«ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПРОБОВАНИЯ ЛЬДА БУРЕНИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи

ПОДОЛЯК АЛЕКСЕЙ ВИТАЛЬЕВИЧ

ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ОПРОБОВАНИЯ

ЛЬДА БУРЕНИЕМ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ СКВАЖИН

СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

Специальность 25.00.14 Технология и техника геологоразведочных работ

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Васильев Николай Иванович Санкт-Петербург -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ

1.1 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ..........

1.2 БУРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО

ЛЬДАХ

1.3 БУРОВЫЕ СНАРЯДЫ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

1.3.1 ТЕРМОБУРОВЫЕ СНАРЯДЫ

1.3.2 КОЛОНКОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СНАРЯДЫ

1.4 БУРЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН.........

1.4.1 ОПЫТ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ

СКВАЖИН НА СТАНЦИИ ВОСТОК

1.4.2 ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ

СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ

1.5 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОЗАБОЙНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО

ЛЬДАХ

1.6 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.............. 2.1 УСЛОВИЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ

2.2 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

2.3 МЕТОДИКА СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА

ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ БУРОВОГО СНАРЯДА....

2.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО

ПОЛОЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ ВО ЛЬДУ ПРИ БУРЕНИИ СНАРЯДАМИ НА

ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

3.1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА

3.2 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЛЕДНИКА В РАЙОНЕ СТАНЦИИ ВОСТОК

3.3 АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ

СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ

3.4 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ

ДВИЖЕНИЯ СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ

3.5 СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

3.6 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 4Г

3.7 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН В ЛЕДНИКОВЫХ

МАССИВАХ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

4.1 ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ................ 4.2 КОЛОНКОВЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ БУРОВОЙ СНАРЯД.........

class='zagtext'> 4.3 КОРОНКА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ

ЛЬДА

4.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

ГЛАВА 5 ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И

МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ СНАРЯДАМИ НА

ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

5.1 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 5Г

5.2 РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ ПО БУРЕНИЮ БОКОВОГО СТВОЛА 5Г-2.......... 5.3 БУРЕНИЕ БОКОВОГО СТВОЛА СКВАЖИНЫ 5Г-3

5.4 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Изучение современного материкового оледенения и всех видов ледников имеет большое значение для целого ряда естественных наук: географии, гляциологии, палеоклиматологии, геологии, геофизики, геохимии, микробиологии и др. Особый интерес вызывает Антарктида, где сосредоточено около 30 млн. км3 льда, мощность которого в центральной части материка превышает 4 км. В изучении ледникового покрова Антарктиды принимают участие многие страны – Россия, США, Япония, Франция, Новая Зеландия, Аргентина, Бразилия, Чили, ГДР, Польша, Индия и др.

Важнейшим и наиболее эффективным способом изучения строения, структуры, вещественного состава и динамики ледниковых отложений в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна, что дает возможность проводить кристалломорфологические исследования льда с больших глубин, геофизические наблюдения в скважинах, изучать химический состав льда, содержание изотопов кислорода и углерода, различных включений (земная и космическая пыль, вулканический пепел, бактерии, споры растений и др.).

В последние годы, когда глубины скважин превысили отметку в 3000 м, появилась настоятельная необходимость в разработке технологии бурения многоствольных скважин для получения дополнительного кернового материала с наиболее интересных глубин. Так в самой глубокой скважине 5Г на станции Восток на интервале 3600 – 3620 м было обнаружено большое количество включений, которые попали туда с берега подледникового озера Восток при движении ледника.

Координационный комитет программы Международное партнерство в изучении ледяных кернов (International Partnerships in Ice Core Sciences – IPICS), созданный под эгидой IGBP/PAGES и Научного комитета по исследованию Антарктики (SCAR) назвал наиболее приоритетной на ближайшие десятилетия задачей антарктических исследований – получение ледяного керна, который бы позволил реконструировать изменения климата и концентрации парниковых газов за последние 1,5 млн. лет. Это позволит решить одну из ключевых проблем современной науки о климате, а именно: установить причины и понять природные процессы, которые в середине плейстоцена, примерно 1 млн. лет назад, привели к перестройке климатической системы Земли. Среди первоочередных задач, стоящих перед разработчиками буровых технологий, технические эксперты IPICS называют развитие способов и средств бурения дополнительных стволов глубоких скважин с целью получения параллельных (дублирующих) кернов льда на заданных глубинах.

Возможность управляемого бурения дополнительных стволов имеет большое значение и при ликвидации аварий, связанных отклонением от аварийного участка скважины.

эффективности обхода аварийных участков при бурении глубоких скважин снарядами на грузонесущем кабеле.

Идея работы. Бурение боковых стволов скважин в ледниковых массивах в заданном интервале опробования для получения дополнительного кернового материала и обхода аварийных участков.

Задачи исследования:

положения скважины во льду при бурении снарядом на грузонесущем кабеле;

пространственного положения бурового снаряда на грузонесущем кабеле в процессе бурения;

Разработка стенда для моделирования движения снаряда на кабеле при бурении скважин во льду;

изменению траектории скважин при бурении снарядами на грузонесущем кабеле во льду;

Статистический анализ экспериментальных стендовых исследований и получение эмпирических зависимостей;

Разработка технологии бурения многоствольных скважин во льду снарядом на грузонесущем кабеле;

разработок.

Методика исследования. Для решения указанных задач использовались теоретические и экспериментальные методы исследований. На основе разработанных теоретических моделей и экспериментальной методики исследования осуществлялось их практическое внедрение при бурении скважины 5Г на станции Восток.

Научная новизна работы заключается в установлении зависимости радиуса кривизны скважины на участке естественного искривления от геометрических характеристик бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

Защищаемые научные положения:

1. При бурении во льду снарядами на грузонесущем кабеле интенсивность естественного искривления скважин зависит от диаметра бурения, длины и диаметра бурового снаряда, а также от радиального зазора между ним и стенкой скважины.

2. Использование коронки с дополнительными режущими гранями на наружных боковых поверхностях резцов обеспечивает забуривание дополнительного ствола скважины без применения специальных устройствотклонителей и забутовки основного ствола.

подтверждается достаточным объемом теоретических и экспериментальных исследований, удовлетворительной сходимостью расчтных величин с фактическими, полученными при бурении скважин снарядами на грузонесущем кабеле на станции Восток.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений, которые позволили завершить бурение скважины 5Г на станции Восток, выполнить вскрытие реликтового подледникового озера Восток и повторное бурение ствола скважины 5Г-3 после замерзания поднявшейся в скважину воды озера.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на VII Международном симпозиуме по бурению скважин во льдах в 2013 г. (Висконсинский университет в Мэдисоне, США); РоссийскоФранцузском семинаре, проходившем в Горном университете в 2013 г.; в Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте.

Реализация результатов работы.

Отдельные положения диссертационного исследования использованы при выполнении научно-исследовательских работ в рамках:

– проекта №2 «Комплексные исследования уникального подледникового озера Восток, включающие проникновение в озеро с отбором проб озрной воды, и гляциологические исследования Антарктики», выполняемые в рамках реализации подпрограммы «Изучение и исследование Антарктики» Федеральной целевой программы «Мировой океан» в 2011-2013 годах;

приоритетному направлению научной школы «Бурение в осложннных условиях»

по заданию Министерства образования и науки на проведение отдельной НИР по ОЦО в 2011 году.;

– проекта №1.6.08 «Разработка научных основ бурения и освоения скважин в сложных геолого-технических условиях», проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ в 2011 г.;

– проекта №5744 «Новые методы разрушения горных пород при бурении скважин», проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ в г.;

– проекта №8638 «Разработка нетрадиционных способов и средств бурения скважин», проводимого по заданию Министерства образования и науки РФ в Публикации. Результаты диссертации в полной мере освещены в изданиях, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России, и 1 патент на изобретение.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, библиографического списка, включающего 94 наименования. Материал диссертации изложен на 128 страницах, включает 15 таблиц, 58 рисунков.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ

1.1 ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ

Специфика условий Антарктиды – значительная удаленность, полное бездорожье, крайне суровый климат – предъявляют особые требования к буровому оборудованию, технологии, организации работ и подготовке персонала.

Основные требования к буровому оборудованию – низкая энергоемкость, минимально возможный вес, высокое качество керна.

Отличительной особенностью технологии бурения льда является получение непрерывного керна, необходимого для проведения всесторонних научных исследований, что требует больших затрат времени на проведение спускоподъемных операций [38].

Исходя из этих требований, наибольшее распространение для бурения скважин во льду получил способ бурения колонковыми буровыми снарядами на грузонесущем кабеле. Применение гибкой буровой колонны – грузонесущего кабеля позволило существенно снизить вес поверхностного бурового оборудования по сравнению с бурением на трубах за счет применения легких лебедок для грузонесущего кабеля и повысить скорость спуско-подъемных операций.

Разрушение льда в процессе бурения можно выполнять двумя способами:

тепловым и механическим. При тепловом способе бурения лед на забое плавится под воздействием термобуровой коронки, при механическом - за счет разрушения льда коронками резцового типа. Наиболее значимый вклад в развитие теплового способа бурения внесли российские ученые, в частности, Горного университета [29]. Достаточно больших успехов достигли в этой области и французские ученые из LGGE (Лаборатория гляциологии и геофизики окружающей среды, Гренобль) [64]. Тепловой способ бурения привлекает в первую очередь относительной простотой буровых снарядов. Плавление льда на забое требует большого количества энергии, что связано с фазовым переходом льда из твердого в жидкое состояние. Для плавления льда требуется в десятки раз большее количество энергии, чем при его механическом разрушении, что приводит к использованию грузонесущих кабелей значительно большего диаметра, чем для механического бурения. Оборудование для бурения скважин тепловым способом получается более энергоемким, кроме того, качество керна при механическом бурении значительно выше, чем при термобурении.

Исходя из явных преимуществ, в последнее время бурение глубоких скважин выполняется только электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле.

В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледниковых массивах принимал участие широкий круг российских учных и полярных исследователей: Б.Б.

Кудряшов, Н.И. Барков, Н.Е. Бобин, Н.И. Васильев, Л.К. Горшков, А.Н.

Дмитриев, Э.А. Загривный, В.Я. Липенков, В.В. Морев, Л.М. Саватюгин, А.М.

Шкурко и др.

Вопросы бурения направленных и многоствольных скважин различного назначения подробно освещены в работах российских учных: С.С. Сулакшин, А.Г. Калинин, Ю.Т. Морозов, Н.В. Соловьв, В.В. Кривошеев, В.В. Нескоромных, О.В. Ошкордин, Ю.С. Костин, В.П. Зиненко и др.

1.2 БУРОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО

В настоящее время применяются два типа компоновок бурового комплекса, связанные с особенностями конструкции буровых снарядов.

Особенностью буровых комплексов первого типа (Рисунок 1.1,а) является то, что мачта жестко крепится к основанию и может быть приведена в горизонтальное положение при выполнении монтажных и ремонтных работ. Все операции по обслуживанию бурового снаряда на поверхности при сооружении скважины проводятся при нахождении его в вертикальном положении. Для извлечения керна и шлама при механическом бурении или талой воды при тепловом бурении используются специальные устройства, позволяющие проводить операции по отсоединению колонковой трубы и фильтров со шламом от бурового снаряда и поузловые сборку и разборку бурового снаряда.

Рисунок 1.1 Схемы буровых комплексов: а - буровой комплекс со стационарной мачтой; б – буровой комплекс с поворачивающейся мачтой:

1 – лебедка; 2 – буровое здание; 3 – грузонесущий кабель; 4 – мачта; 5 – кронблок;

Второй тип (Рисунок 1.1,б) отличается тем, что для обслуживания бурового снаряда мачта с жестко скрепленным с ней буровым снарядом поворачивается в горизонтальное положение, что допустимо лишь при механическом бурении.

Такое конструктивное решение связано, прежде всего, с тем, что для извлечения керна и шлама необходимо выдвинуть из снаряда внутреннюю колонковую трубу и шламосборный отсек. Суммарная длина этих узлов равна примерно длине бурового снаряда. Для снижения нагрузок на поворотное устройство ось, вокруг которой поворачивается мачта, располагается вблизи центра тяжести системы «мачта – снаряд», и сооружается шурф, в котором перемещается нижняя часть бурового снаряда при повороте. Высота расположения оси поворота выбирается таким образом, чтобы удобно было работать с буровым снарядом, стоя на полу бурового здания. При такой компоновке уменьшается высота бурового комплекса, но значительно увеличивается его длина.

К первому типу можно отнести российские и американские буровые комплексы [29, 80, 89, 90], ко второму – комплексы, которые используют европейские и японские исследователи [61, 68, 91, 69, 70, 71].

Буровой комплекс скважины 5Г. Буровой комплекс на станции Восток (Рисунок 1.2) включает в себя буровое здание 1, вышку 2, лебдку 3 с грузонесущим кабелем 4, пульт управления 5, буровой снаряд 6, устройство для монтажа бурового снаряда 7 и генератор постоянного тока 8 для питания привода буровой лебедки [9]. Система питания бурового снаряда и управления его работой может эксплуатироваться при температуре до –60 C при давлении до 40 МПа в скважине, залитой незамерзающей жидкостью. Техническая характеристика бурового комплекса станции Восток приведена в Таблице 1.1.

Рисунок 1.2 Буровой комплекс на станции Восток:

1 –буровое здание; 2 – буровая мачта; 3 – буровая лебедка; 4 – грузонесущий кабель; 5 – пульт управления; 6 – буровой снаряд; 7 – устройство для монтажа бурового снаряда; 8 – генератор постоянного тока; 9 – основной привод буровой лебедки; 10 – привод равномерной подачи; 11 –верхний ролик; 12 – нижний Таблица 1.1 - Техническая характеристика бурового комплекса станции Восток Потребляемая мощность, кВт:

Средняя скорость спуско-подъмных операций при Грузонесущий кабель:

удельное сопротивление одной токоведущей жилы, В буровых комплексах могут использоваться как стандартные геофизические или морские лебедки, так и специально разработанные. Скорость перемещения бурового снаряда в скважине изменяется в широких пределах. При бурении скорость подачи колеблется в диапазоне от 5 – 20 м/ч, а во время спускоподъемных операций скорость перемещения снаряда может доходить до 5000 м/ч.

Регулирование скорости подачи бурового снаряда в скважину при выполнении спуско-подъемных операций осуществляется основным приводом. В процессе бурения для подачи бурового снаряда на забой используется дополнительный привод (Рисунок 1.3), позволяющий выполнять плавную регулировку при малых скоростях движения снаряда.

1 – приводной электродвигатель; 2 – тормоз; 3 – редуктор; 4 – кабельный барабан;

5 – аварийный тормоз; 6 – пульт управления; 7 – червячный редуктор; 8 –

1.3 БУРОВЫЕ СНАРЯДЫ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

Термобуровой снаряд ТЭЛГА. Бурение первой глубокой скважины на станции Восток было начато в 1972 г. термобуровым снарядом ТЭЛГА-14М (Рисунок 1.4, Таблица 1.2) после испытаний в районе обс. Мирный в период работы 14 САЭ [26, 27, 28, 29].

Формирование забоя происходит с помощью кольцевой коронки, а талая вода удаляется с забоя за счет призабойной циркуляции воздушного потока.

Циркуляционная система снаряда состоит из водоподъемных трубок, водосборного бака, системы обогрева и турбокомпрессора, создающего разряжение в баке для подъема воды. За счет резкого падения скорости потока в водосборном баке происходит гравитационное разделение: вода аккумулируется в нижней части бака, а воздух выбрасывается в затрубное пространство.

1 – грузонесущий кабель, 2 – центратор, 3 – компрессоры, 4 – центральная водоподъемная труба, 5 – водосборный бак, 6 – сливной клапан, 7 – водоподъемные трубки, 8 – колонковая труба, 9 – кернорвательное устройство, Термобуровой колонковый снаряд ТБЗС [28, 29] (Рисунок 1.5) предназначен для бурения глубоких скважин, заполненных заливочной жидкостью, с чем связан ряд конструктивных отличий отдельных узлов от бурового снаряда ТЭЛГА-14М.

устанавливается насос 3. Талая вода в смеси с заливочной жидкостью по водоподъемным трубкам и центральной трубе 5 попадает в водосборный бак. При резком расширении происходит гравитационное разделение: вода опускается вниз и скапливается в водосборном баке, а керосин выбрасывается насосом в затрубное пространство.

Таблица 1.2 Техническая характеристика буровых снарядов на грузонесущем кабеле, разработанных в Горном университете 1 – грузонесущий кабель, 2 – кабельный замок, 3 – насос, 4 – водосборный бак, 5 – центральная водоподъемная труба, 6 – переходник, 7 – водоподъемные трубки, 8 – колонковая труба, 9 - кернорвательное устройство, 10 – кольцевая Буровой снаряд ТБС –112ВЧ [19, 29] (Рисунок 1.6) отличается тем, что с целью снижения потерь энергии в грузонесущем кабеле при глубине скважины больше 1000 м электроэнергия к забою подается по схеме «источник питания — повышающий трансформатор — грузонесущий кабель — понижающий трансформатор — электрические потребители снаряда». Для уменьшения габаритных размеров понижающих трансформаторов, устанавливаемых в термобуровом снаряде, используется ток высокой частоты.

Одним из принципиальных отличий снаряда ТБС-112ВЧ от снаряда ТБЗСМ является работа системы удаления воды из скважины. Талая вода, попадая в бак, замерзает, так как бак не обогревается.

На поверхности бак с замерзшей водой отсоединяется от снаряда и заменяется пустым.

Рисунок 1.6 Высокочастотный термобуровой снаряд ТБС-112ВЧ:

1 – грузонесущий кабель, 2 – кабельный замок, 3 – насос, 4 – трансформаторы, – съемный водосборный бак, 6 – колонковая труба, 7 – кернорватель, 8 – кольцевая коронка-нагреватель, 9 – коаксиальный токовод, 10 – обогреваемые

1.3.2 КОЛОНКОВЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СНАРЯДЫ

Колонковые электромеханические буровые снаряды на грузонесущем кабеле (Таблица 1.3) с призабойной циркуляцией заливочной жидкости представляют собой разнообразные модификации электробура. Вращение породоразрушающего инструмента – коронки осуществляется электродвигателем с редуктором, снаряд подается на забой под действием собственного веса при стравливании грузонесущего кабеля с барабана лебедки [67, 92].

В настоящее время для создания буровых снарядов используют две конструктивные схемы: с вращающейся колонковой трубой и с двойной колонковой трубой при невращающейся наружной.

электромеханический буровой снаряд КЭМС-132, разработанный в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» [6] (Рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 Схема колонкового электромеханического бурового снаряда Базовая комплектация колонкового электромеханического снаряда КЭМСвключает в себя коронку 1, колонковую трубу 2, шламосборный отсек с фильтром для сбора шлама 3, редуктор 4, приводной электродвигатель 5, насос 6, создающий обратную циркуляцию промывочной жидкости, распорное устройство 7 для восприятия реактивного момента на невращающейся части снаряда, ударное устройство 8, электроотсек 9 с кабельным замком 10 для подсоединения грузонесущего кабеля 11. Электромеханический буровой снаряд работает следующим образом. Вращение от ротора электродвигателя 5 через редуктор передатся колонковой трубе с закреплнной на ней коронкой 1. Шлам, образующийся в процессе бурения, потоком промывочной жидкости увлекается в шламосборный отсек 3 и остатся в фильтре. Промывочная жидкость, поднимаясь по центральным отверстиям валов редуктора и приводного двигателя, выбрасывается в затрубное пространство насосом 6. Коньки распорного устройства 7, контактируя со стенками скважины, не позволяют вращаться верхней части бурового снаряда при бурении [3].

Шлам, образуемый при разрушении льда на забое скважины, увлекается потоком промывочной жидкости в кольцевой зазор между колонковой трубой и керном, откуда он попадает в центральную шламоподъемную трубу фильтра.

Через отверстия в шламоподъемной трубе фильтра заливочная жидкость со шламом поступает в полость фильтра, обечайка которого изготовлена из проволочной сетки. Отфильтрованная заливочная жидкость, пройдя через сетку фильтра, устремляется по центральному каналу приводного вала редуктора и вала ротора электродвигателя под действием насоса в затрубное пространство.

Ко второму типу снарядов, применяющихся в настоящее время, следует отнести буровой снаряд, разработанный японскими специалистами в начале 1994 г. Этот снаряд значительно отличается от ранее применявшихся и был предназначен для бурения глубокой скважины, которое проводилось Японской антарктической экспедицией (JARE) на станции Купол F (Антарктида) [91].

В состав снаряда (Рисунок 1.8,а) входят: трехрезцовая коронка, наружная невращающаяся труба, шнековая колонковая труба, полый вал, на которой крепится шнековый бустер, приводной двигатель с редуктором, блок электроники, распорное устройство, датчик нагрузки на забой, подвижная втулка для крепления грузонесущего кабеля и пружина. При работе бурового снаряда шлам, образующийся на забое, поднимается шнеком в шламосборный отсек, где уплотняется бустером, что позволяет существенно увеличить проходку за рейс.

После подъема снаряда на поверхность он приводится в горизонтальное положение, после чего из снаряда извлекается шнековая колонковая труба и приводной вал с фильтром, при этом извлекается шлам, находящийся под фильтром.

Рисунок 1.8 Схемы электромеханических буровых снарядов: а – JARE; б – 1 – коронка; 2 – колонковая труба; 3 – наружная труба; 4 – насос; 5 – полый вал; – шламосборный отсек; 7 – приводной узел; 8 – распорное устройство; 9 грузонесущий кабель; 10 – подвижная втулка Конструкция японского бурового снаряда была взята за основу при разработке снарядов учеными европейского сообщества для глубокого бурения в Гренландии и Антарктиде по взаимосвязанным программам EPICA и NGRIP. Для бурения в Антарктиде по программе EPICA разработку снаряда выполняла LGGE [61]. Для бурения в Гренландии по программе NGRIP разработку бурового снаряда выполняли ученые Института Нильса Бора Университета Копенгагена (Дания) [66], которые курировали работы LGGE.

В европейском буровом снаряде (Рисунок 1.8,б) есть ряд отличий от японского. Вместо бустера установлен поршневой насос, через который прокачивается заливочная жидкость со шламом. Насос приводится в действие кулачковым механизмом, толкатели которого закреплены на валу. Приводной вал выполнен полым и перфорированным, а отверстия закрыты сеткой. Заливочная жидкость проходит через центральное отверстие в валу и выводится в затрубное пространство через отверстия в наружной трубе под приводным двигателем [61].

В 1988г. в Отделе полярных исследований - PICO Университета Аляски (Фаербэнкс, США) был создан электромеханический буровой снаряд PICO-5,2’’ (Рисунок 1.8,в) для бурения глубоких скважин [80]. Снаряд состоит из наружной невращающейся трубы, внутренней колонковой трубы с коронкой, винтового насоса, вала с винтовой спиралью, электродвигателя с редуктором, отсека электроники, трансформатора, распорного устройства и кабельного замка.

Конструктивная схема этого бурового снаряда подобна европейскому.

Отличаются они конструкцией насоса и размерами.

Для создания призабойной циркуляции в снаряде использован винтовой насос с производительностью около 130 л/мин, что в 3-4 раза больше, чем в других буровых снарядах. Для бурения подледниковых пород к нижнему торцу колонковой трубы предусмотрено присоединение колонкового набора с меньшим диаметром.

Буровой снаряд для глубокого бурения во льдах с отбором керна DISC, разработанный службами по изучению ледяного керна и бурению США, это электромеханический буровой снаряд, сконструированный для получения ледяных кернов диаметром 122 мм до глубины 4000 м. Схема бурового снаряда DISC аналогична снаряду КЭМС и была принята американскими разработчиками после посещения Горного университета в 2000 году. Детальное проектирование снаряда DISC началось в 2003 году. Буровой снаряд был изготовлен и испытан в Гренландии недалеко от лагеря Саммит в 2006 году. Испытания сопровождались проверкой характеристик бурового снаряда DISС, а также его индивидуальных компонентов и выявлением необходимых изменений перед проведением буровых работ на леднике WAIS в Антарктике [81,87]. В течение пяти последовательных полевых сезонов на Западно-антарктическом леднике WAIS было пробурено м с отбором керна и установлен рекорд по бурению во льдах в США [92].

1.4 БУРЕНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН

Направленное бурение – это особая разновидность геологоразведочного бурения, необходимость в котором обусловлена непредусмотренным или проектным искривлением скважин, а многоствольное бурение – это способ снижения общего объема и стоимости буровых работ на месторождении (или его участке) за счет проходки одного или нескольких дополнительных стволов из основной скважины или ранее пройденных стволов, что улучшает, как правило, качество проходки скважин в заданные пункты разведочной сети и отбор керна и обеспечивает основное назначение буровых работ - повышает надежность и достоверность поисков и разведки месторождений.

Искривлению подвержены в той или иной степени почти все скважины при любом способе бурения. Это явление получило название естественного искривления скважин [39,53]. В большей степени искривляются скважины вращательного бурения при работе твердосплавными коронками и шарошечными долотами и при алмазном бурении. Значительно меньше искривляются скважины при ударно-канатном и ударно-вращательном бурении гидро- и пневмоударными машинами.

Искривление скважин отрицательно сказывается и на технологии их бурения. Из-за увеличенного трения изогнутой бурильной колонны о стенки скважины осложняется регулирование осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент. Выполнение спускоподъемных операций в искривленных скважинах также затрудняется, что снижает производительность бурения, а затраты мощности и стоимость буровых работ возрастают.

В настоящее время принято считать, что направление и интенсивность искривления скважины зависят от трех групп причин: геологического, технического и технологического характеров, действующих в совокупности или раздельно.

закономерности обусловлены тем, что скважина при бурении пересекает горные породы разной твердости и буримости, различной перемежаемости слоев разной твердости, их анизотропности, сланцеватости, трахитоидности, трещиноватости и имеет разные углы встречи своей оси с поверхностями пород (слоев).

К техническим следует относить причины, которые оказывают влияние на отклонение ствола скважины от ее проектного направления непосредственно при забуривании устья ствола на дневной поверхности, а возможное искривление является следствием этих причин.

К причинам технологического характера следует относить только внутрискважинные искривления, которые вызываются и определяются действием факторов, связанных исключительно с тщательностью выбора и правильностью комплекса расчетов технологий бурения: траектории скважины и ее допустимых отклонений; способами и параметрами режимов бурения; типами, конструкциями и диаметрами компоновок колонковых наборов и низа бурильной колонны и породоразрушающего инструмента; видом (формой) вращения сжатой и деформированной буровой колонны, в зависимости от физико-механических свойств буримых горных пород, включая компоновки колонкового набора и их конструкции и др.

Таким образом, все технологические факторы должны быть заранее предусмотрены, оценены и рассчитаны так, чтобы обеспечить успешное прогнозируемыми и управляемыми.

1.4.1 ОПЫТ БУРЕНИЯ НАПРАВЛЕННЫХ И МНОГОСТВОЛЬНЫХ СКВАЖИН

НА СТАНЦИИ ВОСТОК

За более чем 40-летнюю историю бурения на российской станции Восток в Антарктиде пробурено пять скважин, и во всех из них происходили осложнения и аварии, в том числе наиболее тяжелые по последствиям прихваты буровых снарядов в скважине. Мероприятия по ликвидации подобных аварий крайне трудоемки и не всегда приводят к положительному результату.

Основными причинами прихватов буровых снарядов в скважине являлись различные технические отказы используемого забойного или поверхностного оборудования, а также нарушение устойчивости ствола скважины, что в свою очередь вызвано неполной компенсацией горного давления ледяной толщи.

Наиболее рациональным приемом ликвидации прихватов бурового снаряда является забуривание дополнительного ствола скважины. Всего на станции Восток было выполнено, как минимум, 11 отклонений стволов скважин (Таблица 1.3).

прихваченного в скважине бурового снаряда было осуществлено в сухой, незаполненной промывочной жидкостью скважине № 1 (Рисунок 1.9) в период работы 16-й САЭ (1971 г.).

Авария произошла на глубине 560 м, когда при подъеме в непосредственной близости от забоя термобуровой снаряд ТЭЛГА-14 оказался прихваченным.

Причиной аварии послужило нарушение работы насоса, недостаточное удаление талой воды с забоя скважины и, как следствие, намораживание льда на поверхности бурового снаряда.

Для обхода снаряда на глубину 505 м был установлен стальной клин длиной 4,5 м (длина наклонной части 3,5 м) [57]. Отклонение проводилось укороченным снарядом с конусным нагревателем. На глубине 518 м был образован новый забой, однако после спуска основного снаряда выяснилось, что он зависает в искривленной части. После расходки этого интервала снаряд попал в старый ствол. При спуске буровой снаряд иногда попадал в новый ствол, иногда – в старый. На глубине 534,4 м бурение нового ствола было остановлено.

Таблица 1.3 Забуривание дополнительных стволов скважин на станции Восток Скважина была забутована льдом до отметки 471 м. Для отклонения был изготовлен специальный снаряд в виде клина с асимметричным расположением тепловой коронки. С глубины 477 м использовался обычный снаряд. К концу зимовки скважина достигла глубины 625,2 м [29].

При забутовке ствола при помощи искусственного ледяного керна он заклинился на глубине 30 м, поэтому зарезка нового ствола скважины произошла с этой глубины [57]. Новый ствол, названный 1-бис, к концу зимовки достиг глубины 774 м [29]. В очередном рейсе произошло заклинивание бурового снаряда при подъме на глубине 308 м.

Отклонение скважины проведено на глубине 307 м. Скважина была забутована искусственным керном, и отклонение проведено укороченным снарядом ТЭЛГА-14М [29]. После проходки 2-3 м бурение продолжено снарядом нормальной длины [11]. В течение зимовочного периода ствол новой скважины 1бис был пройден до 905 м [29]. Бурение этой скважины было остановлено в связи с постоянными заклиниваниями снаряда на спусках и подъемах и высокой вероятностью прихвата снаряда.

В период работы 26-й САЭ (1981 г.) при бурении скважины № 3Г термобуровым снарядом ТБС-112ВЧ на глубине 1580 м из-за неполадок в системе водоудаления снаряд был прихвачен на забое скважины. Искривление скважины выполнялось штатным термобуровым снарядом ТБС-112ВЧ длиной 7,1 м, начиная с глубины 1500 м, где было отмечено максимальное отклонение оси от вертикали (7). Скважину удалось отклонить в интервале глубин 1550-1560 м [20].

Новый ствол получил название 3Г-1 (Рисунок 1.10). По достижении глубины м крайне напряженная обстановка, сложившаяся на станции Восток в связи с пожаром на станционной ДЭС, заставила прервать буровые работы в скважине № 3Г-1 на два года. Это был единственный случай, когда отклонение скважины выполнено управляемо из лежачей стенки скважины [21].

При возобновлении бурения в 29-й САЭ (1984 г.) в связи с сужением нижнего участка скважины в процессе проработки ствола на отметке 1968,5 м был зарезан новый ствол 3Г-2, бурение которого было продолжено в следующий зимовочный период до рекордной глубины 2201,7 м [29].

При бурении скважины 4Г в период работы 29-й САЭ (1984 г.) на забое скважины на глубине 279 м был оставлен термобуровой снаряд ТБЗС-152, так как он оказался прихваченным (Рисунок 1.11). Попытки отклонения скважины 4Г термобуровым снарядом ТБЗС-152 не увенчались успехом, и в результате отклонение проведено при помощи снаряда ТЭЛГА-14 на глубине 120 м. Старый ствол не был забутован, что повлекло за собой возникновение осложнений в последующих экспедициях. Проходка нового ствола 4Г-1 была продолжена снарядом ТБЗС-152 с глубины 167 м до отметки 692 м [29].

В период работы 31-й САЭ проходка ствола 4Г-1 была продолжена до глубины 752 м, когда вскрылся незабутованный ствол скважины 4Г.

Укороченным снарядом ТБЗС-152 из скважины 4Г был зарезан еще один ствол – 4Г-2 – на глубине 159 м [29]. Из-за неопытности буровой бригады и отсутствия контроля за траекторией скважины угол наклона оси е ствола в интервале глубин 500-600 м достиг 17 [75].

В следующей, 32-й САЭ проходка скважины № 4Г-2 продолжена до глубины 1502 м, при этом с целью спрямления искривленного ствола скважины бурение интервала 779-936 м проходило укороченным снарядом с постоянными расходками в зоне интенсивного искривления [29].

В середине зимовки 34 РАЭ произошла авария, в процессе ликвидации которой был оборван грузонесущий кабель у барабана лебедки. В связи с невозможностью ликвидации аварии была забурена скважина 5Г [8,76].

В конце декабря 1991 г. (36-я РАЭ) во время подъема термобурового снаряда ТБЗС-152 из скважины № 5Г он оказался прихваченным на отметке м (глубина скважины в этот момент была равной 2502,7 м). Все попытки по извлечению снаряда из скважины оказались неудачными, и грузонесущий кабель был выдернут из кабельного замка снаряда (Рисунок 1.12) [47].

Участок скважины над аварийным снарядом был забутован искусственным керном диаметром 93-95 мм и длиной по 1,0-1,1 м. Всего в скважину было опущено около 35 м такого керна, и забой скважины оказался на глубине 2232 м.

Отклонение ствола скважины проводились снарядом ТБЗС-132 укороченной длины (6 м). После проходки 14 м в интервале 2232-2246 м был зарезан новый ствол скважины, названный 5Г-1, и получен керн полного диаметра. Зенитный угол скважины после забуривания дополнительного ствола составил 8° [47].

1.4.2 ЗАРУБЕЖНЫЙ ОПЫТ БУРЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ

СКВАЖИН ВО ЛЬДАХ

Опыта бурения дополнительных стволов скважин за рубежом не так много.

Известны две крупные аварии, произошедшие на базе NGRIP в Гренландии на глубине 1371 м (1997 г.) и станции Купол C в Восточной Антарктиде (Европейская программа EPICA) на глубине 786 м (1998 г.), которые были вызваны прихватами буровых снарядов на забое скважин. Ликвидация аварий путем сооружения дополнительных стволов не была реализована в связи с отсутствием надежной технологии забуривания. И в том, и другом случае в непосредственной близости от устья аварийных скважин были забурены новые скважины.

В Университете Аляски (Фаэрбенкс, США) для отработки технологии искривления скважин во льдах и забуривания дополнительных стволов был разработан стенд, представленный на Рисунке 1.13, в состав которого входил блок льда высотой 12 м [93]. Для отклонения от основного вертикального ствола был применн отклонитель. В процессе бурения снаряд отклонился на угол в 3°. Когда скважина достигла глубины в 6 м ниже отклонителя, она вернулась к вертикали. В результате расстояние по горизонтали между осями основного и дополнительного стволов составило 0,3 м. В верхней части скважины была образована каверна, на которой в верхней точке опоры мог лежать снаряд.

Рисунок 1.13 Схема экспериментального стенда по исследованию технологии многозабойного бурения Университета Аляска (Фаэрбенкс):

1 – термобуровой снаряд PICO; 2 – отклоняющий клин; 3 – основная скважина; – дополнительный ствол; 5 – каверна; 6 – блок льда На базе бурового снаряда DISC Службой по бурению и отбору ледяного керна ICDS, которая позже стала группой по проектированию и разработке технических средств бурения во льдах IDDO, был разработан модуль для повторного отбора керна (Рисунок 1.14).

Буровой снаряд DISC с модулем для повторного отбора керна [87] – это комплекс электромеханических систем, разработанный для бурения основного ствола скважины во льду с отбором керна диаметром 122 мм и повторного отбора керна диаметром 108 мм до глубины 4000 м. Схема забуривания дополнительного ствола скважины представлена на Рисунке 1.15. Система повторного отбора керна, которая основана на конструкции снаряда DISC, описанного ранее, была разработана и изготовлена группой IDDO в 2010-2011 гг. и протестирована в течение 2011-12 гг. Было выполнено 5 контролируемых по азимуту и зенитному углу отборов керна на четырех различных запланированных глубинах скважины.

В сумме получено 285 метров дополнительного керна.

Рисунок 1.14 Снаряд DISC c модулем для направленного бурения Рисунок 1.15 Схема забуривания дополнительного ствола Разработанная система (Рисунок 1.16) обеспечивает отбор ледяного керна из висячей стенки открытого ствола скважины с возможностью дальнейшего доступа ко всей скважине в случае необходимости каротажа. Система оснащена шестью приводами для перекоса снаряда в необходимом положении. Шесть исполнительных органов управляются синхронно с помощью электронной системы управления, которая содержит сервоусилители, компьютерный контроль и навигацию.

Рисунок 1.16 Конструкция отклоняющего модуля

1.5 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИИ МНОГОЗАБОЙНОГО БУРЕНИЯ СКВАЖИН ВО

При традиционном бурении горных пород разрушение забоя под действием породоразрушающего инструмента обеспечивается за счет подачи бурового инструмента с постоянной осевой нагрузкой [58,59].

При бурении скважин во льдах российским электромеханическим снарядом на грузонесущем кабеле КЭМС-132 механическая скорость бурения регулируется не осевой нагрузкой, а скоростью подачи снаряда при значениях осевой нагрузки близкой к нулю, что значительно снижает вероятность перекоса снаряда в скважине, неравномерного разрушения забоя и, как следствие, искривления ствола скважины.

При бурении льда снарядами на грузонесущем кабеле задача управления траекторией бурящейся скважины существенно упрощается, а закономерности естественного искривления могут быть описаны строгими математическими выражениями. В данном случае отсутствуют такие трудно учитываемые факторы, как изгибающаяся колонна бурильных труб, кинематика ее движения и бурового инструмента, анизотропия проходимых горных пород, низкая жесткость забойных компоновок.

Практически все работы на станции Восток, связанные с отклонением скважин во льду, при бурении термобуровыми снарядами проводились в основном для ликвидации аварий. Как правило, отклонение производили без использования специальных средств. Например, при ликвидации последствий аварий в скважине 4Г [74], проводившиеся в 30 САЭ, был выявлен ряд существенных пробелов в разработке технологии, как бурения скважины, так и ликвидации аварий. Первые три неудавшиеся попытки отклонения выполнялись после забутовки небольшого интервала скважины 4Г длиной 10 м, 30 м и 4 м снарядом ТБЗС-152М. Снаряд ставился на забой, и проводилось бурение при нагрузке на забой, равной весу снаряда. Отклонение ствола скважины было осуществлено в четвртой попытке буровым снарядом ТЭЛГА-14М в зоне «сухой» скважины без отсоса воды. Забутовка скважины не производилась.

Искусственный забой был образован водой, намрзшей на стенки скважины при разбуривании старого ствола, пройденного снарядом ТБЗС-152М.

Для ликвидации аварии на глубине 2200 м в скважине 5Г также был поставлен ледяной мост из кусков льда, приготовленных на поверхности. Так как выполнить отклонение снарядом ТБЗС-152М длиной 8 м, который использовался для бурения скважины, не удалось, был применен буровой снаряд ТБЗС- длиной 6 м с диаметром коронки, равным 132 мм.

В процессе дальнейшего бурения скважины, вплоть до сегодняшнего дня, из нее периодически извлекали различные по размеру куски подкрашенного льда, которые вываливались из установленного моста. Разрушение моста опасно как изза вероятности попасть в старый ствол, так и заклинивания снаряда при подъеме вывалившимися кусками льда.

Многочисленный опыт и результаты работ позволяют утверждать, что наджное перекрытие зоны отклонения возможно лишь при расплавлении доставляемого с поверхности ледяного материала непосредственно на забое.

С другой стороны, забуривание дополнительного ствола из наклонной скважины возможно без забутовки основного ствола и без применения специальных технических средств для выполнения отклонения. Для этого необходимо проведение специальных теоретических и экспериментальных исследований, позволяющих установить эффективные параметры отклонения:

минимальный угол наклона основной скважины;

безопасный радиус кривизны ствола;

соотношение длин и диаметров буровых снарядов, используемых для бурения основной скважины и для создания отклонения ствола, и др.

Современные разработки по созданию технологии и технических средств для глубокого бурения ледниковых отложений выполнены на достаточно высоком техническом уровне, однако практически отсутствуют разработки по бурению дополнительных стволов как при ликвидации аварий, так и для получения дополнительного кернового материала с различных глубин.

До настоящего времени теоретическим вопросам направленного и многоствольного бурения скважин во льду с учетом особенностей работы буровых снарядов на грузонесущем кабеле не уделялось внимания.

Актуальность работ по проведению теоретических исследований процесса отклонения бурового снаряда на грузонесущем кабеле при бурении скважин во льду, разработке технологии и модернизации технических средств подтверждается большим интересом российских и зарубежных ученых к разработке данной технологии с целью изучения палеоклимата Земли.

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Целью стендовых экспериментальных исследований являлось изучение процесса искривления скважин во льду при бурении колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле.

экспериментальных работ решаются следующие задачи:

- разработка и изготовление экспериментального стенда;

- исследование процесса искривления ствола скважины при бурении на грузонесущем кабеле и установление закономерностей изменения траектории движения бурового снаряда на грузонесущем кабеле.

Условия, необходимые и достаточные для существования подобия рассматриваемых механических явлений, протекающих на модели и натуре, обеспечиваются равенством соответствующих критериев подобия, обоснование и вывод которых рассматриваются теорией подобия [4,12].

Критерий гомохронности:

где v – скорость перемещения, м/с; - время перемещения, с;

l – путь, м.

Критерий Ньютона:

где F – усилие, действующее на тело, Н; m – масса тела, кг.

геометрического подобия.

При исследовании процесса бурения на экспериментальном стенде за критерий подобия принят тангенс угла между образующей поверхности бурового снаряда и линией, проходящей через верхнюю точку образующей и периферийной точкой на поверхности коронки, представленный на Рисунке 2.1.

1 –термодолото, 2 – полый стержень, 3 – наголовник, 4 – электрические провода,

2.2 СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Для получения достоверных данных необходимое и достаточное количество повторений опыта определялось в соответствии с правилом трех сигм, согласно которому доверительная оценка имеет вид [51]:

где a - истинное значение измеряемой величины; х - среднее арифметическое значение измерений; s – эмпирический стандарт; n – количество опытов. При надежности = 0,96 число повторений опытов n =5 [51].

Для исключения грубых ошибок измерений производилась оценка «выскакивающих» значений x* по критерию Стьюдента t n :

Надежность вывода «выскакивающих» значений принята 0,95.

экспериментальные исследования с использованием экспериментального стенда.

Наблюдения за искривлением скважин снарядом на грузонесущем кабеле проводятся без вмешательства в технологический процесс, поэтому эксперимент является пассивным [55].

Обработка экспериментальных исследований производилась по методу наименьших квадратов [33]. Суть метода состоит в том, что изучаемая зависимость аппроксимируется таким алгебраическим выражением (трендом), который дат наименьшее расхождение с наблюдаемыми значениями. В случае, если функция линейна и зависит только от одного независимого необходимо найти два коэффициента a и b, определяющих положение кривой на графике.

В соответствии с методом наименьших квадратов:

приравняв их к нулю, можно получить систему нормальных уравнений для определения этих коэффициентов аппроксимирующей функции выполняется аналогичным образом, при этом может быть использована линеаризация функции.

2.3 МЕТОДИКА СТЕНДОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА

ИСКРИВЛЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРИ ДВИЖЕНИИ БУРОВОГО СНАРЯДА

экспериментальный стенд, позволяющий моделировать процесс отклонения скважины в ледниковом массиве при бурении плавлением снарядом на грузонесущем кабеле. Все эксперименты по изучению изменения траектории снаряда на грузонесущем кабеле во льду проводились в лаборатории станции Восток.

Экспериментальный стенд, схема которого показана на Рисунке 2.2, включает в себя модель термобурового снаряда 1, направляющую трубу (модель скважины) 2, стойку 3, блок льда 4 и блок питания 5. Модель скважины крепится к стойке 3 и является направляющей для снаряда от момента забуривания до полного погружения снаряда в лд. Модель скважины может поворачиваться относительно точки О, что позволяет менять начальный зенитный угол скважины.

Электроэнергия к буровому снаряду подается от блока питания, схема которого приведена на Рисунке 2.3. Трансформатор 1 понижает напряжение с автотрансформатор (ЛАТР) 2, вольтметр 3, и амперметр 4.

Рисунок 2.2 Схема стенда для изучения процесса изменения траектории Трансформатор 1 введен в цепь для повышения безопасности проводимых работ. С помощью автотрансформатора производится регулирование напряжения электрического тока, питающего модель бурового снаряда. При работе на стенде напряжение питания U=15 В, а ток в цепи I=5 А.

Рисунок 2.3 Электрическая схема подключения модели бурового снаряда Для проведения экспериментальных исследований используется тепловой способ разрушения льда, что способствует существенному упрощению стенда и всей методики проведения экспериментальных работ без искажения физики процесса. Модель термобурового снаряда (Рисунок 2.1) состоит из термодолота 1, полого стержня 2, наголовника 3 и питающих проводов 4. Отдельные элементы термодолота представлены на Рисунке 2.4. Тепловод долота 1 выполнен из меди, и представляет собой стержень со сферическим наконечником. На стержне намотан нагревательный элемент 2 с диаметром равном 3 мм. Стержень с нагревательным элементом закрывается стальным кожухом 3.

Особенность конструкции долота в том, что после его сборки корпус является герметичным, что обеспечивает изоляцию нагревательного элемента.

Тепло, которое выделяется на нагревательном элементе, передатся по стержню к сферическому наконечнику практически без потерь, что позволяет избежать подплавления нижней стенки скважины при проведении эксперимента, и существенно снижает потери тепла за счет рассеивания в стороны.

Перед началом эксперимента стойка с укрепленной на ней моделью скважины устанавливается на блок льда. Модель скважины устанавливается под определенным углом, внутри нее вставляется модель бурового снаряда. Нижний торец модели скважины вмораживается в лд на глубину, равную высоте сферического наконечника, что способствует стабилизации начального этапа бурения до полного погружения сферического наконечника в лд.

Напротив стенда устанавливается цифровая фотокамера, и в процессе углубки модели бурового снаряда выполняется фотографирование стенда с одной точки (до 20 снимков на 1 эксперимент). В каждом зафиксированном положении определяется угол наклона модели бурового снаряда и положение верхней точки бурового снаряда относительно модели скважины. Используя полученные данные, строится траектория перемещения модели бурового снаряда. Обработка полученных результатов производится в программе КОМПАС-3D.

Большое влияние на интенсивность искривления оси скважины оказывает наличие растаявшей в ней воды. В результате этого диаметр скважины над термодолотом увеличивается, что приводит к увеличению интенсивности искривления траектории скважины. Поэтому образующаяся вода постоянно удаляется из скважины в процессе проведения эксперимента при помощи шприца и гибкой трубки.

Для визуального наблюдения за процессом искривления скважины был изготовлен блок льда с размерами 1000х800х100 (Рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 Проведение экспериментальных исследований Блок льда просвечивался лампой, что позволяло наблюдать за ходом эксперимента. В связи с тем, что при глубине скважины, превышающей длину модели бурового снаряда, не удавалось своевременно удалять воду, мы не могли контролировать диаметр скважины, и было невозможно получить корректные данные.

Из-за подплавления нижней стенки скважины 1 ее траектория из криволинейной перешла в прямолинейную, после того, как модель скважины полностью вошла в лед. Средняя скважина 2 имеет большую кривизну из-за увеличения диаметра скважины, вызванного оставшейся в ней теплой водой.

Учитывая эту нестабильность, большая часть экспериментов проводилась на блоках льда с углубкой снаряда, не превышающей его длины. Для обработки фотографий, полученных в ходе экспериментов, использовалась программа КОМПАС-3D.

На полученном снимке (Рисунок 2.6,а) произвольно выбирается точка О, которая на остальных снимках должна находиться в том же положении для замеров перемещений точки А снаряда по оси X. При этом необходимо соблюдать масштаб на полученных снимках путм замеров размеров снаряда и сопоставления их с соответствующими размерами на снимке. На рисунке 2.6,б представлен момент завершения забуривания пилот-скважины, который является первым кадром в проведении эксперимента. Дальше будет происходить перемещение снаряда с увеличением угла отклонения снаряда от направляющей (Рисунок 2.6,б). На рисунке видно, что положение верхней плоскости наголовника снаряда выше прорези в направляющей, поэтому, для определения положение точки А, необходимо, зная геометрические параметры снаряда, найти эту точку на полученном кадре и произвести замер начального положения точки А по оси.

Рисунок 2.6 – Обработка полученных результатов в программе КОМПАС-3D:

а – момент начала забуривания при готовой пилот-скважине; б и в – произвольный момент перемещения при увеличении угла отклонения снаряда от Для определения положения нижней точки модели бурового снаряда замеряется расстояние, на которое переместилась точка и угол отклонения стержня снаряда от оси. Результаты ряда экспериментальных исследований приведены в Таблице 2.1.

Таблица 2.1 Результаты экспериментальных исследований Эксперимент № Разработанная методика экспериментальных исследований позволяет учесть все необходимые факторы, влияющие на процесс естественного искривления скважины во льду при бурении снарядами на грузонесущем кабеле.

Хорошая повторяемость полученных экспериментальных данных подтверждает правильность сформулированных представлений о механизме процесса естественного искривления скважины во льду при бурении снарядами на грузонесущем кабеле.

Использование теплового способа разрушения льда при моделировании процесса бурения позволяет существенно упростить экспериментальное оборудование по сравнению с использованием механического способа разрушения, не оказывая влияния на физику процесса.

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО

ПОЛОЖЕНИЯ СКВАЖИНЫ ВО ЛЬДУ ПРИ БУРЕНИИ СНАРЯДАМИ НА

ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

3.1 ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛЬДА

Лед представляет собой особую горную породу, образующуюся при кристаллизации воды. Широкое распространение льда на планете определяет интерес к изучению его свойств.

Теоретическому и экспериментальному изучению физико-механических свойств льда в зависимости от условий образования и залегания посвящены работы К.Ф. Войтковского, Н.И. Баркова, В.В. Богородского, С.С. Вялова, В.П.

Гаврило, В.П. Епифанова, В.В. Лаврова, В.Я. Липенкова, С.В. Колесникова, В.А.

Савельева, Э. Паундера, И.Г. Петрова, Н.Х. Флетчера, П.А. Шумского, И.С.

[12,13,15,16,17,18,24,31,46,49,52,60].

К физико-механическим свойствам льда, определяющим процесс его разрушения, относятся пористость, твердость, пластичность, упругость, вязкость, внутреннее трение.

Особенностью кристаллической решетки льда является то, что при существующих на земле температурных режимах атомы водорода в ней весьма подвижны. Это усиливает реологические свойства льда, делает его подвижным, снижает вязкость, повышает текучесть и приближает лед в этом отношении к вязко-пластичной жидкости[82].

По сравнению с другими кристаллическими телами лед обладает отчетливо выраженными пластическими свойствами. Под действием нагрузки лед может изменить свою форму без разрушения и изменения объема.

Отмечена анизотропия механических свойств монокристаллов льда.

Напряжения, вызывающие базисное скольжение, на порядок меньше напряжений в случае небазисного скольжения. При достаточно больших размерах исследуемого образца лед можно рассматривать как изотропное тело, поведение которого может быть охарактеризовано следующими константами: модулем Юнга E, модулем сдвига G, модулем всестороннего сжатия K и коэффициентом Пауссона. Все эти характеристики связаны между собой известными зависимостями [25].

По данным различных авторов [14] наиболее достоверными можно считать Gд (3,0 3,4) 103 МПа, K 9 103 МПа, 0,34.

При любой деформации льда [41] определяющую роль играют процессы сдвига, которые начинаются одновременно с приложением нагрузки. В общей величине деформации доля упругой деформации в начальный момент кратковременного нагружения меньше, чем в последующем, то есть лд не является линейно упругим материалом и не подчиняется закону Гука.

Пластическая деформация льда протекает с изменением объема по мере заполнения пор и полостей. Пористость льда изменяется в широких пределах и в значительной степени зависит от условий его образования и залегания.

Предел прочности в значительной мере зависит от температуры льда и от скорости нарастания нагрузки [12,44,50,59], например, предел прочности льда на сжатие [7,15,30,45] колеблется от 0,1 до 10 МПа и более.

При постоянном увеличении скорости деформации [50,56] лд работает последовательно в зоне пластических деформаций, упругих деформаций, а затем - как хрупкий материал [12,16,17].

По данным А.Н. Зеленина [22] (таблица 3.1) при скорости деформации образцов 20 мм/мин. зависимость предела прочности для всех видов разрушения льда от температуры определяется выражением где А - постоянный коэффициент; i - предел прочности; t - температура льда.

Важной характеристикой свойств льда является коэффициент трения скольжения о лед различных материалов, на величину которого оказывают существенное влияние свойства трущихся тел: теплопроводность, качество поверхностей, температура льда и скорость относительного перемещения [12,18,42].

Таблица 3.1 Прочностные характеристики искусственного льда

3.2 ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЛЕДНИКА В РАЙОНЕ СТАНЦИИ ВОСТОК

Наиболее общей особенностью большинства физических и структурных характеристик льда, слагающего антарктический ледниковый покров в районе озера Восток, является их эволюционное изменение в процессе уплотнения и динамометаморфизма слоев ледяной породы. Вместе с тем проведенные исследования показали, что вариации многих структурных характеристик по глубине связаны с климатическими колебаниями, происходившими на поверхности ледника в прошлом [5].

термодинамический принцип стремления системы к минимуму свободной энергии, который в случае минеральных агрегатов выражается в стремлении к уменьшению удельной площади границ кристаллических индивидов (зерен).

Наиболее яркое представление о размахе структурных преобразований, происходящих в толще антарктического ледника, дает вертикальный профиль размеров зерен льда, приведенный на Рисунке 3.1. Как следует из представленных здесь данных, средний размер зерен в интервале глубин 20-3450 м увеличивается за 600 тыс. лет (оценочный возраст породы на глубине 3450 м) примерно в раз: от 1 до 100 мм в диаметре. Вместе с тем, на фоне общей тенденции к увеличению размеров кристаллов льда с глубиной наблюдаются колебания, которые обнаруживают отчетливую корреляцию с изменением изотопного состава льда и концентрации в нем аэрозольных примесей [34,36,62,63,65].

Рисунок 3.1 Изменение размера зрен льда с глубиной Как видно из Рисунка 3.1, основная толща ледника до глубины 3000 м сложена из кристаллов, размеры которых не превышают 5 мм, что дат основание считать лд в этом диапазоне изотропным телом.

При бурении скважин во льду, как в Антарктиде, так и в Гренландии, российскими и иностранными специалистами, начиная с глубины 2500 метров, отмечается постепенное снижение рейсовой проходки, а с глубины 3000 м проблемы в поддержании стабильного процесса бурения становятся столь значительными, что бурение может быть просто прекращено. Анализ результатов бурения скважины 5Г на станции Восток в Антарктиде[9] показал, что основная причина возникающих в процессе бурения проблем связана с изменением кристаллической структуры ледника [77,78,79,83,85,88]. Кроме того, с ростом глубины возрастает температура льда, что усугубляет проблемы при бурении. На глубинах, начиная с 2500 метров, происходит изменение физико-механических свойств антарктического льда, размеры кристаллов льда постепенно увеличиваются, превышая ширину забоя. С глубины 3000 м средние размеры кристаллов превышают 20 мм, ниже глубины 3500 м отдельные кристаллы имеют размеры более 1000 мм. В результате при бурении ряд полученных кернов состоял из 1-2 монокристаллов. На глубинах свыше 3000 м температура льда близка к точке фазового перехода, в результате чего мелкодисперсные частицы шлама, обладающие большой свободной поверхностью, слипаются из-за появления воды на их поверхности из-за нагрева при трении друг об друга в потоке промывочной жидкости, что приводит к образованию шламовых пробок и прекращению углубки.

3.3 АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ

СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ

Для установления закономерностей поведения бурового снаряда в скважине на кафедре бурения скважин Горного университета было предложено рассматривать перемещение бурового снаряда под действием системы сил, приложенной к буровому снаряду. Рассмотрим общий случай на Рисунке 3.2. Ось снаряда будет совмещена с осью скважины, если равнодействующая всех внешних сил, действующих на него, не выходит за площадь опоры. При решении поставленной задачи считается, что грузонесущий кабель является абсолютно упругой и невесомой нитью. Кроме того, считаем диаметр скважины равным диаметру коронки.

Рисунок 3.2 Положение бурового снаряда в наклонной скважине:

Р – вес снаряда, приложенный в центре тяжести, Н; Т – натяжение грузонесущего кабеля, Н; l – длина бурового снаряда, м;

Условием равновесия при совпадении осей снаряда и скважины на Рисунке 3.2 будет равенство моментов всех внешних сил относительно точки О Точка А всегда будет касаться нижней стенки скважины, если М 0 0.

Решение неравенства приводит к следующему выражению:

где l – длина бурового снаряда, м; а – расстояние от нижнего торца коронки до центра тяжести снаряда, м; rк – радиус коронки снаряда, м; – угол наклона скважины относительно вертикали, град; – угол между грузонесущим кабелем и осью снаряда, град.; k – коэффициент нагрузки на забой, который определяется по формуле:

где R' – нагрузка на забой, Н; Р – вес снаряда, приложенный в центре тяжести (·) О, Н; Т – натяжение грузонесущего кабеля, Н.

В реальных условиях абсолютно вертикальных скважин не существует.

Можно ожидать, что верхняя часть снаряда всегда будет лежать на нижней стенке скважины и в случае подъма или спуска снаряда и в процессе бурения.

Рассмотрим формирование ствола скважины в процессе отклонения снаряда от первоначальной траектории, которое можно проиллюстрировать схемой перемещения характерных точек бурового снаряда – А, В и С на Рисунке 3. или прямоугольного треугольника АВС. Используя широко известный в механике принцип возможных перемещений, устанавливается общее условие равновесия механической системы [55]. Представленная на рисунке система имеет две степени свободы.

Рисунок 3.3 Схема движения бурового снаряда в процессе изменения его Суть принципа возможных перемещений заключается в том, что для равновесия механической системы с идеальными связями необходимо и достаточно, чтобы сумма элементарных работ всех действующих на не активных сил при любом возможном перемещении системы была равна нулю.

В процессе бурения А скользит по стенке скважины, составляющей с вертикалью угол. Зададим А бесконечно малое перемещение вдоль стенки скважины (линия А0С0) на величину h, при этом C будет перемещаться по линии 0 – 0, параллельной стороне (оси снаряда), на величину h1. Таким образом, АВС займт новое положение А1В1С1. Следующий шаг приведт к тому, что точка B переместится по линии I – I, которая имеет угол с вертикалью на величину h2 и треугольник займт положение А2В2С2.

Очевидно, что угол отклонения скважины от вертикали будет постепенно нарастать с увеличением кривизны скважины.

Переходя к реальному процессу, можно заметить, что для непрерывного увеличения угла отклонения необходимо, чтобы отсутствовало подплавление нижней стенки скважины у точки (в случае использования тепловых снарядов).

Кроме того, конусообразная форма коронки снаряда термобуровых снарядов способствует центрированию коронки относительно оси скважины и отклонению от вертикали.

Характерным случаем естественного набора кривизны является скважина 4Г. В интервале глубин 80 – 700 м скважина отклонилась на 17о от вертикали.

Бурение велось без проработки ствола скважины с постоянной нагрузкой на забой.

Для проведения аналитических исследований процесса перемещения бурового снаряда введем прямоугольную систему координат Х-У, начало координат которой совмещено с (·) А0, а ось Х совмещена с прямолинейной стенкой скважины и направлена вниз, как показано на Рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 Расчтная схема для аналитического метода длина снаряда, соответствующая катету верхней точке опоры, м.

При рассмотрении расчтной схемы, представленной на Рисунке 3.8, принято допущение неперпендикулярности катета к оси, которое является несущественным в связи тем, что для буровых снарядов, применяемых для бурения льда, tg 0,0004.

В начальный момент tg=tg, где – угол между сторонами треугольника АВС. Поскольку снаряду задатся малое перемещение подставив в (3.9), получим И, наконец, можно выразить формулу перемещения точки В по оси Y При движении точки А по окружности:

количество шагов при прохождении точкой А прямолинейного участка где перемещение точки А по оси X при угле, соответствующем данному АС;

перемещений). Перемещение точки по горизонтали уменьшает интенсивность искривления снаряда, поскольку происходит его поворот влево относительно точки В, тем самым уменьшая зенитный угол.

В действительности шаг перемещения снаряда стремится к нулю, поэтому формулы 3.125, 3.13 и 3.14 запишутся в интегральной форме.

Изменение угла отклонения снаряда относительно оси Y в положении :

На основе полученных формул построен профиль траектории движения снаряда (Рисунок 3.5,а) с геометрическими параметрами, соответствующими Рисунок 3.5 Траектория движения точки В снаряда:

а – на основе аналитического метода; б – на основе метода, представленного На Рисунке 3.5,а участок это траектория движения точки В при перемещении точки по прямой. После прохождения расстояния, которое соответствует длине катета (и участку перемещения ), точка принимает траекторию движения точки (траектория на рисунке для точки В). В литературе предложены различные методы определения интенсивности искривления скважин. Для сравнения на Рисунке 3.5 нанесена линия траектории И.Н. Страбыкиным (Рисунок 3.5,б) [32]. Для упрощения вывода интегральных выражений, шаг снаряда принят равным его длине, что приводит к существенной погрешности в получаемых данных. Как видно из рисунка, горизонтальное перемещение точки В при движении по траектории б, в 2 раза меньше, чем по траектории а.

интенсивность искривления и радиус дуги описываемой окружности точки на участке :

3.4 ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ

ДВИЖЕНИЯ СНАРЯДА НА УЧАСТКЕ ИСКРИВЛЕНИЯ

В качестве альтернативы аналитическому методу решения задачи, и с цулью оценки погрешностей, вызванных принятыми допущениями рассмотрим графоаналитический метод, являющийся более простым и наглядным.

Суть графоаналитического метода заключается в построении траекторий перемещений точек, и снаряда производилось в программе КОМПАСС-3D.

Рисунок 3.6 Построение перемещения снаряда в программе КОМПАС-3D Для определения траектории движения реального бурового снаряда ТБЗСзначение радиуса кривизны необходимо увеличить в 40 раз в соответствии с масштабом построения.

Для построений траектории движения бурового снаряда при различных значениях параметра длина гипотенуза была принята равной 200 м, а для изменения параметра менялось значение катета.

Известно, что радиус окружности, которую описывает снаряд [23,53] на участке искривления, можно определить через интенсивность искривления скважины по замерам зенитного угла в двух положениях по формуле (3.18).

Таблица 3.2 Размеры треугольников для графоаналитического метода Однако, построение такой окружности с радиусом на основе расчтных данных в программе КОМПАС-3D с касанием снаряда в точке начального и конечного его положения и сравнение с окружностью, построенной по трм точкам, визуально показало, что второй вариант более точен.

Для нахождения радиуса кривизны расчтным методом необходимо найти интенсивность искривления:

снаряда на рисунке 3.10, гр.; – угол начального перекоса снаряда в прямой скважине (равен углу ), гр.; – общее перемещение снаряда, м.

Кривизна и радиус кривизны величины, т. е.

Для треугольника с размерами, соответствующими снаряду ТБЗС-152М и шагом 800 мм радиус окружности по трм точкам 14309,13 м, а расчтные значения интенсивности искривления составят:

Таким образом, разница значений радиусов окружностей, полученных по двум методам составляет 7%.

За величину единичного перемещения снаряда (шаг) были приняты значения 10, 20 и 50 мм (Таблица 3.3), кратные длине гипотенузы принятого треугольника. Количество перемещений треугольника, кратное длине гипотенузы, приводит к тому, что графиком зависимости радиуса описываемой окружности от шага является прямая линия (Рисунок 3.7).

Радиус кривизны, м Рисунок 3.7 Зависимость радиуса кривизны дуги описываемой окружности от Таблица 3.3 Полученные при построении значения радиусов кривизны R ИНТЕРВАЛ шаг\тангенс a 0,00035 0,001 0,0025 0,005 0,01 0,015 0,02451 0,03202 0,03953 0,04705 0, 1L 20 383,28 134,148 53,6589 26,864 13,4136 8,94133 5,47072 4,18598 0,00547 2,84518 2, 50 451,499 158,025 63,2096 31,6044 15,8014 10,6584 6,44539 4,93226 0,00645 3,35341 2, 50 370,329 129,615 51,8457 25,9222 12,9599 8,64835 5,28499 4,04339 3,27265 2,74736 2, 3L 20 314,486 110,07 44,0277 21,945 11,0055 7,33567 4,48745 3,43294 2,77824 2,33199 2, 10 299,921 104,972 41,9886 20,8847 10,4957 6,99587 4,27955 3,27382 2,64941 2,22379 1, 10 299,991 104,997 41,997 20,8896 10,4981 6,99749 4,28054 3,27458 2,65002 2,22431 1, 5L 20 314,269 109,994 43,9973 21,916 10,9979 7,33061 4,48438 3,43056 2,77632 2,33037 2, Как видно из Рисунка 3.7, построение зависимости радиуса кривизны дуги описываемой окружности от шага можно проводить по двум точкам. Для исключения ошибок в построении принято три значения единичного шага движения снаряда. Построение такой зависимости позволяет выявить тенденцию изменения радиуса кривизны по мере уменьшения единичного шага путм экстраполяции полученных функций до пересечения с осью ординат. Такой метод позволяет найти искомое значение радиуса кривизны при бесконечно малом шаге. Зависимость радиуса кривизны дуги описываемой окружности от интервала перемещения, кратного длине снаряда, представлена на Рисунке 3.8. На участке окончательное значение и дальше не изменяется.

Рисунок 3.8 – Зависимость радиуса описываемой окружности от интервала Изменение радиуса кривизны при шаге, стремящемся к нулю, для выбранных значений основного критерия подобия моделирования на интервалах от до представлена в Таблице 3.4. Полученные значения радиусов кривизны находятся в обратной зависимости от. Тенденция изменения радиуса кривизны от параметра на участке представлена на Рисунке 3.13.

Анализ данного графика позволяет сделать вывод, что кривизна скважины изменяется только при движении снаряда в первых двух интервалах. После прохождения второго интервала траектория скважины практически становится окружностью, радиус которой зависит только от параметра tg.

Таблица 3.4 - Полученные результаты радиуса кривизны при шаге, стремящемся к нулю изменяется весьма интенсивно, а при его значениях, превышающих 0,01, изменения радиуса не значительны.

Обработка полученных результатов позволяет выявить зависимость радиуса кривизны дуги описываемой окружности от параметра. Согласно Рисунку 3.9, формула нахождения радиуса кривизны на интервале перемещения будет иметь вид:

Формулы для расчта радиусов кривизны дуг описываемых окружностей при движении снаряда на всех исследуемых интервалах представлены в Таблице 3.5.

Таблица 3.5 – Формулы нахождения радиусов кривизны для снаряда с гипотенузой 200 мм Для сравнения представленных результатов Таблицы 3.5 с аналитическим методом проведем расчет на участке перемещения для снаряда с параметрами, которые использовались для построения профиля движения на Рисунке 3.13:

Таким образом, расхождение результатов, полученных по двум методам, составляет 0,013 м, что менее 0,05%. Это можно объяснить тем, что построение профиля на рисунке велось с шагом. Уменьшении шага построения приведт к уменьшению расхождений в результатах.

Как было описано выше, для нахождения радиуса кривизны для снаряда ТБЗС-152М необходимо полученные значения увеличить в 40 раз. Построения графоаналитическим методом при величинах больше ориентированы на размеры экспериментального снаряда. В действительности, снаряды на грузонесущем кабеле для бурения во льдах имеют гораздо меньшие значения из-за большой их длины. Изменение радиуса кривизны для таких снарядов будет соответствовать левой части графика (Рисунок 3.9), где радиус кривизны изменяется весьма интенсивно. Зависимость радиуса кривизны для таких снарядов можно представить в виде уравнений прямой, например, если построить график по двум значениям радиусов при 0,00035 и 0,000375.

Таким образом, уравнение для снаряда ТБЗС-152М, который имеет длину 8 м, параметр, с учетом масштаба построений будет иметь вид:

По формуле (3.15) снаряд ТБЗС-152М имеет радиус кривизны, равный Для всех исследуемых интервалов формулы движения снаряда с длиной, соответствующей снаряду ТБЗС, представлены в Таблице 3.6.

Таблица 3.6 – Формулы расчта радиусов кривизны для снаряда ТБЗС-152М При бурении электромеханическим снарядом КЭМС-132 при диаметре коронки 135 мм, верхней точкой опоры снаряда является распорное устройство, которое центрирует снаряд в стволе скважины. Если в месте распорного устройства создать перекос снаряда, то искривление ствола скважины будет происходить по формулам, представленным в Таблице 3.7. Расстояние от распорного устройства до коронки снаряда КЭМС составляет 10 м.

Таблица 3.7 – Формулы расчта радиусов кривизны для снаряда КЭМС-

3.5 СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Данные расчета значений угла в зависимости от перемещения модели бурового снаряда представлены в Таблице 3.8.

Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает хорошую сходимость (Рисунок 3.10). Расхождение значений не превышает 12%.

Таблица 3.8 Зависимость зенитного угла скважины от перемещения модели бурового снаряда Рисунок 3.10 – Сравнение теоретических и экспериментальных результатов

3.6 БУРЕНИЕ МНОГОСТВОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ 4Г

Характерным случаем естественного набора кривизны является скважина 4Г. В интервале глубин 80 – 700 м скважина отклонилась на 17о от вертикали.

Бурение велось без проработки ствола скважины с постоянной нагрузкой на забой, близкой к весу снаряда. В результате было получено стабильное увеличение угла отклонения скважины от вертикали.

Результаты инклинометрии двухствольной скважины 4Г приведены в Таблице 3.9 и на Рисунке 3.11. По результатам проведения инклинометрии средний радиус описываемой снарядом дуги окружности составляет 1154 м.

Такое значение радиуса кривизны, не превышающее вписываемость снаряда в скважину, но гораздо меньше расчетного на основе представленных аналитического и графоаналитического методов, можно объяснить, проанализировав полученные данные кавернометрии скважины из Таблицы 3.10.

Рисунок 3.11 Профиль и план скважины 4Г Таблица 3.9 – Результаты инклинометрии скважины 4Г Глубина, Диаметр, Глубина, Диаметр, Глубина, Диаметр, Технология бурения скважин во льдах тепловым способом с отбором керна предполагает остановку снаряда после заполнения керноприемной трубы керном или водосборного бака водой (каждые 3 м). Остановка выполнялась с целью подплавления керна для уменьшения усилия срыва. В результате при каждой остановке происходило плавление каверны, размер которой зависел от времени выстойки.

Кавернометрия скважины показала, что в стволе имеются многочисленные каверны. Диаметр скважины колеблется от 153 мм до 200 мм. Наличие многочисленных каверн должно было приводить к дополнительному перекосу бурового снаряда, что привело к активному набору кривизны. Таким образом, перекос снаряда может происходить по схемам, представленным на Рисунке 3.12.

Рисунок 3.12 – Схемы перекоса снаряда в скважине с кавернами Структурно механические и реологические свойства льда, слагающего мощные ледниковые массивы, позволяют считать его изотропным телом, что исключает влияние его свойств на процесс естественного искривления скважин при бурении снарядами на грузонесущем кабеле.

Представленные в главе аналитический и графоаналитический методы позволяют определить зависимость радиуса кривизны траектории скважины от геометрических параметров снаряда на грузонесущем кабеле при бурении скважин во льду. Расхождение в расчтных данных, полученных по двум представленным методам, не превышают 7%.

Анализ теоретических данных позволяет сделать вывод, что кривизна скважины изменяется только при движении снаряда в интервале, равном двум его длинам, после чего траектория скважины практически становится окружностью, радиус которой зависит только от параметра tg.

Принятые при проведении аналитических исследований допущения не оказывают значительного влияния на результаты исследований, а достоверность полученных аналитических выражений, описывающих зависимость радиуса естественного искривления скважины от геометрических характеристик бурового снаряда на грузонесущем кабеле, подтверждается хорошей сходимостью с теоретическими и экспериментальными данными.

ГЛАВА 4 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ БУРЕНИЯ

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ СТВОЛОВ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН В ЛЕДНИКОВЫХ

МАССИВАХ СНАРЯДАМИ НА ГРУЗОНЕСУЩЕМ КАБЕЛЕ

4.1 ОСОБЕННОСТИ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ СКВАЖИН ВО ЛЬДУ

Бурение боковых стволов для получения дополнительного кернового материала, как правило, требуется на глубинах превышающих 2500 м При бурении глубоких скважин, как в Антарктиде, так и в Гренландии, исследователи всех стран столкнулись с серьзными осложнениями уже на глубинах свыше 2500 м, а на глубинах более 3000 м осложнения становились столь значительными, что бурение практически прекращалось. Это явление даже получило название – «проблема бурения тплого льда», так как с увеличением глубины температура льда повышается. Пример подобных осложнений – снижение бурения за рейс скважины на Dom C по европейской программе EPICA [61]. Снижение проходки за рейс началось уже при достижении глубины 2500 м, затем с ростом глубины интенсивность снижения проходки за рейс резко увеличилась, а по достижении 3000 м бурение практически остановилось. После анализа ситуации делается вывод, что из-за высокой температуры лд становится очень пластичным и налипает на резцы и корпус коронки. На наш взгляд, связывать возникающие проблемы в процессе бурения только с повышением температуры льда нельзя. На глубине 2700 м температура льда равна примерно – 24 С, а на глубине 3600 м – выше –5 С. Кроме того, температура льда с глубиной повышается постепенно, а изменения величины проходки за рейс характеризуются определнной периодичностью. Анализ причин осложнений, возникших в процессе бурения, показал наличие чткой связи с изменением кристаллической структуры буримого льда и его физико-механических свойств [36].

Все участки скважины, где отмечались проблемы в бурении, соответствуют интервалам керна, сложенного относительно крупнокристаллическим льдом что наглядно показано на Рисунке 4.1. Устанавливается чткая корреляция между величиной проходки за рейс и размерами кристаллов. С глубины 2755 м до глубины 2840 м величина проходки за рейс постепенно увеличивается, что сопровождается уменьшением размеров кристаллов льда. Глубже размеры кристаллов возрастают, и величина рейсовой проходки постепенно снижается. На глубине 3080 м средние размеры кристаллов превысили 10 мм, поэтому до глубины 3120 м процесс бурения был крайне нестабильным. Примерно с глубины 3480 м размеры кристаллов льда превышают 20 мм, а в бурении наметилась стабильная тенденция к полному прекращению процесса углубки.

Рейсовая проходка, м Согласно полученным данным с ростом среднего размера кристаллов при постоянной скорости вращения коронки и механической скорости бурения крупность шлама снижается. При бурении мелкокристаллического льда шлам состоит в основном из частиц размером более 1–2 мм даже при механической скорости бурения менее 5 м/ч. При резании крупных монокристаллов (более мм) шлам состоит из частиц менее 0,5 мм с большой долей мелкодисперсных фракций. Попадая в фильтр, мелкодисперсный шлам образует на сетке фильтра слой, который даже при незначительной толщине создат большие сопротивления для потока промывочной жидкости. Это вызывает снижение расхода жидкости, что в свою очередь способствует образованию шламовых пробок у резцов и остановке бурения даже при незначительной скорости бурения. Процесс образования шламовых пробок усугубляется тем, что лд имеет относительно высокую температуру и при большой свободной поверхности частиц шлама, на которой должна быть плнка воды, обладает большой способностью к слипанию отдельных частиц.

Крупность шлама влияет, в основном, на снижение проходки за рейс из-за увеличения гидравлических сопротивлений в фильтре шламосборника, но недостаточного расхода промывочной жидкости, что приводит к образованию шламовых пробок в районе резцов. При бурении скважин на твердые полезные ископаемые рекомендуется, чтобы концентрация шлама в потоке жидкости была ниже 5%. Как в российском буровом снаряде, так и в буровом снаряде, который использовался в программе EPICA, расход промывочной жидкости составляет около 40 л/мин. При бурении с механической скоростью 6 м/ч концентрация шлама в потоке заливочной жидкости равна 1,5-2%. Рейсовая проходка при достижении глубины 3450 м (Рисунок 4.1) стала неуклонно падать. Снижение механической скорости бурения не давало положительных результатов. При зашламование коронки. Необходимо отметить, что при периодическом расширении пробуренных участков скважины в фильтре шламосборника поднимали на поверхность шлам, объем которого равнялся приблизительно литрам монолитного льда. Такой объем льда соответствует примерно 2,8 – 3 м проходки при бурении с получением керна. При расширении скважины скорость движения снаряда 25-30 м/ч, что соответствует концентрации шлама в потоке жидкости около 0,15%.

Таким образом, был сделан вывод, что решение проблемы увеличения проходки на глубинах более 3000 м заключается в увеличении расхода промывочной жидкости, которое приведет к снижению концентрации шлама в ее потоке. Этот вывод был сделан уже к концу сезонных работ в 43-й РАЭ (январь 1998), но из-за остановки бурения и произошедшей в 52-й РАЭ аварии, эти решения были окончательно реализованы лишь в период 2012-2014 годов.

4.2 КОЛОНКОВЫЙ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ БУРОВОЙ СНАРЯД

Стандартный электромеханический буровой снаряд КЭМС (Рисунок 1.7) включает в себя колонковый набор, шламосборник, состоящий из наружной трубы, переходного ниппеля, съемного корпуса и сетчатого фильтра с центральной шламоподъемной перфорированной по всей ее длине трубой, и закрытого сверху крышкой, приводной узел, насосный отсек, электроотсек, кабельный замок для крепления его на грузонесущем кабеле [6].

Новая конструкция электромеханического снаряда (Рисунок 4.2) обеспечивает эффективность работы системы очистки скважины от шлама при бурении льда при температуре, близкой к точке фазового перехода.

В электромеханическом буровом снаряде, включающем колонковый набор, кабельный замок, электроотсек, насосный узел, приводной узел, шламосборник, включающий сетчатый фильтр с центральной перфорированной трубой, центральная перфорированная труба установлена, как минимум, на всю длину фильтра и выполнена с дополнительной сеткой по всей е внешней поверхности и с возможностью перекрытия ее перфорационных отверстий. На верхнем торце фильтра установлена заглушка, через которую проходит труба. На нижнем торце фильтра, наоборот, труба выполнена закрытой.

Выполнение центральной трубы на нижнем торце фильтра закрытой, а полости фильтра по кольцевому зазору между наружной и внутренней сетками открытой за счет выполнения съемного корпуса сквозным обеспечивает прохождение заливочной жидкости со шламом в указанную полость фильтра, имеющую большую площадь поперечного сечения. Вследствие этого понижаются гидравлические сопротивления, и снижается вероятность образования шламовых пробок у входа в фильтр, что приводит к увеличению рейсовой проходки при бурении льда при температуре, близкой к точке фазового перехода.

Рисунок 4.2 Колонковый электромеханический буровой снаряд Выполнение центральной перфорированной трубы с дополнительной сеткой по всей е внешней поверхности обеспечивает фильтрование заливочной жидкости от шлама при прохождении е из полости фильтра по кольцевому зазору между наружной и внутренней сетками через перфорационные отверстия по всей длине центральной перфорированной трубы, проходя через сетку, а потом только через отверстия. Такая конструкция обеспечивает возможность обхода жидкостью зашламованных участков фильтра, которые приводят к снижению гидравлических сопротивлений в системе очистки забоя от шлама и увеличению длины рейсовой проходки при бурении льда, находящегося при температуре, близкой к точке фазового перехода.

Диаметр внутренней дополнительной сетки меньше диаметра наружной сетки фильтра, что обеспечивает меньшую линейную скорость внутренней дополнительной сетки фильтра при вращении в процессе работы бурового снаряда и, как следствие, меньшие гидравлические сопротивления при прохождении через не жидкости.

Перекрытие части перфорационных отверстий центральной трубы обеспечивает возможность регулирования потоков жидкости со шламом и, в результате, обеспечивает получение оптимального распределения шлама по всей длине фильтра и снижение гидравлического сопротивления. Отверстия перекрывают при регулировании длины пробки.

Таким образом, наименьшее соприкосновение частиц льда в полости фильтра обеспечивает увеличение рейсовой проходки при бурении льда, находящегося при температуре, близкой к точке фазового перехода, и обеспечивает расширение возможностей устройства.

Выполнение центральной трубы на верхнем торце фильтра открытой, а полости фильтра по кольцевому зазору между наружной и внутренней сетками закрытой обеспечивает разделение потоков отфильтрованной жидкости при выходе из фильтра. При этом часть отфильтрованной жидкости выводится через внешнюю сетчатую обечайку, а другая часть проходит через внутренний канал фильтра. Такое распределение потоков отфильтрованной жидкости обеспечивает возможность обхода жидкостью зашламованных участков фильтра, что приводит к снижению гидравлических сопротивлений в системе очистки забоя от шлама и увеличению длины рейсовой проходки при бурении льда, находящегося при температуре, близкой к точке фазового перехода.

Модернизированный колонковый электромеханический буровой снаряд состоит из колонковой трубы 1, на которой закреплена на нижнем торце коронка 2, колонковая труба и шламовая труба 3 соединены переходным ниппелем 4, на котором закреплен съемный корпус 5 фильтра 6 с наружной сеткой 8 фильтра, центральной перфорированной по всей длине трубой 9, внутренней дополнительной сеткой 11 по всей внешней поверхности центральной трубы 9 и пробкой 12.Фильтр шламосборника 6 фиксируется с помощью винтов на съмном корпусе 5, в котором на пружине 13 закреплены кнопка 14 и фиксатор 15.

Центральная труба 9 выполнена открытой на верхнем торце и, равна длине самого фильтра. Шламовая труба 3 в верхней части соединена с корпусом планетарного двухступенчатого редуктора 16, имеющего полый приводной вал 17. Корпус планетарного редуктора 16 в верхней части соединен с подшипниковым узлом 18, внутренняя опора которого крепится к нижнему торцу статора электродвигателя 19. Ротор 20 электродвигателя выполнен полым, нижний конец его соединяется с полым приводным валом 17 редуктора 16 жесткой муфтой 21. К статору электродвигателя 19 крепится насосный переходник 22, на котором укреплен насос 23 с электродвигателем 24. К верхнему торцу насосного переходника крепится нижний фланец распорного узла 25, к верхнему торцу которого крепится кабельный замок 26, в котором закреплен грузонесущий кабель 27.

Колонковый электромеханический буровой снаряд работает следующим образом. Перед постановкой бурового снаряда на забой скважины включается двигатель 24 насоса 23 и двигатель 19. Процесс бурения идет до заполнения керноприемной трубы керном, после чего отключается двигатель 19, производится отрыв керна, отключается двигатель 24 насоса 23, и снаряд извлекается на поверхность. В процессе бурения шлам с забоя удаляется за счет призабойной циркуляции заливочной жидкости, осуществляемой насосом 23.

Шлам, увлекаемый потоком заливочной жидкости, поднимается по кольцевому зазору между колонковой трубой 1 и керном, затем через съемный сквозной корпус 5 фильтра попадает в полость фильтра по кольцевому зазору между наружной и внутренней сетками и скапливается в фильтре. Жидкость со шламом входит в полость фильтра 6 по кольцевому зазору между наружной 9 и внутренней 11сетками с нижнего торца, где жидкость со шламом попадает в полость фильтра 6 через центральную перфорированную трубу 9, площадь поперечного сечения которой на порядок меньше площади сечения указанной полости фильтра 6. Это обеспечивает большее пространство для заливочной жидкости со шламом при входе в полость фильтра 6 и возможность обхода жидкостью шламовых пробок, образующихся у входа в фильтр. На выходе из фильтра поток отфильтрованной жидкости разделяется на два потока. Первый поток проходит через внешнюю сетчатую обечайку 8, а второй поток выходит через внутреннюю сетку 11 фильтра и отверстия 10 внутренней перфорированной трубы 9. При работе бурового снаряда на забое и вращении шламосборника, меньшие гидравлические сопротивления в системе очистки забоя от шлама будут возникать при прохождении жидкости через сетку фильтра с меньшим диаметром. На выходе из фильтра 6 два потока отфильтрованной заливочной жидкости попадают в центральный канал полого приводного вала17. Пройдя через фильтр, заливочная жидкость по центральному каналу в полом приводном валу 17 и в роторе 19 двигателя насосом 23 выводится в затрубное пространство.

Устройство обеспечило бурение льда вблизи подошвы ледника при температуре, близкой к точке фазового перехода. В сезоне 57-й Российской Антарктической Экспедиции в 2012г. на станции Восток было продолжено бурение ствола скважины 5Г-2. Использование данного бурового снаряда обеспечило прохождение скважины на интервале 3720-3769,3 м и выполнение проникновения в реликтовое подледниковое озеро Восток, что являлось целью многолетних научно-исследовательских и практических работ.

4.3 КОРОНКА ДЛЯ НАПРАВЛЕННОГО МЕХАНИЧЕСКОГО БУРЕНИЯ ЛЬДА

Стандартная коронка для механического бурения снаряда на грузонесущем кабеле КЭМС-112 состоит из стального корпуса, на торце которого закреплены съемные резцы, имеющие кольцевой паз для фиксации в радиальном направлении относительно корпуса коронки. Режущая кромка резцов имеет прямую форму.

Передние грани резцов развернуты внутрь коронки. Угол между режущей кромкой и радиусом коронки составляет 5°, что улучшает вынос бурового шлама.