Введение к работе
Актуальность работы. В современных сложных условиях переходного периода от плановой к рыночной экономике важнейшее значение для России приобретают ее минерально-сырьевые ресурсы.
Основные разведанные и, в особенности, перспективные запасы твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых концентрируются в районах Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера и Северо-Востока страны, где почти повсеместно распространены многолетнемерз-лые породы. На область распространения многолетнемерзлых пород приходится около 65% территории России. Многолетняя мерзлота существенно осложняет гражданское и промышленное строительство, прокладку автомобильных и железных дорог, возведение долговременных сооружений, в особенности, объектов открытой и подземной добычи полезных.ископаемых, горно-обогатительных предприятий, а также выполнение геологоразведочных работ и инженерных изысканий, широко использующих бурение скважин. Как многолетний отечественный, так и зарубежный опыт показывает необходимость в этих условиях самого пристального внимания к совершенствованию технологии бурения скважин в целях геологической разведки, гидрогеологических исследова- ний и инженерных изысканий не Только в интересах производительности и экономичности буровых работ, но, прежде всего, для обеспечения достаточной достоверности разведки и изысканий.
В результате долгой и трудной эволюции технологических средств и приемов бурения скважин в специфически сложных условиях мерзлоты к настоящему времени накоплено достаточно практических данных в пользу промывки скважин пеной. Эта новая разновидность очистных агентов в силу относительно малой потребности в воде и сжатом аоэдухе значительно упрощает организацию буровых работ, особенно в зимнее время, а ее особые реологические свойства многократно снижают частоту и тяжесть проявления типичных для мерзлоты осложнений процесса бурения, всегда являющихся следствием недостаточного учета температурного фактора.
. По указанным причинам есть все основания считать исследование закономерностей температурного режима скважин при бурении с промывкой пеной в многолетнемерзлых породах, направленное . на совершенствование технологии бурения, весьма актуальным.
Работа выполнялась в 1981-1995 г.г. в б. ОНИЛ ТТРБ, на.кафедре ТТБС Санкт-Петербургского государственного горного института и в геологоразведочных организациях б. ЛГ0 Камчатгеологии, Приленск-
геологии, Севвостгеологии и Красноярскгеологии в соответствии с координационными планами и отраслевыми программами б. Мингео РСФСР и Роскомнедра, по наряд-заказам Минвуза и Госкомвуза Российской Федерации.
Цель работы'. Разработка достоверной методики расчетов по прогнозу И регулированию температурного режима скважины с учетом агрегатного перехода в окружающем массиве при бурении скважин в мерзлых породах с промывкой пеной.
Основина задачи исследования.
-
Разработка математической модели термогидравлических процессов при бурении скважин с промывкой пеной в мерзлых пооодах и льдах с учетом возможного изменения их агрегатного состояния.
-
Разработка методики экспериментального исследования зависимости параметра Нуссельта, характеризующего интенсивность тепло-обменных процессов при движении пены, от основных определяющих факторов, включая фазовый переход влаги в окружающем массиве.
-
Проектирование, изготовление и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой экспериментального стенда для изучения теп-лообменных процессов при различных режимах циркуляции пены.
-
Проведение экспериментов, обработка опытных данных методами математической статистики и построение на этой основе эмпирической зависимости для расчетного определения значений коэффициента теплоотдачи а в конкретных условиях движения пены.
5. Разработка программы для ЭВМ с использованием эмпирической
зависимости для а, сопоставление расчетов по разработанной мате
матической модели с результатами расчетов по эталонным аналитиче
ским методам и опытными данными по температурному режиму, оценка
достоверности модели.
-
Выполнение вариантных расчетов по прогнозу температурного режима скважин в различных типовых условиях бурения в мерзлых породах с промывкой пеной.
-
Разработка рекомендаций по расчетному прогнозу, регулированию и нормализации температурного фактора в целях совершенствования технологии разведочного бурения в обширной области распространения многолеткемерзлых пород на основе применения "пены в качестве очистного агента'.-
Методика исследований-.. Решение поставленных задач потребовало сочетания аналитических и экспериментальных методов исследования.
Теоретическая часть работы заключается в анализе и обобщении пред
шествующих разработок по прогнозу и регулированию температурного
режима буровых скважин, существующих аналитических, полуэмпириче
ских и чисто эмпирических экспресс-методов расчета, выявлению пол
ноты и достоверности учета определяющи-: факторов и разработке на
этой основе уточненной математической модели термогидравлических
процессов циркуляции пены при бурении скважин в мерзлых породах.
Применялись математический анализ и программирование на основе со
временных физических представлений о свойствах и движении пены с
использованием достоверных опытных данных других исследователей и
полученных автором самостоятельно. Экспериментальная часть иссле
дований заключалась в разработке специального стенда — модели
скважины с применением- современной контрольно-измерительной аппа
ратуры, обосновании методики и выполнении измерений по определению
параметра.Нуссельта при циркуляции 'пены,.результаты которых обра
батывались методами математической статистики. Полученная эмпири
ческая зависимость параметра Нуссельта от определяющих его факто
ров использована при разработке алгоритма и программы для ПЭВМ,
достоверность которых подтверждена результатами сопоставления рас
четных и опытных данных и расчетами по эталонным аналитическим ме
тодам. Для обоснования рекомендаций по методике технологических
инженерных расчетов' и нормализации температурного режима скважин
при бурении с промывкой пеной в мерзлых породах с учетом агрегат
ного перехода влаги в окружающем массиве использовались вариантные
расчеты на ПЭВМ' с последующим анализом"и обобщением их результа
тов . ' .
Научная новизна. Экспериментально установлена зависимость парамет
ра Нуссельта при циркуляции пены от ее физических свойств и режима
течения в условиях агрегатного перехода в окружающем массиве, с.
использованием которой разработаны математическая модель темпера
турного режима скважины при бурении в многолетнемерзлых породах и
программа для ПЭВМ и с помощью вариантных расчетов исследованы пу--
ти нормализации температурного фактора. _
Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, основана на результатах математического анализа, достаточном объеме экспериментальных исследований зависимости параметра Нуссельта при циркуляции пены, современной методике измерений и обраОотки опытных данных, полном качественном и близком количественном совпадении расчетных и опытных данных.
Практическая ценность результатов исследования состоит в разработке инженерной методики расчетов температурного режима скважины при бурении с пеной в многолетнемерзлых породах и сплошных льдах с учетом агрегатного перехода влаги. Методика пригодна для достоверного расчетного определения рационального технологического режима промывки пеной в конкретных условиях, целенаправленного регулирования и нормализации температурного фактора с целью предупреждения осложнений и простоев по .причинам замерзания,очистного агента или растепления мерзлоты с потерей связности и устойчивости, что является необходимым условием совершенствования разведочных буровых работ в обширной области распространения многолетнемерзлых пород. На основе анализа вариантных расчетов разработаны рекомендации по выбору технических средств и технологическим приемам регулирования и нормализации температурного фактора при бурении скважин в мерзлых 'породах.
Реализация результатов исследования. Разработанная методика инженерных расчетов и рекомендации по нормализации температурного фактора при бурении скважин в многолетнемерзлых породах принята ВНИИ методики и техники разведки (ВИТР) НПО "Геотехника" Роскомнедр РФ для практического использозания при разработке новой буровой техники и ресурсосберегающих технологий разведочного бурения в осложненных условиях. Основные результаты выполненного исследования (уточненная теория температурного режима скважины при бурении в мерзлых породах с учетом агрегатного перехода, программа для ПЭВМ и методика технологических расчетов, рекомендации по нормализации температурного фактора) внедрены в учебный процесс при чтении курсов лекций "Бурение разведочных скважин на твердые полезные ископаемые", "Теоретические основы процессов бурения". Раздел: "Гидроаэромеханика и теплообмен", а также в курсовое и дипломное проектирование студентов СПГГИ по специальностям; 0807 - технология и техника разведки МПИ и 0908 - бурение нефтяных и газовых скважин.
Апробация работы.'Основные положения диссертационной работы докла
дывались на I (1989 г.) и III (1995 г.) Международных симпозиумах
по бурению скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, СПГГИ),
на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин
СПГГИ (1981-1996 г.г.). . .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти
