений о механизме разрушения твердых пород и многочисленных разработок конструкций импрегнированных алмазных коронок нами были проведены исследования по созданию коронок по двум основным направлениям:      

          структурные параметры (использование особенностей процесса разрушения горных пород алмазными зернами);

          геометрические параметры (профиль торца, форма и размеры секторов, промывочная система).

      В соответствии с первым направлением разработана коронка, конструкция которой учитывает указанную выше особенность разрушения твердых пород –  наличие под зоной внедрения алмазных зерен зоны разрушения. Импрегнированная коронка выполнена многослойной с трехзаходной    винтовой   поверхностью   каждого   слоя.   На   каждом   заходе винтовой поверхности расположены по два сектора. Секторы, являющиеся ПРИ, разделены промывочными каналами и состоят из повторяющих форму торца матрицы и чередующихся друг с другом алмазосодержащих слоев и безалмазных слоев  малой абразивности. Толщина указанных слоев одинакова и равна (по вертикали) глубине зоны разрушения породы алмазными зернами.

      Предполагалось, что при формировании зоны внедрения наибольшими по высоте секторами образующаяся под ней зона разрушения будет легче  удаляться с забоя, что приведет к интенсификации углубления последнего. При разрушении забоя по мере износа первого алмазосодержащего слоя в работу вступает второй алмазосодержащий слой, а опережающий износ безалмазного слоя меньшей твердости обеспечивает контакт второго алмазосодержащего слоя с забоем и необходимый зазор для выноса шлама из-под торца коронки. Коронке был присвоен шифр КЗВ.

      С целью оптимизации геометрических параметров матрицы алмазных коронок проанализирована практика применения алмазных импрегнированных коронок для бурения ССК, которая показала, что наибольшей эффективностью обладают инструменты с «гребешковым» профилем алмазосодержащей матрицы (рисунок 1а). Интенсификация разрушения забоя скважины при таком профиле матрицы объясняется тем, что при достаточно малых углах   приострения клинообразных выступов (рисунок 1б) на боковые поверхности последних будут  действовать весьма  большие силы нормального давления . В свою очередь, при вращении коронки эти силы вызывают значительные силы трения , действующие на каждый конусный выступ матрицы:

        ,                                                     (2),

где  – коэффициент  трения на границе «матрица коронки – порода».

      Скорость бурения твердых пород пропорциональна силе трения, т.к. при использовании алмазных импрегнированных коронок крепкие абразивные породы разрушаются в большей степени истиранием.

                     а)                                     б)

      Кроме того, «гребешковый» про-филь торца матрицы оказывает раскли-нивающее действие на формируемые кольцевые конусные выступы забоя. Разрушению последних способствуют также всегда имеющие место попереч-ные вибрации снаряда. Поэтому корон-ки с «гребешковым» профилем торца нашли широкое применение для воо-ружения ССК.

      Вместе с тем, известные алмазные коронки с «гребешковым» профилем рабочего торца имеют существенный недостаток. Последний заключается в том, что по мере износа концентричес-ких клинообразных алмазонесущих выступов до плоскости «а – в» (рису-нок 1 а), высота которых составляет 3 – 4  мм, инструмент работает как обыч-ная импрегнированная коронка с плос-ким прямоугольным профилем торца. В результате производительность буре-ния снижается, что неоднократно отмечалось в производственных усло-виях.

а      гребешковый профиль; б – силы, действующие на кольцевой клино-образный выступ; 1 – алмазосодер-жащие кольцевые конические выступы матрицы; 2 –  алмазосодержащая коль-цевая матрица; 3 – подрезные алмазы; 4 – короночное кольцо.

 

Рисунок 1 – Продольное   сечение мат-  рицы алмазной коронки с «гребешко-вым» профилем.

      Для ликвидации указанного недостатка разработана и запатентована  алмазная многослойная коронка с «гребешковым» профилем торца, которой присвоен индекс КСБ – 1 (рисунок 2). Ее отличительной особенностью является конструкция матрицы, которая содержит по высоте несколько алмазонесущих слоев, причем слои повторяют «гребенчатую» форму торца инструмента. Пространство между коническими выступами каждого слоя заполнено связующим материалом меньшей износостойкости, чем связующий материал алмазосодержащих слоев. При разрушении забоя по мере износа алмазонесущего слоя 1 в контакт с породой вступает следующий алмазосодержащий слой 2. При этом безалмазный материал 7 вследствие его меньшей абразивности изнашивается быстрее, обнажая выступы алмазосодержащего слоя 2.

      Таким образом, использование ука-занной коронки позволяет реализовать преимущества «гребенчатого» профиля торца до полного износа алмазонесущей матрицы, что повышает стойкость инст-румента, а, следовательно, рейсовую ско-рость бурения.   

      Результатом дальнейшего развития работ явилось создание многослойной коронки, при использовании которой обеспечивалось бы равномерное нор-мальное давление со стороны поверх-ностей всех кольцевых клинообразных выступов алмазосодержащих слоев на забой скважины (рисунок 3).

Для выравнивания нормального дав-ления, действующего на боковые поверх-

ности всех конусных кольцевых выступов,

1, 2, 3, 4 – алмазосодержащие слои; 5,6,7 – безалмазные слои; 8 – подрез-ные алмазы; 9 – корпус коронки.

 

Рисунок 2 – Профиль многослойной импрегнированной коронки.

увеличивающийся по линейному закону от величины  до величины  (рис. 3):

                                                                          (3),

где Rв – внутренний радиус коронки; t – основание конусных выступов; m номер боковой поверхности конусных выступов, начиная с периферийного выступа в направлении к внутреннему радиусу коронки.

 

                        а)                                                                 б)

а – общий вид; б – профиль алмазосодержащего слоя в продольном сечении.

      1 – корпус; 2 – матрица; 3 – промывочные окна; 4 – алмазосодержащие слои;

      5 – безалмазные слои.

 

Рисунок 3 – Многослойная буровая коронка с равнонагруженными алмазосодержащими слоями.

      С учетом этого положения разработана коронка с равнонаруженными при бурении конусными кольцевыми выступами, которой присвоен индекс КСБ – 2.

      В результате первого этапа сравнительных испытаний разработанных коронок наихудшие результаты показала коронка КЗВ. В дальнейшем сравнительные испытания коронок КСБ–1, КСБ–2 и  NQ  «Boart Longyear» были проведены на зо-лоторудном месторождении Мизек. Бурение проводилось по андезитовому пор-фириту и интенсивно окварцованному туфу андезитового состава (Х и XI кате-гории буримости соответственно). На рис.4 приведены зависимости механической скорости от времени бурения по вышеназванным породам коронками NQ «Boart Longyear» и КСБ – 2 (коронка КСБ–1 показала результаты, аналогичные КСБ – 2).

      Анализ графиков показывает, что скорость бурения коронкой КСБ–2 изменяется циклически, причем количество циклов равно числу алмазосодержащих слоев в матрице. В начальный момент разрушение забоя происходит острыми кольцевыми клинообразными алмазосодержащими выступами, и скорость бурения максимальна (точки А и А' на кривых 1, 3). Затем последняя снижается по мере абразивного износа первого алмазосодержащего слоя до точек В и В', соответствующих его полному износу. В этот же момент, в результате более интенсивного износа первого безалмазного слоя, в работу по разрушению забоя вступает второй алмазосодержащий слой. Далее циклы возрастания и убывания скорости повторяются вплоть до износа последнего алмазосодержащего слоя.

      Иначе изменяется механическая скорость при использовании коронки NQ  «Boart Longyear», алмазосодержащая матрица которого имеет лишь торец, выполненный в виде конических кольцевых выступов и впадин. В начальный момент (точки Д и Д' на графике) скорость бурения максимальна и превышает аналогичный показатель коронки КСБ – 2 (рисунок 4). Объясняется это меньшими углами приострения конических кольцевых выступов у коронки NQ «Boart Longyear», что ведет к интенсификации процесса разрушения породы. Далее по мере износа «гребешков» (выступов), скорость бурения снижается и стабилизируется при их полном износе, когда "гребешковый" профиль торца матрицы превращается в прямоугольный.

      Стойкость алмазных коронок характеризуется площадью под кривыми 1, 2, 3, 4 (рис. 4). Из графиков следует, что стойкость коронки КСБ – 2 превышает аналогичный показатель коронки NQ на 25 – 30 %, что значительно увеличивает рейсовую скорость и производительность бурения за смену. Что касается сравнения коронок КСБ – 1 и КСБ – 2, то предпочтение нужно отдать последней, так как при ее изготовлении затрачивается меньше алмазного сырья.

      Для решения проблемы повышения выхода керна проанализированы факторы, снижающие его выход при бурении твердых пород ССК. Из анализа следует, что главным негативным фактором, снижающим достоверность опробования и производительность проходки скважин, является самозаклинивание керна в керноприемной трубе. Известные исследования по выявлению причин самозаклинивания керна, посвящены изучению этого явления при бурении только вертикальных скважин и при действии прямого потока промывочной жидкости на формирующийся керн.

          1, 3 – коронка КСБ – 2; 2, 4 – коронка NQ  "Boart Longyear"; 1, 3 – буримая  

          порода – андезитовый порфирит; 3, 4 – буримая порода – туф андезитового

          состава, интенсивно окварцованный.

 

Рисунок 4 – Зависимость механической скорости бурения от времени бурения (диаметр скважины – 76мм).

 

      Рассмотрим сначала формирование керна при традиционном бурении наклонных скважин с использованием одинарных колонковых наборов (рис. 5). На отделенный трещиной верхний кусок керна I действует сила его тяжести Р и сила Т, обусловленная скоростным напором бурового раствора. Обозначим:  – угол наклона трещины к оси керна;  – зенитный угол скважины; dk – диаметр керна; h – минимальная высота верхнего куска керна.

      Из рассмотрения уравнений равновесия куска керна I относительно пенька (рис. 6) получим связь угла наклона  с размерами и весом керна, скоростным напором жидкости Т и зенитным углом наклонной скважины:

 

                                                 (4)

      где       

      Если скважина вертикальна, то , и величины А и В соответственно будут равны:           

                                

      Из (4) получим предельный угол , при котором происходит смещение керна по трещине:

                              .

      При бурении с использованием ССК промывочная жидкость направлена по кольцевому зазору между керноприемной трубой и наружной трубой колонкового набора к забою скважины.

 

 

Рисунок 5 – Силы, действующие на керн при традиционном бурении одинарным колонковым набором с прямой промывкой.

 

      Рисунок 6 – Силы,

    действующие на кусок керна I.

      Поэтому в уравнении (4) следует принять Т = 0, Тогда (4) примет вид:

                                               (5)

      При коэффициенте трения кусков горной породы = 0,30,4 имеем = 73 –  680 . При углах , меньших чем , кусок I переместится по плоскости трещины и войдет в контакт с внутренней поверхностью керноприемника.

      Для нахождения угла , при котором происходит смещение керна по трещине, была составлена программа "САМОЗАКЛИНИВАНИЕ" в системе Delphi 7. Программа рассчитывает угол  в зависимости от зенитного угла наклона скважины и величин действующих на керн сил.

      Достаточным условием самозаклинивания керна является невозможность передвижения смещенного куска как вверх по плоскости трещины, так и в осевом направлении относительно колонковой трубы.

      Предположим, что верхний кусок I под действием сил Р и Т (или только Р при использовании ССК) переместился по трещине и занял такое положение, когда его боковая поверхность касается керноприемной трубы (рисунок 7). При этом верхний кусок заклинивается между трубой и пеньком II. Степень заклинивания изменяется от минимальной величины, определяемой действием сил Р и Т, до максимальной, равной величине осевой нагрузки С.

Рассмотрим равновесие куска I, пренебрегая силами Т и Р ввиду их малости по сравнению с силой С (рис. 6). Осевая нагрузка вызывает появление нормальных реакций  N1, N2 и силы трения     ( – коэффициенты трения куска I о пенек керна и керноприемную трубу).

 

 

                                     

              

Рисунок 7 – Силы, вызывающие смещение керна I по трещине AF.

 

      Решение составленных систем уравнений равновесия и соответствующие преобразования позволили получить следующую зависимость: 

          

          (6)

      Полученное соотношение (6) было проанализировано для 2-х случаев.

      В первом случае высота h куска керна I мала по сравнению с диаметром dk, т.е.  Тогда (6) перепишется в виде:

                                                                               (7)

      Уравнение (7) имеет два корня: = 0, т.е. вдоль колонковой трубы нет перемещения вследствие заклинивания керна кусочком, отделенным с его торца; 1sin-cos = 0, откуда tg = 1/1 и  = arctg(1/1), т.е. в этом случае невозможно перемещение вверх по трещине вследствие заклинивания куска керна I относительно пенька II (рисунок 7).

      Во втором случае высота керна h имеет такой же порядок, что и диаметр. Тогда соотношение (6) после преобразования примет следующий вид:

 

                          sin(f1sin-cos)(dкf2- h) = 0                                           (8)

      Уравнение (8) имеет три корня: =00;  

      Два рассмотренных условия совпадают с условиями, указанными в первом случае. Третье условие определяется отношением  h/dк: чем больше высота керна h, тем больше коэффициент трения .

      Самозаклинивание керна при бурении раздробленных пород происходит при условии выполнения уравнений (7), (8) и при самых различных отношениях диаметра к высоте смещаемого по трещине куска керна.

      Самозаклинивание наступает тогда, когда реализуется смещение верхнего куска керна относительно пенька под действием скоростного напора промывочной жидкости и веса смещаемого куска (или только под действием веса последнего при бурении ССК), причем смещенный кусок не может возвратиться в исходное положение из-за больших сил трения на контактах с пеньком керна и боковой поверхностью керноприемной трубы.

      При рассмотрении влияния обратного потока промывочной жидкости на формирование керна при бурении ССК необходимо было установить условия исключения самозаклинивания керна в зависимости от интенсивности и направления трещиноватости буримых пород, расхода обратного потока жидкости и поперечных размеров колонковой трубы и керна. Предполагается, что в смещенном положении боковая поверхность куска I еще не контактирует с внутренней поверхностью колонковой трубы (рисунок 8).

      На кусок I  будет действовать возрастающая при его смещении сила Т1 скоростного потока жидкости, движущегося в кольцевом зазоре между трубами:

                                                                                  (9),

где Сх – коэффициент лобового сопротивления куска I керна; Sxмиделево сечение куска керна, м2 ; Q – расход промывочной жидкости, м3/с; dвн– внутренний диаметр керноприемной трубы, м; dkдиаметр керна, м. Изменение силы Т1 объясняется ростом площади Sx, максимальная величина которой при смещении куска I по трещине равна: , где t  зазор между керном и керноноприемной трубой, м. Сила тяжести куска Р в промывочной жидкости равна:

                                                                    (10)

 

 

 

 

                                     

              

Рисунок 8 – Силы, действующие на керн в наклонной скважине при обратном потоке промывочной жидкости.

 

       Уравнения равновесия для куска керна I (рисунок 8) при замене на него действия со стороны пенька II нормальной реакцией N и силой трения  Fтр.=f ·N  будут выглядеть:

   (11),

где хс, ус – координаты центра тяжести куска керна I.

      После нахождения координат центра тяжести хсс, решения системы уравнений (11), подстановки в нее значений сил Т, Р и соответствующих преобразований формула для обратного расхода Q промывочной жидкости, исключающего самозаклинивание будет следующей:

                (12)

     Как следует из формулы (12), максимальный расход потока для исключения самозаклинивания керна требуется при бурении вертикальной скважины.

      Формула (12) имеет физический смысл лишь в том случае, когда в подкоренном выражении сомножитель

                                  (13)

      Если соотношение (13) окажется отрицательным, то физически это означает, что отделенный трещиной кусок керна под действием опрокидывающего момента М0 = Р·а упадет на внутреннюю поверхность керноприемной трубы (рисунок 9). Такой момент возникает тогда, когда определенное сочетание углов  и  приводит к отклонению направления силы тяжести Р куска I вправо от вертикали, проходящей через точку А (рисунок 9).

 

Зависимости  носят приближенно характер прямой пропорциональности, причем с 

уменьшением угла наклона  к оси керна потребный расход Q для исключения самозаклини-вания возрастает.

      Таким образом, зная направле

ние и интенсивность трещинова-тости буримых пород, можно  вы-числить необходимый расход об-ратного потока промывочной жид

кости, исключающего  самозакли-нивание керна.

      Возбуждение обратного пото-

ка достигается наиболее простым, известным из практики буровых

работ – эжекторным насосом. Он

Рисунок 9 – Выпадение куска 1 керна под действием опрокидывающего момента М=Р.а и силы, действующие на выпавший кусок (т. О – центр тяжести куска 1).

является основным элементом в конструкции одинарных и двойных эжекторных колонковых снарядов.

      Известны работы ВИТР по созданию ССК с эжекторным и вибрационным устройствами. Сочетание их привело к значительному изменению общей конструкции снаряда. Испытания указанных ССК при бурении скважин диаметром 59 мм в сложных условиях дали положительные результаты: выход керна увеличился на 15 – 20 %, проходка за цикл на 10 – 15 %.

      Вместе с тем, разработанный ВИТР ССК с эжекторно-вибрационном узлом отличается сложностью конструкции, недостаточно качественным изготовлением и невысокой надежностью в работе. Кроме того, малый диаметр бурения и недостаточная жесткость снаряда не позволяют с высокой точностью прямолинейно бурить вертикальные и наклонные скважины, а также применять высокоэффективные средства отбора ориентированного керна. 

      В связи с этим для модернизации ССК необходимо было решить вопрос об использовании высокопроизводительных и достаточно точных средств отбора ориентированного керна, а также о значительном повышении жесткости бурового снаряда. Указанные задачи необходимо было решить комплексно при внесении минимальных конструктивных изменений в устройство ССК. В настоящей работе объектом модернизации стал снаряд NQ «Boart Longyear», доказавший свою высокую производительность и надежность в разведочном бурении (при диаметре бурения 76 мм) на многих месторождениях Казахстана.

  Эжекторный узел (рисунок 10) встраивается между керноприемной трубой 6 и подшипниковым узлом колонкового набора (на рисунке не показан). Для направления нагнетаемой промывочной жидкости в сопло 1 эжектора кольцевой зазор между керноприемной и наружной трубами 5 перекрыт герметизатором 4. Последний изготовлен из так называемой «скользкой» резины, имеющей малый коэффициент трения. Это дает возможность выполнять герметизатору дополнительную функцию подшипника скольжения. Остальные элементы призабойной части снаряда приведены в подрисуночной надписи. Стрелками показано направление движения рабочего и эжектируемого потоков.

      Для доказательства работоспособности предлагаемой конструкции и определения рациональных параметров эжекторного узла ССК были проведены экспериментальные исследования на лабораторном стенде. Экспериментальный   образец представлял вышеприведенную призабойную часть ССК NQ «Boart Longyear» (рис.10) со следующими конструктивными изменениями: вместо буровой коронки в нижний торец наружной трубы ввинчивался переходник со сливным шлангом, снабженным регулировочным вентилем. Внутри нижнего переходника имелось гнездо, куда при необходимости вставлялся имитатор керна. На наружной трубе были выполнены два  отверстия со штуцерами, к которым подсоединялись трубки дифференциального ртутного манометра. Указанные точки располагались ниже наклонного канала, по которому текла жидкость из камеры смешения эжекторного узла. База между точками замера составляла 1,5 м. Кроме того, на боковой поверхности труб 5, 6 (рис.10) было выполнено  пять  сквозных  штуцеров для замера давления эжектируемого потока, движущегося по кольцевому каналу между имитатором керна и керноприемной трубой.   

1 – сопло; 2 – камера смеше-ния; 3 – диффузор; 4– герме-тизатор; 5 – труба наружная; 6 – труба керноприемная; 7 – керн трещиноватых пород; 8 – буровая коронка.

 

Рисунок 10 – Призабойная часть ССК с эжекторным узлом.

Задачей первого этапа исследования являлось установление зависимости  между диаметром сопла эжектора и перепадом давления в струйном насосе при различных расходах рабочего  потока, а также выявление закономерности, связывающей расходы рабочего и эжектируемого потоков и перепад давления в эжекторе.                 

     Зависимость  диаметра сопла dс от перепада давления Р в эжекторном аппара-те при различных расходах Qр нагнетаемой буровым насосом рабочей жидкости (воды), показана на рисунке 11. Здесь же показано изменение коэффициента эжекции  от Р. При этом установлено следующее:

– с увеличением Р диаметр насадки dс  снижается (при постоянном расходе Qp);

– с увеличением расхода выбрасываемой из на-садки жидкости диаметр сопла увеличивается (при постоянном перепаде давления);

– величина коэффициента эжекции  для различных расходов Qp  при  изменяется практически одинаково (поэтому показана лишь одна кривая).

     Из практики бурения алмазными ПРИ  известно, что эрозия и последующий размыв алмазосодержащей  матрицы  наступает при расходе жидкости  (при диаметре бурения 76 мм).

 

             

 

Рисунок 11 – Зависимость диаметра сопла от перепада давления в струйном насосе при различных расходах рабочего потока.

 

 

 

      Анализ графиков (рисунок 11) показывает, что при оснащении ССК эжекторным узлом диаметр сопла принимается равным 6,2 – 6,8 мм. При этом расход рабочего потока составит 65 – 75 л/мин.

     В ходе экспериментов получены зависимости расходов рабочего Qp и эжектируемого  Qэ потоков жидкости от перепада давления в эжекторе ΔР, которые аппроксимируются следующими формулами:

                                                                                                 (15)                              

                                                                               (16),                                              

где К – постоянная, для данных диаметров сопла и камеры смешения. Для dс= 6.2 мм; dсм = 12,5 мм;  К = 77,5 ; Qminэ, Qmaxэ – нижний и верхний интервалы измерений расходов эжектируемого потока, Рmax,иРmin – верхний и нижний интервалы измерений перепада давления в эжекторе.

      Анализ формул (15,16) показывает, что если расход рабочего потока, непосредственно попадающего под торец алмазной коронки, составляет 75 – 80 л/мин; то соответствующий расход эжектируемого потока составляет 35 л/мин при перепаде давления в насадке Р =1МПа.

      На втором этапе исследований была установлена зависимость потерь давления Р при течении обратного эжектируемого потока (при его различных расходах Qэ) от длины формирующегося керна Lкд. Последний является дополнительным гидравлическим сопротивлением, возрастающим с углублением скважины.

      Для установления указанной зависимости в снаряд (рис.10) вместо коронки навинчивается переходник, в гнездо которого вставляются имитаторы керна, их длина изменяется от 0,3 до 2,1 м и соответственно им располагаются штуцеры. В них последовательно монтируются манометры, фиксирующие соответствующее давление жидкости. На рисунке 12 приведены зависимости перепада давления от длины формирующегося керна при различных расходах Qэ эжектируемого потока. Падение давления вызывает адекватное уменьшение силы скоростного потока промывочной жидкости, предотвращающего смещение кусков керна и дальнейшее их самозаклинивание. Кроме того, из формулы (1) следует, что стабилизация времени Тсп на все спуски и подъемы керноприемной трубы ССК наступает при проходке за цикл, приближенно равный 2 м. Эту величину  следует рекомендовать при использовании ССК, оснащенного эжекторным узлом.

      Полученные рациональные значения параметров эжекторного аппарата дали возможность разработать, запатентовать и изготовить ССК, оснащенный эжекторно-вибрационным узлом. Он встраивается в ССК NQ с минимальными конструктивными изменениями, заключающимися в укорочении керноприемной и колонковой труб для размещения эжекторного узла и его стыковки с помощью муфты и переходников с остальными элементами снаряда.

      Повышение качества геологической информации при бурении ССК обеспечивается также при решении следующих задач:

Рисунок 12 – Зависимость перепада давления ∆Р при течении обратного эжектируемого потока, от длины формирующегося керна Lк при различных расходах эжектируемого потока Q.

 

– разработка эффективных технико-технологических средств взятия ориентированного керна;

– разработка экономичных и надежных технико-технологических средств сохранения прямолинейности вертикальных и наклонных скважин.

      Важную геологическую информацию дает керн, который извлекается из горного массива и ориентируется в пространстве так, как он  залегал в опробуемом массиве. Взятие ориентированного керна также широко практикуется при бурении разведочных скважин на действующих карьерах, где знание о направлении трещиноватости пород необходимо для безопасного ведения горных работ.

     Анализ конструкций существующих отечественных и зарубежных керноориентаторов показывает, что они либо предназначены только для традиционного колонкового бурения, либо конструктивно сложны и малопроизводительны при бурении ССК, а также их применение ограничено определенными геологическими условиями.

      С учетом этих недостатков нами разработан керноориентатор «След», который защищен патентом РК и предназначен для ориентированного взятия керна при бурении ССК диаметром 76 мм. Прототипом указанного прибора является керноориентатор фирмы «VAN RUTH PRODUCTS» (Австралия).

      Керноориентатор (рисунок 13) представляет маслонаполненный герметизированный корпус 1, внутри которого проходит вал 2, свободно вращающийся в подшипниках 3. Призабойный конец вала снабжен клинообразным    долотом   9,   а   противоположенный   конец  сопрягается с наковальней 10. С выходящим из корпуса 1 концом вала жестко связан массивный груз 4, по периферии которого в продольном направлении размещены шесть игольчатых стержней 5. Перемещение последних возможно при небольшом усилии, так они плотно окружены оболочками 6. В грузе 4 выфрезерована полость 7. Поэтому плоскость симметрии груза (его продольное сечение) при наклоне прибора совпадает с апсидальной плоскостью скважины. В этой  плоскости лежит также лезвие клинообразного долота 9. След апсидальной плоскости на грузе 4 отмечен риской 8. К корпусу 1 присоединен кожух 11, внутри которого размещен ударник 12, оканчивающийся тягой 13 с канатом 14.

Работа прибора осуществляется в следующей последовательности. После извлечения керноприемника из снаряда ССК внутрь последнего опускается инклинометр для замера азимута и зенитного угла, а затем на канате опускается керноориентатор. При этом игольчатые стержни 5 максимально выдвинуты из груза 4. При контакте прибора с забоем  (торцом керна, который будет формироваться в процессе будущего рейса) игольчатые стержни под действием веса керноориентатора вдвигаются внутрь груза 4 до тех пор, пока долото не коснется забоя. В результате концы игольчатых стержней и долото  повторят рельеф верхнего торца будущего керна. Затем, сматывая канат с барабана лебедки, наносят удар по наковальне 10 ударником 12. Ударный импульс, пройдя по валу 2, воздействует через клинообразное долото на торец керна. В результате на последнем остается след (черта), находящийся в апсидальной плоскости. Керноориентатор извлекается из скважины и укладывается в футляр таким образом, чтобы положение стержней и долота оставалось неизменным. Затем в снаряд опускается керноприемник, и скважина углубляется на величину цикла. После подъема керна на поверхность его верхний столбик подносят к выдвинутым стержням и долоту ориентатора. Путем медленного вращения образца вокруг оси добиваются контакта всех шести игольчатых стержней и долота с торцом керна. В этом положении рельеф последнего повторит поверхность, на которой находятся концы стержней долота. Поэтому риска 8 на грузе 4 укажет направление апсидальной плоскости, которое фиксируется на столбике керна маркером. Контроль правильности этой операции осуществляется по следу, оставленному на торце керна клинообразным долотом. Затем, используя геолого – структурные признаки (слоистость, торцевые сколы, рельеф), увязывают все столбики керна между собой и отмечают на них след апсидальной плоскости.

      Таким образом, при использовании керноориентатора «След» положение апсидальной плоскости определяется двумя независимыми методами: сканированием рельефа торца керна и ударным воздействием на последний клинообразного долота. Необходимость использования двух методов обосновывается еще и тем, что в определенных геологических условиях один из методов нельзя использовать. Например, метод сканирования не применим, если торец керна плоский и перпендикулярен оси скважины. Часть рациональных параметров керноориентатора «След» определена в процессе эксплуатации его прототипа. К ним относятся:

 

 

 

Рисунок 13 – Керноориентатор «След».

1) диаметр керноориентатора – 45 мм. (при использовании ССК NQ); 2)коли-чество игольчатых стержней – 6 шт; расположение стержней –по 3 шт сим- метрично относительно плоскости симметрии груза (позиция 4 на рис.13) по диаметру 36 мм; 3) диаметр и длина вала – 0,02 м и 0,65 м соответственно. Необходимо было определить рацио-нальные величины следующих остав-шихся  параметров: массу ударника и высоту его сбрасывания, длину лезвия клинообразного долота,  общую длину керноориентатора и его массу.

      Масса ударника и высота его сбра-сывания на наковальню определяют глубину внедрения долота. При этом   получают отчетливо   видимую  черту (след) на торце керна, показывающую направление апсидальной плоскости. Глубину внедрения h долота в горную

породу определяют по уточненной на-

ми формуле: 

   h  =   , м.      (17)

где  – максимальная сила удара, 

приложенная на контакте «долото-порода»; L– длина лезвия долота, м;  – угол приострения лезвия долота, град; f  коэффициент трения щек долота при внедрении в горную породу; Рш – твердость породы по Л.А. Шрейнеру, Па.

      Уточнение формулы (17) заключалось в замене предела прочности на сжатие в известной формуле на контактную твердость Рк = 0,62 Рш. Сила  определена по методике волновой теории удара с учетом податливости горной породы внедрению долота. Ее максимальная величина определяется по формуле:

,                            (18)

где v0 – предударная скорость ударника (позиция 12 на рисунке 13);

     n =  ; – податливость наковальни 10, которой оканчивается вал 2; М – масса ударника, кг; - скорость распространения волны деформацией по валу 2; Е – модуль упругости материала вала Па; F – площадь поперечного сечения вала а = 5 ·м/с; m =;  – податливость горной породы внедрению долота (кварцит),  = 3,8 ·  

На рисунке 14 приведены указанные зависимости для кварцита и гранита. При выборе параметров удара следует ориентироваться на углубление долота в са-мую твердую породу. Визуальное изучение насечек на горной породе, оставлен-ных клинообразным долотом, и исследование шлифов под микроскопом пока-зали, что отчетливая   черта без затруднений определяется при величине hmax = 0,3 мм.

      Ориентируясь на самую твердую породу (кварцит) и в соответствии с графиком (рис. 14) нами рекомендуются следующие рациональные параметры ударного узла керноориентатора: масса ударника m = 4 кг и высота сбрасывания ударника

S = 0,7 м.

 

 

Рисунок 14 – Зависимость глубины внедрения долота керноориентатора в торец керна от массы ударника при его различной предударной скорости V0.

 

      Таким образом, общая длина керноориентатора «След» (с учетом длины вала с долотом, высоты сбрасывания ударника и длины последнего) составляет 1,7 м, а масса прибора – 10,5 кг.

      Для сохранения прямолинейности бурового снаряда при бурении вертикальных и наклонных скважин разработаны рекомендации по повышению его жесткости. Обычно повышение жесткости достигается путем установки по длине снаряда промежуточных опор (центраторов), наружный диаметр которых приближается к диаметру скважины. Как правило,  рекомендуется установка центраторов по длине бурильной колонны на расстоянии, равном длине полуволны, причем их количество должно быть не менее двух.

      При бурении верхнего интервала скважины осевая нагрузка на забой создается усилием гидравлики бурового станка, которая по мере углубления скважины постепенно заменяется весом бурильной колонны. Если забой скважины находится на малой глубине, то требуемая по величине осевая нагрузка на забой формируется из суммы двух слагаемых: веса бурильной колонны в скважине, заполненной промывочной жидкостью, и сосредоточенной силой, передаваемой на бурильную колонну гидравликой бурового станка. Поэтому для расчета длины полуволн колонны предложено заменить эту силу эквивалентным весом бурильной колонны. С учетом замены были рассчитаны длины полуволн бурового снаряда NQ, имеющего следующие параметры: наружный диаметр бурильных труб dн = 70 мм; внутренний диаметр бурильных труб dвн = 64 мм; диаметр алмазной коронки – 76мм; диаметр центратора – расширителя – 75,8 мм.

      Анализ расчетов показывает, что частота вращения незначительно влияет на длину полуволны. Гораздо большее влияние оказывает изменение нагрузки на забой Р3. Так, с уменьшением нагрузки на забой с 1800 даН до 1000 даН длина полуволны увеличивается с 1,31 м до 1,76 м, т.е. на 0,45 м.

      Наиболее простые центраторы, уменьшающие искривление бурильной колонны, а следовательно, и скважины, рекомендуется создавать путем наплавления на боковой поверхности бурильной колонны швов сормайтом или релитом. Каждый центратор будет представлять 3 – 4 таких шва, расположенных равномерно по боковой поверхности колонны. Представляется целесообразным устанавливать центраторы через четверть длины полуволн, а также в средней части колонкового набора. Длина твердосплавных швов должна составлять 100 – 150 мм, чтобы перекрыть возможные перемещения гребней полуволн в результате изменения осевой нагрузки относительно рекомендуемой величины.

      Начиная с 2002 года компанией «Бурмаш» были проведены производственные испытания отдельных элементов разработанного комплекса, а с 2003 года, когда комплекс был сформирован в полном объеме и внедрен в практику  бурения ССК,  – на 12 месторождениях Казахстана.

      Ниже приводятся усредненные результаты сравнительных испытаний комплекса при проведении буровых работ на месторождениях Кызылшокы, Акбакай, Архарлы, Васильковское и Мизек (таблица).

      Анализ данных таблицы показывает, что основные технико- экономические показатели разработанного комплекса значительно превышают таковые при использовании традиционного ССК.

      Таким образом, внедрение разработанного комплекса на базе ССК NQ  экономически оправдано, так как без снижения качества позволяет значительно улучшить основные показатели буровых работ.

      Рациональная область применения разработанного комплекса ССК устанавливалась при выполнении следующих двух условий:

;                                                       (19)

;                                                       (20),

 

 

Таблица – Результаты сравнительных испытаний традиционного и

разработанного комплекса ССК.

 

Тип применяемого ССК

Средняя категория буримости

Трещиноватость Ку, шт/м

Средняя длина поднятого керна, м

Средний выход керна, %

Среднее время на ориентированный отбор керна, мин

Всего отобрано ориентированного керна, м

Средняя механическая скорость бурения, м/час

Проходка на алмазную коронку, м

Всего пробурено, м

Отклонение трассы на конечной глубине от проектной, м

Производительность м/стмес

Традици-

онный ССК

Х

40

0,5

95

40 мин + 0,6 ч камеральная обработка (керноориен-татор КНД-76L)

200

2,7

168

4340

0,7

500

Разрабо-

танный ССК

Х

40

0,75

98,7

10 мин (керноориен-татор "След")

2950

2,7

202

5240

0,3

580

 

     

где – разница между временем сооружения скважин одинаковой конструкции традиционным ССК (ВТСК) и модернизированным ССК (ВМСК);  – разница в стоимости сооружения скважин одинаковой конструкции традиционным ССК (СТСК) и модернизированным ССК (СМСК).

      Затраты времени на сооружение скважины ВТСК и ВМСК состоят из суммы следующих величин:

               (21)

 

                 (22)

 

Обозначения в формулах (21), (22) (символы с одним штрихом относятся к традиционному ССК, с двумя штрихами – к модернизированному) следующие:   – глубина скважины; ,– средневзвешенная механическая скорость бурения, м/с; , – время СПО 1м колонны бурильных труб, ч/м; ,– время СПО  керноприемника, приходящееся на 1м скважины ч/м; , – углубление скважины за рейс, м; ,– время работы керноориентатора, приходящееся на 1м скважины, ч/м; ,время СПО инклинометра, приходящееся на 1м скважины, ч/м; a – коэффициент (в долях единицы), учитывающий метраж отбора ориентированного керна от общей глубины скважины; ,– углубление скважины за цикл, м; – средняя длина поднимаемого ориентированного керна, м; ,– время вспомогательных работ в цикле, ч; ,– время для наращивания снаряда, ч; ,– время на монтаж – демонтаж установки, ч.

      Полагая  в  рассматриваемом  случае   = ; = ; = ; =и = , вычтем (22) из (21) и, разделив полученную разность на , получим безразмерный показатель производительности сооружения скважины Кпр:

           (23)

      С учетом условно – постоянных затрат на сооружение скважины, показатель стоимости Кст будет иметь вид:

                                                       (24),

где  – разность в стоимости материалов, расходуемых на один метр бурения при применении модернизированного и традиционного ССК;   соответственно затраты в единицу времени на заработную плату, амортиза-ционные отчисления стоимость материалов расходуемых в единицу времени, при бурении традиционным ССК, тенге/ч.

      Рациональное применение разработанного комплекса ССК взамен традиционного ССК требует выполнения двух условий:

                                 ;.                                                        (25)

      Неравенства (25) отличаются от известных тем, что, во-первых, сравниваются два ССК (традиционный и модернизированный), во-вторых, левая часть неравенств с учетом (23) учитывает изменения условий применения разработанного ССК в сложных условиях благодаря разработанному комплексу технико – технологических средств.

      Экономическая эффективность от применения алмазных коронок КСБ и разработанного комплекса ССК.

      Технико-экономические показатели бурения опытными коронками КСБ – 1 и КСБ – 2 при рациональных параметрах режима бурения определялись в сравнении с серийными коронками фирмы «Boart Longyear».

      Экономическая эффективность от применения коронок КСБ – 1 и КСБ – 2  достигается за счет увеличения проходки на коронку на 22 – 23 %, что значительно повышает рейсовую скорость, производительность бурения в смену и составляет 165 300 тенге от применения одной  алмазной  буровой  коронки.  

      Расчет экономической эффективности разработанного комплекса на базе ССК NQ  «Boart Longyear» основан на экономии условно-постоянных расходов Эуп, определяемых по формуле:

                                       ,                                 (26)

где Зупм, Зуптр – сумма условно-постоянных затрат (без амортизации) при использовании модернизированного комплекса ССК и традиционного ССК соответственно; КTQ – индекс роста объема буровых работ КTQ=  QTP/Qм, где

QTP/Qм – объем бурения традиционным и модернизированным комплексами.

      Результаты производственных испытаний разработанного комплекса свидетельствуют, что производительность бурения увеличилась в сложных условиях с 500 м/мес до 580 м/мес, т.е. индекс роста объемов бурения составил: . Тогда с учетом (26)  тенге/м, а экономия на

скважину глубиной 500 м составит: тенге.                                 

      Экономия за год с учетом времени бурения всей скважины глубиной 500 м за 26 суток, составит:

                      тенге.                                                (27)

Годовой экономический эффект на один комплект составляет:

                    тенге

      Таким образом, внедрение разработанного комплекса ССК и алмазных буровых коронок КСБ экономически оправдано,  что позволило компании «Бурмаш» внедрить созданные технологии и оборудование в практику буровых работ при разведке 12 месторождений Казахстана и получить реальный экономический эффект в сумме  160 млн. тенге за 4 года.

 

Заключение

 

      В диссертации получены новые научно обоснованные теоретические и экспериментальные результаты, использование которых обеспечивает решение крупной прикладной проблемы – создание комплекса  технологий и технических средств для бурения скважин в сложных геологических условиях, значительно повышающих эффективность буровых работ.

      Основные научные результаты, практические выводы и рекомендации, полученные лично автором при выполнении исследований, заключаются в следующем:

1. Дано теоретическое обоснование рациональной форме профиля алмазосодержащего торца матрицы коронки для снарядов со съемным керноприемником. Такая форма представляет конические кольцевые выступы и впадины, причем с уменьшением угла приострения конических выступов интенсивность разрушения возрастает.

2. Создан ряд многослойных импрегнированных алмазных коронок, защищенных патентами Республики Казахстан. Высокие результаты достигаются при использовании многослойной импрегнированной коронки с равнонагруженными алмазосодержащими слоями. Оптимальная форма профиля слоев – конические кольцевые выступы и впадины, высота которых уменьшается в направлении от периферийной части матрицы к внутренней по линейному закону.

3. Предложена формула  для расчета расхода обратного потока промывочной жидкости, предотвращающего самозаклинивание керна при бурении вертикальных и наклонных скважин; разработана компьютерная программа расчета, учитывающая величины зенитного угла, угла между трещиной и осью керна, а также геометрические размеры т плотность последнего.

4. Разработан экспериментальный образец ССК с эжекторным узлом, защищенный патентом РК; определены рациональные параметры эжекторного аппарата, установлена зависимость диаметра сопла эжектора от перепада давления при различных расходах рабочего потока, которая носит параболический характер.

5. Создан экспериментальный образец керноориентатора, защищенный патентом РК. Определены параметры ударного узла керноориентатора: масса ударника и высота его сбрасывания, необходимые для получения отчетливого следа апсидальной плоскости.

6. Разработан ССК повышенной жесткости, защищенный патентом РК. Для расчета длин полуволн бурового снаряда при бурении неглубоких скважин предложено заменить требуемую осевую нагрузку на забой эквивалентной длиной бурового снаряда.

7. Предложенный комплекс технико – технологических средств бурения в сложных условиях с использованием ССК испытан в производственных условиях при проходке колонковых скважин на 12 месторождениях республики:

          внедрение ССК с эжекторно – вибрационным узлом позволило в 2 – 3 раза снизить число самозаклиниваний керна, что повысило качество последнего и увеличило сменную производительность бурения на 18 – 40%;

          керноориентатор «След» обеспечил повышение производительности отбора ориентированного керна в 2 – 3 раза при одновременном повышении надежности в определении апсидальной плоскости;

          созданная многослойная коронка КСБ – 2 с равнонагруженными в процессе бурения алмазосодержащими слоями по механической скорости бурения имеет такой же показатель, как коронка NQ с гребенчатым профилем торца фирмы «Boart Longyear», а по стойкости превосходит упомянутую коронку на 20 – 2                                                                                                                                                            5 %.

8. Предложен критерий рациональной области применения созданного комплекса средств, который учитывает специфику геолого – технологических условий его использования. 

  9. Годовой экономический эффект на один разработанный комплекс средств ССК составит 3 млн. 181 000 тенге.

Внедрение комплекса в практику буровых работ при разведке 12 месторождений Казахстана за 4 года дало реальный экономический эффект в сумме  160 млн. тенге.

 

Список опубликованных работ по теме диссертации:

 

1              Кудайкулов С.К. Опыт бурения комплексом со съемным керноприемником NQ на месторождениях Казахстана. //Материалы 4 Междунар. симп. по бурению скважин в осложненных условиях. 8 – 12 июня Санкт-Петербург, 1998. –  С. 49 – 51.

2              Кудайкулов С.К., Суворов В.А., Касенов А.К., Федоров Б.В. Результаты буровых работ комплексом со съемным керноприемником фирмы «Boart Longyear». //Вестник КазНТУ. № 3/4 (37/38), Алматы, 2003.– C.105 – 109.

3        Кудайкулов С.К., Кудайкулов Д.С., Суворов В.А., Касенов А.К., Федоров Б.В. Сравнительные испытания технических средств взятия ориентировочного керна при колонковом бурении. //Новости науки Казахстана. №3, Алматы, 2004. – C.82 – 89.

4        Serik Kudaikulov. Well drilling by Professionals. //Almaty Invest Kazakstan. 2004, № 2.P. 88 – 90.

5        Кудайкулов С.К. Пути повышения производительности и информативности буровых работ при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. //Труды Междунар. конф. «Инженерное образование и наука в XXI веке». 24 – 25 сент. Т.3. – Алматы, 2004. – С.144 – 151.

6        Кудайкулов С.К. Пути повышения информативности и скорости колонкового бурения скважин. //Строит. нефт. и газ. скважин на суше и на море. М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», № 11, 2005. – C.9 – 13.

7        Кудайкулов С.К. Пути повышения информативности и производительности колонкового бурения скважин.//Материалы VII Междунар. конф. «Новые идеи в науках о земле». Т. 3. – Москва, 2005. – 283 – 285.

8              Волков С.А., Соловьев Н.В., Кудайкулов С.К. Прогнозирование углубки на алмазную коронку по величине затрат мощности на забое при бурении. //Технология и техника геологоразведочных работ. Межвузовский сб.научных трудов, М.: МГРИ, 1986. – C.39 – 50.

9              Калинин А.Г., Соловьев Н.В., Кудайкулов С.К. Прогнозирование величин углубки на алмазную коронку. //Синтетические сверхтвердые материалы в геологоразведочном бурении. – Киев: ИСМ АН УССР, 1987. –  C.39 – 42.

10         Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К., Быченков Е.И. Исследование работы алмазной импрегнированной коронки в условиях ее фаскообразования. В сб.: Исследование технологии и техники бурения ССК и повышение эффективности их внедрения. – Л.: ОНТИ ВИТР, 1988. – C.43 – 48.

11         Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К., Тунгусов А.А. Устранение аномального износа в импрегнированных коронках. //Синтетические и сверхтвердые материалы в буровом инструменте. Киев, ИСМ АН УССР, 1988. – С. 44 – 49.

12         Айтул А.Н., Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К. Исследование процесса образования фасок на алмазных коронках методом экспертных оценок. //Геология и разведка., Изв.ВУЗов., № 4, М., 1988. – С. 112 – 113.

13         Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К. Рациональная система отработки алмазных импрегнированных коронок в последних рейсах. //Геология и разведка. Известия ВУЗов, № 10, М., 1988. – С. 115 – 119.

14         Кудайкулов С.К., Алишев А.К., Сейдгапаров Б.А. и др.. Опытно-методические работы по внедрению прогрессивных способов и методов бурения и проходки горных выработок на месторождениях Южного Казахстана. //ЮКТГУ, Алма-Ата, 1989. – 236с.

15         Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К. Исследование работы алмазной коронки в условиях фаскообразования. В сб.: Геология, техн.разв. и технол. изучения минер. сырья Казахстана.  Алма-Ата: КазИМС, 1989. – С. – 17 – 21.

16         Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К. Исследование влияния режима промывки на процесс образования фасок на алмазных импрегнированных коронках. //Сб. научных трудов ВИТР «Применение синтетических алмазов в бурении», Санкт- Петербург, 1992. – С. 81 – 86.

17         Кудайкулов С.К., Суворов В.А., Касенов А.К., Федоров Б.В. Буровой снаряд. Предварительный патент № 14120 РК. (Опубл. 15.03.2004, Бюл. № 3).

18         Кудайкулов С.К., Касенов А.К., Ратов Б.Т., Федоров Б.В. Устройство для вибрационной разглинизации водоносных пластов. Предварительный патент № 14693 РК.  (Опубл.  16.08.2004, Бюл. № 8).

19         Кудайкулов С.К., Касенов А.К., Федоров Б.В. Алмазная буровая коронка. Предварительный патент № 13581 РК. (Опубл. 24.05.2002, Бюл. № 10).

20         Кудайкулов С.К., Касенов А.К., Федоров Б.В. Алмазная буровая коронка. Предварительный патент № 13169 РК. (Опубл. 16.06.2003, Бюл. № 6).

21         Башкатов Д.Н., Кудайкулов С.К.  Исследование механизма образования кольцевых фасок в матрице алмазных коронок. Сб. научных трудов ВИТР «Исследование технологии и внедрение новых технических средств для бурения геологоразведочных скважин», Санкт-Петербург, 1992. – С. 110 – 114.

22         Кудайкулов С.К. и др.  Колонковый  снаряд. АС СССР № 1696671 (Опубл. 08.08.89 г.).

23         Кудайкулов С.К. и др. Алмазная буровая коронка.  АС СССР № 1820647 (Опубл. 12.10.92 г).

24         Кудайкулов С.К., Дауренбеков С.Д., Касенов А.К., Федоров Б.В. Инструмент ударно – вращательного бурения и способ ударно-вращательного бурения. Предварительный патент № 13445 РК.  (Опубл.  15.09.2003., Бюл.№ 9).

25         Кудайкулов С.К., Касенов А.К., Суворов В.А., Федоров Б.В., Айтимов Б.Е. Буровой колонковый снаряд. Предварительный патент № 16698 РК. (Опубл. 28.04.2004., Бюл. № 4).

26         Кудайкулов С.К., Кудайкулов Д.С., Суворов В.А., Касенов А.К., Федоров Б.В. Кернооринтатор. Положительное решение на заявку (Опубл 07.07.2004.

27         Кудайкулов С.К., Федоров Б.В., Касенов А.К. Алмазная буровая  коронка. Положительное решение на заявку (Опубл. 16.09.2004).

28         Кудайкулов С.К., Кудайкулов Д.С., Суворов В.А., Касенов А.К., Федоров Б.В. Сравнительные испытания технических средств взятия ориентированного керна при колонковом бурении. //Новости науки Казахстана. Алматы, 2004, вып. 3 (82), – С.82 – 89.

29         Кудайкулов С.К. Самозаклинивание  керна   при   бурении   наклонных  скважин в трещиноватых породах. //Материалы VIII междунар. конф. «Новые идеи науки о земле», М.: РГГРУ, 2005г, – С.81 – 83.

30         Кудайкулов С.К. Совершенствование комплекса технико-технологических средств разведочного бурения снарядами со съемными керноприемниками. //Геология и охрана недр, М., 2/2006 (19), – С.47 – 56.

31         Кудайкулов С.К. Влияние обратного потока промывочной жидкости на самозаклинивание керна при бурении наклонных скважин. //Геология и разведка. Изв. ВУЗов РГГРУ, Москва № 4, 2006. – С.39 – 42.

32         Кудайкулов С.К.   Бурение  скважин  снарядами со  съемными керноприемниками (ССК) в сложных условиях //Бишкек: Известия Кыргызского ГТУ им.И.Раззакова. том II, 2006. – С.461 – 463.

33         Кудайкулов С.К. Разработка   эффективных   породоразрушающих инструментов для бурения снарядами со съемными керноприемниками. //Днiпропетровськ.: Наука i освiта, 2006. – С.62 – 70.

34         Кудайкулов С.К.  Алмазные буровые коронки высокой стойкости. //Сборник  IV Международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природосберегающие технологии освоения недр». Москва – Караганда. 2007. – С.51 – 55.

35         Кудайкулов С.К. Алмазные буровые коронки высокой стойкости. Материалы республиканской научно-технической конференции «ISTIQLOL» (с международным участием). «Геология: Инновационные методы  недропользования в ХХI веке». Москва – Навоий, 2007. – С. 23 – 25.

36         Кудайкулов С.К., Федоров Б.В., Ракишев Б.Р. Сравнительные испытания  импрегнированных алмазных буровых коронок для снарядов со съемными керноприемниками (ССК). //Промышленность Казахстана, Алматы. 2008, № 3 (48). – С.34 – 36.

37         Кудайкулов С.К., Ракишев Б.Р., Федоров Б.В. Повышение качества опробования минерального сырья. //Комплексное использование минерального сырья. 2008, № 2. – С. 14 – 18.

38         Кудайкулов С.К., Федоров Б.В. Новое поколение алмазных коронок для бурения твердых пород снарядами со съемными керноприемниками. //Записки горного института, Санкт-Петербург, 2008, № 3. – С. 25 – 29.

Құдайқұлов Серік Кимелұлы

 

Ұңғыларды күрделі геологиялық жағдайларда алмазбен бұрғылағандағы технологиялар мен жабдықтарды жасау

 

05.05.06 – Тау-кен машиналары

25.00.14 – Геология барлау жұмыстарының технологиясы мен техникасы.

Техника ғылымдарының докторы атағын алуға арналған диссертация авторефератының тұйіні.

 

      Зерттеу нысаны. Күрделі жағдайларда алынбалы кернқабылдағышты аспаптармен  ұңғы бұрғылаудың технико-технологиялық жабдықтары жиынтығын жасауды ғылыми негіздеу.

      Жұмыстың мақсаты. Курделі геологиялық жағдайларда бұрғылау  жұмыстарының технико-экономикалық көрсеткіштерін және геологиялық  ақпараттардық сапасын  жоғарылатуды қамтамасыз ететін тау жыныстарын алмазбен бұрғылаудың технологиясы мен техникалық құрамдарын жасау.

      Жұмыстың идеясы. Алынбалы кернқабылдағышты аспаптарда қолданылатын алмазды бұрғы коронкаларды жобалауда бұрғы жабдықтарының және бұрғылау тәртібінің кинематикалық және энергетикалық сипаттамаларын ескеретін жаңа принциптер қолдану.

      Зерттеу әдістері. Жұмыста зерттеу әдістерінің жиынтықты түрі қолданылған: ғылыми-техникалық ақпараттарды, патенттік материалдарды сараптау, аналитикалық және тәжрибелік зерттеулер, жасалған техникалық құралдардың өндірістік сынаулары және өндіріске кіргізілуі, зерттеулер және сынаулар нәтижелерін өңдеуде компьютерлік технологиялар пайдаланылатын математикалық статистика әдістерін қолдану.

      Жұмыс нәтижесі. Жасалған алмазды импрегнирланған коронкалардың формасы айырға ұқсас, сақина тәрізді дөңестері ойықтарымен алмасып олардың биіктігі сырттан  ішке қарай сызықтық заңдылықпен азаяды. Бұл коронкалардың төзімділігі мен өнімділігі өте үлкен.

     Жасалған ССК (алынбалы кернқабылдағышты аспап) эжекторлы-дірілді құрылыммен жабдықталған. Ол құрылым жарықшақтығы көп тау жыныстарын бұрғылағанда керннің шығымын көбейтеді. Оның өлшемдерін жобалауда шәйғыш сұйтықтың кері ағымының бұрғы коронкасының алмазды матрицасын шәйіп тоздыру әсері және керннің биіктігі өскен сайын  қысымның азаюы ескерілген.

     Жасалып игерілген кернбағыттағыштың соққыға арналған бөлігінің өлшемдері (массасы және соққыштың жылдамдығы) сына тәрізді  қашаудың қатты тау жыныстарының керніне апсидал жазықтықтын ізін дұрыс анықтауға жеткілікті терендікке батыруға мүмкіншілік береді.

     Жарық шақтығы көп және бөлшектелген тау жыныстарын бұрғылауда жасалған керннің биіктігі оның диаметрінен кіші болғанда керннің сыналануы керннің жоғарғы түп бетінен бөлінген бөлшекпен жасалынады, ал керннің биіктігі оның диаметріндей болғанда керннің сыналануы кернді оның түбірінен бөліп тұрған  жарыңшақтықтың бойымен көтерілген бөлшекпен жасалынады.

      Бұрғыланғанда алынатын керндегі апсидал жазықтықтың ізін анықтайтын керннің түбін сканирлауға және оған сына тәрізді кашаумен ұрып әсер етуге негізделген жиынтықты әдістер алынатын геологиялық үлгінің кеңістіктегі орналауы жайындағы ақпараттарды өте дәл береді.

      Негізгі конструктивтік, технологиялық және технико-эксплуатациялық сипаттамалар. Алмалы кернқабылдағышты аспаптарға жасалған алмазды импрегнирланған бұрғы коронкалары көпқабатты болып жасалуы керек және оның қабаттарының формасы айырға ұқсас болуы керек. Әр қабаттың конус тәрізді сақиналы дөңестерінің арасы тозуға қарсылығы аз байланыстырғыш материалмен толтырылуы керек.

      Көлбеу ұңғыларды ССК қолданып бұрғылауда керннің өздігінен сыналануына қарсы жасалынатын кері бағытталған ағымның көлемі ұңғының зениттік бұрышымен ұңғынтыз өсімен апсидальдық  жазықтық арасындағы бұрышпен тиімді сәйкестеліп алынады.

      Импрегнирланған көпқабатты профилі айыр тәрізді алмаз коронкаларымен бұрғылаудың жылдамдығының  өзгерулері коронканың алмазды  қабаттарының санына сәйкес жүреді.

      Технологиялар мен жабдықтардың өндірісте пайдаланылуы.

      Жасалған ССК жиынтығы, импрегнирланған көпқабатты алмазды коронкалар, эжекторлы-дірілді құрылым және керн бағыттағыш «След» аспабы бұрғылау жұмыстарына кіргізілген және Қазақстанның 12 кен орындарында  қолданылады.

       Ғылыми-зерттеу жұмыстарын өндірісте қолдануға ұсыныстар.

       Ойлап табылған көпқабатты алмаз коронкалардың конструкциялық және кинематикалық өлшемдерін есептеу әдістемелері, алмалы кернқабылдағышты апаптың жабдықтарының табылған өлшемдері, бағыттан керн алып бұрғылаудың технологиясы күрделі геологиялық жағдайларда ұңғы бұрғылауда өте кең орын алады.

       Жұмыстың экономикалық тиімділігі.

       Ойлап табылған жиынтықты өндірісте  қолданудың шын экономикалық тиімділігі 4 жыл ішінде 160 млн. тенге болды.

      Зерттеу салаларының дамуы жайында жорамалдар.

      Ойлап табылған ССК жиынтығы экономикалық жағынан өте тиімді. Себебі ол сапасын төмендетпей бұрғылау жұмыстарының негізгі көрсеткіштерін көп жақсартады. Экономикалық тиімділіктің есептеулердің көрсетуінше тереңдігі 500 м  ұнғыны бұрғылаудың экономиясы 233 мың тенге. Ал тиімділік коэффициенті 0,51. Бұл қалыптағы көрсеткіштерден көп жоғары.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SUMMARY

Kudaikulov Serik Kimelevich

 

«Development of technologies and  equipment for diamond-drilling of wells in difficult mining and geological conditions».

 

Thesis of the nominee for Doctor academic degree, specialties 05.05.06 – Mining machines and 25.00.14 – Technology and technique of mining exploration works.

 

Subject of Research – Basis of development and creation of the complex of technical and technological means for drilling of wells in the difficult conditions by wireline system (WC).

Aim of Research – development of technology and technical means for diamond-drilling of rocks maintenance increase of technic-economical indexes of drilling works and quality of geological informations in the difficult geological conditions.

Concept of Research consists in the application of new concepts of design of diamond drilling bits in wireline systems, taking into account kinematical and force characteristics of drilling equipment and regime of drilling.

During research studies under that work a complex research method has been used, including analyses of scientific and technical information, patents works, analytical and experimental researches, manufacturing testing, adoption of engineered technical means, analysis of results of researches and testing reports by mathematical statistic method with application of computer technologies.

Results of Researches:

          developing diamond impregnated bits has a “crested” – type shape and looks as a row of alternating circular conical hills and bottoms, height of which decreasing from peripheral part of matrix towards to internal part according to linear law; bits has a high level of wear resistance and productivity.

          developing wireline system is equipped with ejector-vibratory unit, stipulating increased core outlet at drilling of fractured rocks; during design of its parameters  jetting action of the reversed ejecting flow of washing fluid per diamond-containing matrix of drilling bit as well as increasing pressure losses related to growth of length of generated core are taking into account;

          parameters (mass and velocity of drop point) of drop point unit of the developing core-orientator afford penetration of wedge-shaped straight bit into butt core of hard rocks corn to the depth sufficient for unambiguous definition of apsidal plane of trace;

          at drilling of strongly fractured  and crushed rocks when height of generated fragment of core is insignificant comparing to its diameter, wedging action occurs due to lock-up of wedge-shape fragment of rock, detached from butt end of core; at drilling of fractured rocks when height  of generated fragment of core has same dimension as its diameter, wedging action occurs due to displacement of upper fragment in the line of crack which separates it from hemp of core;

          a complex definition of apsidal plane of trace on the picked drilled core based on scanning of butt end of core with simultaneous percussion action to the core by wedge-shaped straight bit provides with a credible information of the positioning of picked geological sample. 

      Basic design, technological, technical and operational characteristics:

          developing diamond impregnated bits for wireline system has to be produced multilayered and layers has to copy a “crested” – type shape of butt end of instrument, meanwhile a space between conical hills of each layer is filled with a bounding material of less wire resistance then bounding material of diamond-containing layers;

          at drilling of inclined wells with application of wireline systems the most effective consumption of reversed ejecting flow of washing fluid eliminating self-wedging action of core is obtained by combination of inclination (zenith) angle and an angle between well axis and apsidal plane;

          cyclic mode of shifting of drilling velocity with usage of impregnated multilayer diamond bits with “crested” – type profile of each diamond-containing matrix layer corresponds to number of cycles and equals to number of diamond-containing layers.

      Implementation progress. Developing complex of wireline system which includes diamond impregnated multilayer bits, ejector-vibratory unit and core-orientator “Trace” has been implemented into working drilling process on 12 mining deposits of Kazakhstan.

      Implementation recommendations to research work. Developing methodology to calculate constructive and kinematical parameters of multilayer diamond bits, confirmed set-up parameters of wireline system as well as drilling technology with outcome of oriented core may find wide implementation at drilling of wells in difficult geological conditions.

      Economical effect of the present research work. Real economical effect of implementation of developing wireline system has been estimated 160 million Tenge for the period of 4 years.

      Forecast theory of research subject development. Implementation of the developing wireline system is economically feasible and stipulates significant improvement of basic indexes at drilling works and same time keeping the quality. Carried out calculation of economical effect proves real economy 233 thousand Tenge per well of 500 meters depth at standard efficiency ratio 0,51which is considerably higher then nominal index.