МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ПАЩЕНКО Олександр Анатолійович

УДК 622.244.08

ОБҐРУНТУВАННЯ РАЦІОНАЛЬНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ РУЙНУВАННЯ

ГІРСЬКИХ ПОРІД В УМОВАХ ДІЇ ГІДРОСТАТИЧНОГО ТИСКУ

Спеціальність 05.15.10 – буріння свердловин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі техніки розвідки родовищ корисних копалин

Національного гірничого університету (м.Дніпропетровськ)

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, професор

ДУДЛЯ Микола Андрійович,

Національний гірничий університет,

професор кафедри техніки розвідки родовищ корисних копалин

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

МОСКАЛЬОВ Олександр Миколайович,

професор кафедри гірничих машин та інжинірингу Національного гірничого університету;

кандидат технічних наук,

ВАСЮК Борис Миколайович,

директор Дніпропетровського відділення Українського державного геологорозвідувального інституту.

Провідна установа: | ВАТ "Український нафтогазовий інститут" Міністерства палива та енергетики України, науково-дослідний відділ видобутку нафти, газу і конденсату (м. Київ).

Захист відбудеться "31" травня 2006 р. о 12_ г. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.06 при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м.Дніпропетровськ, просп. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий 27.04. 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.В.Анциферов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Успішний розвиток економіки України неможливий без мінерально-сировинної бази, для створення якої потрібні розвідка і розробка родовищ корисних копалин. На даний час практично вичерпані запаси корисних копалин, які знаходяться на порівняно невеликих глибинах. При бурінні розвідувальних і експлуатаційних свердловин на корисні копалини, що залягають на великих глибинах і в складних гірничо-геологічних умовах, виникає потреба у створенні енерго- і ресурсозберігаючих технологій, які б забезпечували зниження витрат і підвищення продуктивності при бурінні свердловин.

Основним процесом у виробничому циклі буріння свердловини є руйнування гірської породи на вибої. Відомо, що присутність у зоні руйнування промивальної рідини, збільшення глибини свердловини і гідростатичного тиску значно зменшують механічну швидкість буріння. Однак немає єдиної думки про характер та ступінь впливу гідростатичного тиску на цей процес. Це пов’язано з відсутністю простих і обґрунтованих методик, які б дозволили розрахувати технологічні параметри руйнування гірських порід на вибої свердловини в умовах дії гідростатичного тиску.

Для вирішення цієї проблеми необхідно проведення досліджень фізико-механічних характеристик і процесу руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску, що дозволить виявити фактори, які впливають на процес руйнування, і визначити раціональні технологічні параметри буріння свердловин у цих умовах. Тому актуальною задачею є розробка й обґрунтування методики розрахунку раціональних технологічних параметрів, яка буде враховувати додаткові енерговитрати при руйнуванні гірської породи, що знаходиться під дією гідростатичного тиску та дозволить покращити показники буріння.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами - дана робота є частиною комплексних наукових досліджень, виконаних за темою “Оцінка вугленосності палеозою південно-східної частини Дніпрово-Донецької западини і розробка параметрів енергозберігаючої технології і технічних засобів руйнування гірських порід”, здійснених за планом НДР і ДКР (ОК) ГП –  , № д.р.0198U005629, наказ НГАУ від 13.01.98 р. №6.

Мета роботи – підвищення продуктивності буріння свердловин шляхом розробки і обґрунтування раціональної технології руйнування гірських порід з урахуванням впливу гідростатичного тиску.

Для досягнення сформульованої мети поставлені і вирішені такі задачі.

1. Вибір і обґрунтування критерію ефективності процесу руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску.

2. Вибір раціонального способу руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску на підставі обраного критерію.

3. Виконання теоретичних і експериментальних досліджень впливу гідростатичного тиску на напружений стан гірської породи й енергоємність процесу руйнування.

4. Розробка рекомендацій по проектуванню технології руйнування гірських порід на вибої свердловини в умовах дії гідростатичного тиску та їх перевірка в умовах виробництва.

Ідея роботи полягає в урахуванні впливу гідростатичного тиску при моделюванні відриву елемента породи від масиву під дією породоруйнівного інструменту.

Об'єкт досліджень – процес руйнування гірської породи в умовах дії гідростатичного тиску.

Предмет досліджень – параметри процесу руйнування гірських порід при бурінні свердловин, методика розрахунку і методи підвищення ефективності руйнування при наявності гідростатичного тиску.

Методи досліджень. При виконанні роботи застосовано комплексний метод дослідження, що включає обробку й узагальнення літературних та патентних джерел, проведення теоретичних, експериментальних досліджень та виробничу апробацію. При теоретичних дослідженнях використані елементи теорії пружності, гідродинаміки та суцільного середовища, а також методи математичного моделювання. Експериментальні дослідження містили у собі лабораторне моделювання процесу відриву елемента від зразка породи. Оцінка результатів досліджень проводилась в умовах буріння свердловин Дніпропетровською гідромеліоративною експедицією, а також бурового управління "Укрбургаз".

Наукові положення та отримані результати, їх новизна.

Наукові положення:

- Енергоємність процесу руйнування, яка визначена методом відриву, є критерієм оцінки ефективності руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску.

- Додаткове зусилля на відрив елемента від масиву пропорційне швидкості відриву, площі знову утвореної поверхні, а також в'язкості середовища, початковому зусиллю зсуву і залежить від величини зовнішнього тиску.

Наукова новизна:

- Вперше експериментально встановлені кількісні значення залежності енергоємності від величини гідростатичного тиску і параметрів руйнування гірських порід.

- Вперше розроблені математичні моделі процесу впливу гідростатичного тиску на геометричні параметри елемента відриву і на додаткове зусилля відриву його від масиву.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Розроблено методику визначення міцнісних і енергетичних параметрів порід, яка дозволяє з мінімальними витратами часу і засобів визначити межі міцності і власну енергоємність руйнування гірських порід.

2. Розроблено рекомендації зі зменшення впливу гідростатичного тиску на вибої свердловини за рахунок зміни параметрів промивальної рідини і режиму промивання.

3. Розроблено методику розрахунку технологічних параметрів режиму буріння, що дозволяє проектувати конструктивні параметри породоруйнівного інструменту і розрахувати раціональний режим процесу руйнування, враховуючи вплив гідростатичного тиску.

Вірогідність наукових положень дисертації забезпечена застосуванням для досліджень основних положень теорій пружності і гідродинаміки; проведенням спеціальних експериментальних досліджень на зразках гірських порід; апробуванням теоретичних положень на вибір раціональних параметрів режиму буріння в лабораторних і промислових умовах із застосуванням сучасної вимірювальної і реєструючої апаратури; проведенням розрахунків на ЕОМ; збіжністю розрахункових і експериментальних даних з достовірною точністю.

Реалізація результатів роботи. Основні результати роботи і практичні рекомендації застосовувалися при виконанні науково-дослідної роботи ГП-238 у 1998-1999 р. "Оцінка вугленосності палеозою південно-східної частини Дніпрово-Донецької западини і розробка параметрів енергозберігаючої технології і технічних засобів руйнування гірських порід”.

Розроблені рекомендації з вибору технологічних параметрів буріння застосовувалися при бурінні водозабірних свердловин на Петропавлівському водозаборі Дніпропетровської області.

Розроблена методика визначення параметрів буріння в умовах дії гідростатичного тиску застосовувалася в буровому управлінні "Укрбургаз" для розрахунку і прогнозуванні раціональних параметрів руйнування гірських порід при бурінні глибоких свердловин.

Розроблені рекомендації з вибору технологічних параметрів режиму буріння свердловин в умовах дії гідростатичного тиску прийняті і ухвалені до використання Державною геологічною службою Міністерства екології і природних ресурсів України.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно зробив огляд стану питання підвищення ефективності руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску, сформулював задачі дослідження, наукові положення, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень і виробничих випробувань. Зміст дисертації викладено автором особисто.

Апробація роботи. Дисертаційна робота та її основні розділи докладені й одержали схвалення на науково-технічних конференціях "Епштейнівські читання" (Дніпропетровськ, 1998; 2004); на VIII Міжнародному симпозіумі гірничого планування і вибору обладнання (Дніпропетровськ, 1998); на міжнародному симпозіумі охорони гірничого середовища й економічного огляду (Дніпропетровськ, 1999); на міжнародній науково-практичній конференції "Метан вугільних родовищ України" (Дніпропетровськ, 1999); на міжнародній науково-практичній конференції "Нестеренківські читання" (Дніпропетровськ, 2000); на міжнародній конференції "Форум гірників - 2005" (Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 робіт, у тому числі 10 статей у фахових виданнях, 8 у збірниках наукових праць, отримано 1 патент.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти глав, висновку. Робота викладена на 141 сторінці машинописного тексту і включає: 41 рисунок, 19 таблиць, список використаних джерел зі 128 найменувань і 10 додатків, у цілому її обсяг становить 199 сторінок.

ЗМІСТ РОБОТИ

Дослідженню основного процесу технології буріння свердловин – руйнуванню гірських порід у різних умовах присвячені роботи Л.І.Барона, Е.Ф.Епштейна, Б.І.Воздвиженського, О.І. Булатова, Б.А.Жлобинського, А.М.Гусмана, Р.ГустафсонаВ.А.Лобанова, Б.В.Байдюка, А.Н.Москальова, Р.М.Ейгелеса, Л.Г.Керекилиці, Н.А.Колеснікова, Н.М.Павлової, Ю.І.Протасова, Г.Я.Новіка, В.В.Ржевського, С.Я.Сологуба, І.А.Турчанінової, Л.А.Шрейнера, В.С.Федорова, Ю.Д.Безсонова, А.М.Бражененка, А.О.Кожевникова, В.П.Якушева та інших авторів.

Аналіз літературних джерел і виробничих даних показав, що більшість дослідників вважають головним резервом енерго- і ресурсозбереження при бурінні раціональну організацію промивання свердловин. Установлено, що із зростанням глибини свердловини відбувається значне зменшення механічної швидкості буріння, однак немає єдиної думки про вплив гідростатичного тиску на цей процес.

Проведені дослідження показали, що на сьогоднішній день існує декілька підходів до визначення впливу гідростатичного тиску на ефективність руйнування гірських порід: визначення фізико-механічних характеристик гірських порід при простих і складних видах напруженого стану; визначення енергоємності і питомої роботи руйнування. Дані методики після необхідної доробки застосовуються з метою визначення ефективності руйнування в умовах гідростатичного тиску.

Сучасні методи вивчення фізико-механічних властивостей гірських порід при різних видах напруженого стану не повністю відображають дійсний характер процесів, що відбуваються при руйнуванні породи на вибої свердловини, і не можуть служити для моделювання впливу гідростатичного тиску на процес руйнування.

Інформативною характеристикою ефективності способу руйнування є такий показник як коефіцієнт енергоємності Кe, обумовлений співвідношенням питомої витрати енергії на руйнування до тимчасового опору порід одноосьовому стискові.

Способи руйнування. | Кe

Механічні:

- шарошечне буріння | 0,7

- обертальне (різанням) | 0,9

Гідравлічні:

- струмінь високого тиску | 45,0

- низькошвидкісний струмінь | 85,0

Таким чином, раціональним способом руйнування гірських порід за показниками енергоємності процесу і споживаної потужності, з можливістю його застосування під водою, є механічне руйнування (Кe=0,7-0,9), що найбільш розповсюджене при проведенні бурових робіт.

Як відомо, основним енергетичним показником процесів руйнування гірських порід є об'ємна енергоємність - відношення витраченої в процесі руйнування енергії до об'єму зруйнованої породи. Таким чином, головною проблемою визначення енергоємності є спосіб відділення елемента породи від зразка, який би давав стабільні показники, не залежав від зовнішньої форми останнього і методу його закріплення.

В основу фізичної моделі руйнування в умовах дії гідростатичного тиску покладена ідея, яка полягає у тому, що цей процес відбувається шляхом відриву від масиву елемента гірської породи (рис.1).

РИСУНОК

Рис. 1. Принципова схема руйнування породи на вибої в умовах дії

гідростатичного тиску.

1 – тріщина; 2 – різець; 3 – ядро ущільнення.

Dгр – граничний діаметр; Нгр – гранична висота; hп – поглиблення різця; P – гідростатичний тиск; Fвід – зусилля відриву; Fос, Vм – осьове зусилля і механічна швидкість відповідно; Fоб, Vоб – зусилля і швидкість обертання; Sr, Sк – площі контактних поверхонь.

При переміщенні різця по вибою зі швидкістю різання Vоб і механічною швидкістю буріння Vм перед передньою гранню різця утвориться об'єм породи (ядро ущільнення) за рахунок дії осьового Fос і обертаючого Fоб навантажень. Порода в ньому знаходиться в стані усебічного тиску, ущільнена, диспергована і передає навантаження Fвід на навколишнє середовище. Під дією всебічного тиску в ядрі ущільнення відбувається відрив елемента гірської породи. При відділенні його від масиву виникає різниця тисків між тиском на передню поверхню елемента і на новоутворену. Навколишня рідина, обтікаючи елемент, який відділяється, заповнює цю тріщину. Для здійснення подальшого руху, у той час як тріщина заповнюється, до елемента необхідно прикласти додаткову силу, тому що зовнішнє середовище чинить опір його рухові. Виходить, що при відриві елемента від масиву в умовах впливу зовнішнього середовища необхідні додаткові витрати енергії ад, що визначаються роботою сили Fвід по подоланню дії зовнішнього середовища, на поверхню відокремлюваного елемента.

Відповідно до моделі була розроблена методика проведення досліджень впливу гідростатичного тиску на енергоємність процесу руйнування гірських порід при бурінні свердловин. Суть її полягає в тому, що (див. рис.2): заздалегідь підготовлений зразок гірської породи розташовується на оправці, діаметр якої дозволяє уникнути впливу крайових ефектів. У центрі зразка просвердлено отвір, глибина якого визначена в попередніх експериментах і свідомо менше критичної. Відрив здійснюється за рахунок переміщення пуансона заданого діаметра убік вільної поверхні зразка. У залежності від мети досліджень формуються необхідні умови. Для цього зразок гірської породи розташовують у барокамері з заданим гідростатичним тиском і здійснюють відрив елемента. При цьому фіксується зусилля відриву, а після відділення вимірюються геометричні параметри відділеного елемента: висота – Нгр, діаметр основи – Dгр (рис.2). Ці дані є вихідними для розрахунку енергоємності руйнування.

РИСУНОК

Рис. 2. Схема руйнування гірських порід методом відриву:

1 – пуансон; 2 – елемент; 3 – вільна поверхня; 4 – зразок гірської породи.

За величиною об'ємної енергоємності можна порівнювати різні гірські породи опору руйнуванню і визначати ефективність способів руйнування гірських порід породоруйнівними органами в умовах гідростатичного тиску.

Енергоємність відділення елемента аm від масиву визначається залежністю:

, (1)

де Fо – навантаження на пуансон у момент відриву елемента; E – модуль Юнга; dп – діаметр пуансона; V - об'єм відокремленого елемента.

Для визначення впливу гідростатичного тиску на енергоємність руйнування були обрані породи з різними фізико-механічними властивостями – граніт, вапняк, мармур. Проведено ряд експериментів у повітряному середовищі при гідростатичному тиску величиною 0,1 МПа і 10 МПа, а також використані дані досліджень, проведених у ВНДПІОкеанмаш при тиску до 40 МПа.

У результаті експериментальних досліджень встановлено, що підвищення гідростатичного тиску призвело до зростання енергоємності руйнування - при 0,1-10 МПа: вапняку - в 4,0 рази, мармуру – 3,7 рази, граніту – 2,7 рази; при 0,1-40 МПа: вапняку - 5,3 рази, мармуру – 8,3 рази, граніту – 9,9 рази (рис.3). При збільшенні гідростатичного тиску від 0,1 до 40 МПа зусилля відриву зросло: для вапняку в 1,03 раза, мармуру – 2,08 раза, граніту – 3,95 раза. Надійність вимірів складає 80-98%, що цілком задовольняє умовам інженерних розрахунків.

РИСУНОК

Рис. 3. Залежність енергоємності руйнування від величини гідростатичного

тиску

1 – вапняк; 2 – мармур; 3 – граніт.

Крім величини гідростатичного тиску на процес руйнування суттєво впливають фізико-механічні параметри зовнішнього середовища: щільність, в'язкість, напруга зсуву промивальної рідини. Більший приріст енергоємності руйнування граніту (рис.3) у порівнянні з вапняком і мармуром, викликаний наявністю порожнин у цих породах. За рахунок додаткових каналів, у яких знаходиться і через які проходить рідина при руйнуванні, вирівнювання тисків відбувається швидше. Це дозволяє стверджувати, що раціональна область застосування розроблених рекомендацій - руйнування малопористих гірських порід, які знаходяться під великим гідростатичним тиском.

Результати проведених експериментів дали можливість розробити рекомендації з вибору раціональних технологічних параметрів при наявності гідростатичного тиску і прогнозувати механічну швидкість буріння.

Згідно з фізичною моделлю впливу зовнішнього середовища на процес руйнування, додаткове зусилля відриву елемента визначається співвідношеннями:

- при відриві елемента у ньютонівській (ідеальній) рідині:

; (2)

- при відриві елемента в неньютонівській (в'язкопластичній) рідині:

, (3)

де Р – тиск рідини; р – різниця між зовнішнім тиском і тиском у тріщині; b – ширина елемента; l – довжина елемента; m – маса елемента; 0 – початкова напруга зсуву; – динамічна в'язкість рідини; h – ширина розкриття тріщини.

Порівняння експериментальних даних з аналітичними розрахунками показало правомірність застосування даної моделі (рис.4), розбіжність склала для монолітних порід 3-7%, для вапняку – 35%. Перевищення розрахункового зусилля відриву над експериментальним для вапняку пов'язано з його високою пористістю, розмоканням і як наслідок, зміною його фізико-механічних характеристик.

На основі проведених досліджень розроблена математична модель руйнування, що дозволяє розрахувати геометричні параметри відділеного елемента і визначати фізико-механічні властивості гірської породи. На підставі цієї моделі криволінійна утворююча перерізу знов утвореної поверхні відриву описується формулою:

, (4)

де D – поточний діаметр; - напруга здвигу; - нормальна напруга.

Граничні умови рівняння при відриві симетричного конусоподібного елемента по елементарних площадках:

; . (5)

Розбіжність при розрахунках складає від 3 до 12% у порівнянні з рівнянням чверті еліпса.

Проведені експериментальні дослідження і математичні моделі дозволили розробити методику визначення раціональних параметрів руйнування гірської породи на вибої свердловини в умовах дії гідростатичного тиску.

При роботі бурового породоруйнівного інструмента (доліт, коронок) розмір стружки, що знімається кожним окремим різцем, досить незначна в порівнянні з відстанню між різцями. Однак при розташуванні різців в одній площині необхідно уникати режиму блокованого різання. Розглянемо руйнування гірської породи окремим різцем.

РИСУНОК

Рис. 4. Залежності зусилля відриву елемента від гідростатичного тиску:

1, 2, 3 – експериментальна – вапняк, мармур, граніт;

1', 2', 3' – аналітична – вапняк, мармур, граніт.

Контактні навантаження на різець у момент відриву:

, (6)

де [p] – нормальна критична напруга.

Зусилля на передню, задню і бокову грані відповідно будуть:

; ; , (7)

де Sпг, Sзг, Sбг – площадки затуплення різця на передній, задній і бічній гранях відповідно.

Оптимальними параметрами руйнування породи ріжучим інструментом – відстань між різцями і глибина різання будуть такі, котрим відповідають мінімальні витрати енергії.

Для режиму блокованого різання оптимальна глибина h0 і відстань між різцями tопт:

, (8)

де h0 – оптимальна глибина різання; b – ширина різця.

, (9)

де .

Кількість сколів на 1 м шляху різця:

. (10)

Таким чином, приймаючи експериментальні дослідження (С1) за вихідні результати, можна орієнтовно розрахувати число сколів на одиницю шляху (nск), оптимальні величини глибини різання (h0), зусилля різання і подачі.

При бурінні свердловини потужність, яка витрачається на руйнування, розраховується за формулою:

, (11)

де F – навантаження на різець; Vр – швидкість різця, - кут між навантаженням та швидкістю.

Оскільки зі зміною параметрів руйнування кут змінюється не суттєво, тоді поточна механічна швидкість буріння через співвідношення початкової та поточної потужностей становить:

, (12)

де Fп, Fк – початкове та поточне навантаження на різець відповідно; Vрп – початкова швидкість різця; Vобк – поточна окружна швидкість різця.

При використанні даних експериментальних досліджень зміна механічної швидкості буріння розраховується за такою методикою:

- зусилля відділення елемента обчислюється за формулою:

, (13)

- механічну швидкість буріння одержимо після підстановки (13) в (11):

, (14)

звідси

. (15)

де атн, атк – початкова та поточна енергоємності відділення елемента відповідно; Vп, Vк – початковий та поточний об'єми відділеної породи.

На рис.5 показано залежність Vрn/Vрк від гідростатичного тиску. Як видно, зменшення механічної швидкості з глибиною відбувається за квадратичним законом, практично не впливає тиск на вапняк, оскільки в ньому багато порожнин. Таким чином, орієнтуючись на приведену залежність, можна визначити на скільки буде зменшуватись механічна швидкість з глибиною і відповідно розрахувати поточну швидкість, якщо відома початкова.

Аналіз результатів математичного моделювання показав, що для компенсування впливу гідростатичного тиску у діапазоні від 0 до 40 МПа необхідно знижувати частоту обертів породоруйнівного інструмента близько 20-35% на кожні 10 МПа, зі збільшенням осьового зусилля на 15-30%. Застосування розробленої методики дозволяє з достатньою точністю прогнозувати зміну механічної швидкості буріння під впливом гідростатичного тиску, а також розрахувати раціональні осьове навантаження і частоту обертання при бурінні в умовах дії гідростатичного тиску (рис. 6). При значній глибині свердловини необхідно ввести поправочні коефіцієнти, що дозволять врахувати фактори, які не ввійшли в приведену методику розрахунку раціональних параметрів буріння, але впливають на них.

РИСУНОК

Рис.5. Залежність Vрn/Vрк від гідростатичного тиску (Vрn, Vрк – початкова та поточна швидкість відповідно):

1 – мармур; 2 – граніт; 3 – вапняк.

Для поліпшення показників ресурсо- і енергозбереження буріння свердловин згідно з розробленою методикою необхідно реалізовувати такі заходи:

-

-

-

-

-

Виконання цих вимог дозволить вибрати розчин і забезпечити процес руйнування породи, що не тільки виключить ускладнення й аварії в свердловині, але й забезпечить високі швидкості при бурінні. Звичайно, у кожному конкретному випадку необхідно вирішувати комплексне задачу про доцільність чи застосування того чи іншого розчину з урахуванням геолого-технічних умов буріння, технічної озброєності бурової установки, оперативності постачання її необхідними матеріалами, кваліфікації робітників, призначення свердловини тощо.

РИСУНОК

Рис. 6. Залежність розрахованої і фактичної механічних швидкостей буріння від

гідростатичного тиску.

Очікуваний економічний ефект при дотриманні приведених рекомендацій протягом буріння свердловини глибиною до 1 000 м складає близько 11 тис.грн.

Для визначення ефективності впровадження розроблених рекомендацій зі зниження впливу гідростатичного тиску на ефективність буріння свердловини основним показником прийнята механічна швидкість буріння. За базу порівняння приймалися показники бурових робіт, виконаних до впровадження рекомендацій.

При бурінні на родовищах Дніпрово-Донецької западини (ДДЗ) зі збільшенням глибини до 4  м механічна швидкість буріння зменшилася в 8-10 разів. Заміна низькосортних кускових глин високоякісними бентонітовими глинопорошками, що дало можливість зменшити гідростатичний тиск на вибій свердловини, призвела до збільшення механічної швидкості буріння на 15-20%.

Буріння свердловини №3 Дніпропетровською гідромеліоративною експедицією у районі Петропавлівського водозабору показало, що заміна глинистої промивальної рідини щільністю 1270 кг/м3 на безглинистий розчин щільністю 1  кг/м3 призвела до підвищення механічної швидкості буріння на 25%.

Результати буріння свердловини №57 Верхня Полтва Крестіщенського УБР дозволили зробити висновок, що розроблені рекомендації дозволяють прогнозувати зміну механічної швидкості буріння зі зміною гідростатичного тиску в свердловині і параметрів буріння, а також розрахувати параметри буріння для одержання необхідної механічної швидкості.

Розроблені рекомендації з вибору технологічних параметрів режиму буріння свердловин в умовах дії гідростатичного тиску прийняті і затверджені Державною геологічною службою Міністерства екології і природних ресурсів України.

ВИСНОВКИ

У дисертації, що є закінченою науково-дослідною роботою, вперше поставлена і вирішена актуальна наукова задача ресурсо- і енергозбереження буріння свердловин шляхом обґрунтування параметрів і розробки раціональної технології руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску.

Основні наукові та практичні результати дисертаційної роботи.

1. Встановлено, що ефективність руйнування гірських порід характеризується енергоємністю відділення елемента від масиву убік вільної поверхні. Кількість енергії, витраченої на руйнування породи, залежить від режиму роботи та конструктивних параметрів породоруйнівних інструментів і властивостей навколишнього середовища.

2. Вибрано і обґрунтовано критерій руйнування гірської породи в умовах дії гідростатичного тиску - енергоємність відділення елемента убік вільної поверхні зразка.

3. Раціональним способом руйнування гірських порід, за показниками енергоємності процесу і споживаної потужності, є спосіб дискретного відділення елемента гірської породи методом відриву.

4. Розроблена методика визначення енергоємності руйнування гірської породи шляхом відриву елемента убік вільної поверхні дозволяє враховувати фактор гідростатичного тиску, відображає величину витрат енергії на руйнування породи при бурінні свердловин.

5. Експериментальні дослідження показали, що зі збільшенням гідростатичного тиску (0-10 МПа), енергоємність зростає для вапняку в 4,0, мармуру - 3,7 і граніту - 2,7 раза. При зростанні тиску до 40 МПа енергоємність зростає для вапняку в 5,3, мармуру - 8,3 і граніту - 9,9 раза.

6. Фізичні та математичні моделі процесу впливу гідростатичного тиску на геометричні параметри елемента відриву і на додаткове зусилля відриву його від масиву дозволили розробити рекомендації підвищення ефективності руйнування гірських порід.

7. Розроблена інженерна методика розрахунку технологічних параметрів руйнування гірських порід з урахуванням дії гідростатичного тиску. Методика дозволяє також розраховувати раціональне розміщення породоруйнівних елементів на інструменті.

8. Розроблені і застосовані в умовах виробництва рекомендації дозволили підвищити механічну швидкість буріння водозабірних свердловин в середньому на 20-25% та прогнозувати раціональні параметри буріння глибоких свердловин на нафту та газ. Методичні рекомендації прийняті і схвалені до використання Державною геологічною службою Міністерства екології і природних ресурсів України.

Основні наукові положення дисертації відображені в таких публікаціях:

1. Дудля Н.А., Пащенко А.В., Пащенко А.А. Некоторые закономерности разрушения горных пород // Науковий вісник НГАУ, №2. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1998. – С.81-85.

2. Дудля Н.А., Пащенко А.А., Пащенко А.В. Выбор критерия энергетической эффективности проведения горных работ // Гірнича електромеханіка та автоматика, НГАУ, №1(60), 1998. - С.133-135.

3. Дудля Н.А., Пащенко В.А., Пащенко А.А. Разрушение горных пород при внешнем давлении // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море, №1-2, 1998. - С.21-24.

4. Дудля Н.А., Пащенко А.А. Экспериментальное определение сопротивляемости горных пород отрыву // Науковий вісник НГАУ №3. - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. – С.104-107.

5. Дудля Н.А., Бражененко А.М., Пащенко А.А. Разрушение горных пород при растяжении // Горная электромеханика и автоматика: науч.-техн.сб., вып.4, 1999. - С.134-136.

6. Пащенко А.А Технологические резервы снижения затрат на бурение скважин // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. Бурение скважин гидрогеология и экология, №6, том 4, 1999. – С.77-83.

7. Дудля Н.А., Бражененко А.М., Пащенко А.А. К определению затрат мощности на преодоление сил гидравлического воздействия на забое скважины // Науковий вісник НГАУ №4.-Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2000.–С.82-83.

8. Дудля Н.А., Пащенко А.А. Условие прочности О.Мора как сечение поверхности разрушения // Геотехническая механика. сб., вып.17, 2000.–С.255-260.

9. Пащенко А.А. Модель влияния гидростатического давления на отделение элемента от массива // Науковий вісник НГАУ, №4. - Днепропетровск: РИК НГА Украины 2001. – С.50-51.

10. Земба А., Дудля Н.А., Пащенко А.В., Пащенко А.А. Экологически безопасная технология проведения дноуглубительных работ // Наукові праці Донецького державного технічного університету. сб., вып.24, 2001. -– С.24-26.

11. Дудля Н.А., Пащенко А.А. Некоторые вопросы определения энергоемкости разрушения горных работ // Наукові праці Донецького державного технічного університету. сб., вып.24, 2001. – С.23-24.

12. Дудля Н.А., Пащенко А.А. Экспериментальные исследования влияния гидростатического давления на процесс разрушения // Науковий вісник НГАУ. сб., вып.5, 2001. – С.107-108.

13. Дудля Н.А., Пащенко А.А. Определение физико-механических свойств горных пород при разрушении отрывом // Научные труды Донецкого национального технического университета. вып.63, 2003. – С.93-97.

14. Пат. 40976А Україна, МКИ Е21В10/32. Пристрій для нарізання стінок свердловини / Земба Антоній (PL), Дудля Н.А., Пащенко А.А. №2000127283 Заявлено 18.12.2000; Опубл. 15.08.01; Бюл. № 7. – 2 с.

15. Дудля Н.А., Пащенко А.А. К вопросу определения рациональных параметров разрушения горных пород // Материалы международной конференции "Форум горняков - 2005", т.2. - Д.:НГУ, 2005, - С.266.

16. Dudlya N.A, Pashchenko A.A. Technological reserves of expenses reduction in mining // Mine Planning and Equipment Selection 1999 & Mine Environmental and Economical Issues 1999, Pivnyak & Singhal (eds), 1999 - P.709-711.

17. A.W.Paszczenko, N.A.Dudla, A.Ziкba, A.А.Paszczenko. Metodyka badania i wpіyw ciњnienia hydrostatycznego na energochіonnoњж urabiania skaі // 9-th INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONEFERENCE "New Methods and Technologies in Petroleum Geology, Drilling, and Reservoir Engineering", 1998, July 2-3, Cracow, С.35-39.

18. Пащенко А.А. Особенности механического разрушения горных пород // Труды научно-технической конференции "Эпштейновские чтения", НГАУ, 1998. – С.56-57.

19. Дудля Н.А., Пащенко А.В., Пащенко А.А. Разрушение горных пород в водной среде // Труды научно-технической конференции "Эпштейновские чтения", НГАУ, 1998. – С.19-22.

АНОТАЦІЯ

Пащенко О.А. Обґрунтування раціональної технології руйнування гірських порід в умовах дії гідростатичного тиску. – Рукопис.

Дисертаційна робота на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.15.10. – "Буріння свердловин" – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена питанням обґрунтування параметрів і розробки технології руйнування гірської породи, які забезпечують підвищення продуктивності і зниження енергоємності процесу руйнування гірських порід на вибої свердловини в умовах дії гідростатичного тиску.

Вибрано і обґрунтовано критерій руйнування гірської породи в умовах дії гідростатичного тиску - енергоємність відділення елемента убік вільної поверхні. Даний критерій є власною характеристикою процесу руйнування матеріалу, що відображає витрати енергії на відділення визначеного обсягу гірської породи і залежить від фізико-механічних властивостей породи і процесу руйнування.

На основі аналітичних, стендових і виробничих досліджень запропоновано рекомендації для підвищення ефективності руйнування породи в умовах дії гідростатичного тиску та розроблено методику розрахунку параметрів руйнування: величини прикладених сил і швидкості переміщення породоруйнівного інструмента. Експериментально і теоретично встановлено залежність енергоємності руйнування від величини гідростатичного тиску, типу породи та швидкості навантаження. На основі аналітичних досліджень складено математичні моделі процесів руйнування та впливу на них промивальної рідини.

Результати теоретичних досліджень знайшли підтвердження в експериментів і стали базою для обґрунтування параметрів і розробки технології руйнування гірської породи, успішно апробованих у виробничих умовах: Петропавлівський водозабір Дніпропетровської області, бурове управління "Укрбургаз", прийняті і рекомендовані до використання Державною геологічною службою Міністерства екології і природних ресурсів України.

Ключові слова: буріння, свердловина, руйнування, енергоємність, гідростатичний тиск, ефективність, промивальна рідина.

АННОТАЦИЯ

Пащенко О.А. Обоснование рациональной технологии разрушения горных пород в условиях действия гидростатического давления. – Рукопись.

Диссертационная работа на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.15.10. – "Бурение скважин" – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена вопросам обоснования параметров и разработки технологии разрушения горной породы, которые обеспечивают повышение производительности и снижение энергоемкости процесса разрушения горных пород на забое скважины в условиях действия гидростатического давления.

На основе анализа литературных источников и экспериментальных данных, а также моделирования процесса отрыва элемента от массива, доказано угнетающее действие гидростатического давления на процесс разрушения горной породы. Проведен обзор существующих методов определения физико-механических характеристик горных пород с целью установления методик приемлемых для определения влияния гидростатического давления на процесс разрушения.

Выбран и обоснован критерий разрушения горной породы в условиях действия гидростатического давления - энергоемкость отделения элемента в сторону свободной поверхности. Данный критерий является собственной характеристикой процесса разрушения материала, который отображает затраты энергии на отделение определенного обьема горной породы и зависит от физико-механических свойств породы и процесса разрушения.

Разработана методика определения энергоемкости отделения элемента при гидростатическом давлении и проведены экспериментальные исследования. Экспериментально и теоретически установлена зависимость энергоемкости разрушения от величины гидростатического давления, типа породы и скорости нагружения. Количественные показатели позволяют судить о степени влияния на разрушение различных пород гидростатического давления.

В ходе аналитических исследований разработаны математические модели процессов разрушения и влияния на них промывочной жидкости. На основе аналитических, стендовых и производственных исследований предложены рекомендации для повышения эффективности разрушения породы в условиях действия гидростатического давления и разработана методика расчета основных параметров разрушения: величины приложенных сил и скорости перемещения породоразрушающего инструмента.

Результаты теоретических исследований нашли подтверждение в экспериментах и стали базой для обоснования параметров и разработки технологии разрушения горной породы, успешно апробированных в производственных условиях: Петропавловский водозабор Днепропетровской области, буровое управление "Укрбургаз", приняты и рекомендованы к выполнению Государственной геологической службой Министерства экологии и природных ресурсов Украины.

Ключевые слова: бурение, буровая скважина, разрушение, энергоемкость, гидростатическое давление, эффективность, промывочная жидкость.

ANNOTATION

Pashchenko O.A. Substantiation of rational technology of rocks destruction in requirements of activity of hydrostatic pressure. - the Manuscript.

Thesis on obtaining a scientific degree of Candidate Technical Science on a specialty 05.15.10. - "Drilling of boreholes" - National mining university, Dnipropetrovs'k, 2005.

The dissertation is devoted to questions of a substantiation parameters and mining of rock destruction technology which provide pinch of productivity and a decrease of power consumption of fracture process on borehole bottom in requirements of activity of hydrostatic pressure.

The criterion of rock destruction in conditions of action of hydrostatic pressure - power consumption of separation of an element aside a free surface is chosen and proved. The given criterion is own characteristic of destruction process of a material which displays expenses of energy for separation of the certain volume of rock and depends on physicomechanical properties of soil and process of destruction.

On the basis of analytical, bench and industrial examinations recommendations for pinch of efficiency of rock breaking in requirements of activity of hydrostatic pressure are offered, and the design procedure of key parameters of fracture designed: quantities of the enclosed forces and velocities of travel of a rock-breaking tool. Observationally also dependence of power consumption of fracture on quantity of hydrostatic pressure, such as soil and velocity of a loading of a material theoretically sets. On the basis of analytical examinations mathematical models of processes of fracture and influence on them fluids designed.

Results of theoretical examinations have found confirmation in experiments and became basis for a substantiation of parameters and mining of technology of fracture of the rock, successfully approved under production conditions.

Key words: drilling, a borehole, fracture, power consumption, hydrostatic pressure, efficiency, a fluid.