Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ теории и практики бурения скважин в ледниковых отложениях 15
1.1. Технология и технические средства для бурения льда 15
1.1.1. Наземное буровое оборудование 16
1.1.2. Колонковые электромеханические снаряды 21
1.1.3. Заливочная жидкость на основе углеводородов 30
1.2. Результаты бурения глубоких скважин в Антарктиде и Гренландии 32
1.2.1. Глубокие скважины в Гренландии 32
1.2.2. Результаты бурения глубоких скважин
зарубежными специалистами в Антарктиде 34
1.2.3. Глубокие скважины на станции Восток 35
1.3. Анализ аварийных ситуаций при глубоком бурении 38
Выводы по главе 1 46
2. Теоретические основы технологии глубокого механического бурения колонковым снарядом на грузонесущем кабеле 48
2.1. Физико-механические свойства льда 48
2.2. Анализ методик оценки механизма разрушения льда при механическом бурении 52
2.3. Оценка влияния технологических показателей на производительность бурения 57
Выводы по главе 2. 65
3. Исследование функционально-технологических процессов при колонковом бурении скважин во льду 67
3.1. Методика планирования и обработки результатов экспериментальных исследований 67
3.2. Исследование влияния геометрических характеристик коронки на процесс разрушения льда 75
3.2.1. Методика экспериментальных исследований процесса механического колонкового бурения льда 79
3.2.2. Результаты экспериментальных исследований процесса резания льда 89
3.3. Исследования работы системы удаления и сбора шлама 97
3.4. Исследования процесса движения бурового снаряда в залитой скважине 100
3.4.1. Методика стендовых исследований процесса движения бурового снаряда в залитой скважине 112
3.4.2. Исследование влияния различных факторов на скорость спуско-подъемных операций и производительность бурения 117
Выводы по главе 3 129
4. Обоснование методики проектирования колонкового электромеханического бурового снаряда на грузонесущем кабеле и комплекта вспомогательных технических средств 130
4.1. Обоснование конструктивной схемы колонкового электромеханического снаряда на грузонесущем кабеле 130
4.2. Колонковый узел 136
4.3. Приводной узел 139
4.4. Распорное устройство 149
4.5. Обоснование и разработка системы управления
и контроля работы бурового снаряда 155
Выводы по главе 4 165
5. Результаты производственных испытаний технических средств для механического бурения глубоких скважин во льдах 167
5.1. Экспериментальные работы на ледниках архипелага Северная Земля 167
5.1.1. Бурение экспериментальных скважин на леднике Вавилова 167
5.1.2. Бурение скважины на леднике Академии Наук 169
5.2. Бурение скважин на станции Восток в Антарктиде 178
5.2.1. Скважина 4Г 181
5.2.2. Скважина 5Г-1
5.3. Анализ результатов бурения скважин механическим способом 189
5.4. Перспективы совершенствования и использования технологии и технических средств для механического бурения льда 197
Выводы по главе 5 199
Общие выводы 200
Список литературы
- Результаты бурения глубоких скважин в Антарктиде и Гренландии
- Анализ методик оценки механизма разрушения льда при механическом бурении
- Методика экспериментальных исследований процесса механического колонкового бурения льда
- Приводной узел
Введение к работе
Актуальность проблемы
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. Планомерное комплексное изучение Антарктиды проводится уже более 30 лет. В нем 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 ледовых отложений в полярных областях является бурение скважин с полным отбором керна, что дает возможность проводить кристалло-морфологические 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, в связи с обнаружением на глубине около 3760 м в районе ст. Восток подледникового озера, формируется еще одно направление исследований, которое может стать одним из самых значимых проектов в XXI в. — изучение этого озера.
Высший уровень международного признания получил проект глубокого бурения на ст. Восток и комплексных палеогеографических исследований ледяного керна, выполняемый Санкт-Петербургским государственным горным институтом (СПГГИ) и Государственным научным центром РФ «Арктическим и антарктическим НИИ» (ГНЦ РФ ААНИИ) совместно с учеными Франции и США.
~Р0С. НАЦИОНАЛЬНА» I
С.Пет*р«ург Ajfl J
0 w>y««yvt^j
Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по антарктической тематике, выполненные представителями научной школы, созданной в СПГГИ под руководством профессора Кудряшова Б.Б., позволили нашей стране занять лидирующее положение в мире в области глубокого бурения ледовых массивов. Отличительной особенностью этих работ является их ярко выраженная практическая направленность. Начиная с 13-ой Советской антарктической экспедиции (САЭ, 1967), сотрудники кафедры технологии и техники бурения скважин, а также других кафедр СПГГИ участвовали практически во всех Советских и затем Российских антарктических экспедициях (РАЭ) как в зимовочных, так и в сезонных составах. В ледниковом покрове Антарктиды (ст. Восток, обсерватория Мирный, гляциологический профиль Мирный-Восток 1), а также на леднике архипелага Северная Земля пробурено в общей сложности более 18 тыс. м с полным отбором ледяного керна. В работах по созданию и внедрению в практику технологии и технических средств для бурения и исследования скважин в ледовых толщах принимал широкий круг российских ученых и полярных исследователей: С.С. Абызов, Н.И. Барков, В.Н. Бахтюков, К.В. Блинов, Н.Е. Бобин, В.Н. Васильев, Р.Н. Вострецов, Л.К. Горшков, АА Гусев, Д.Н. Дмитриев, А.Н. Дмитриев, Э.А Загривный, В.М. Зубков, А.Е. Каравашкин, Е.Е. Короткевич, Б.Б. Кудряшов, А.В. Красилев, В.Я. Липенков, Н.Н. Меньшиков, С. . Митин, Б.С. Моисеев, В.В. Морев, В.М. Пашкевич, Ю.А Рыдван, Л.М. Саватюгин, Н.И. Слюсарев, Г.Н. Соловьев, Г.К. Степанов, П.Г. Талалай, В.Ф. Фисенко, В.К. Чистяков, В.М. Шашкин, A.M. Шкурко и др.
Несмотря на большие достигнутые успехи колонковое бурение сверхглубоких скважин на грузонесущем кабеле с выходом в подледниковые отложения не достигло уровня современных требований прежде всего из-за отсутствия обоснованных методик проектирования технологических средств и методов управления технологическими процессами, обеспечивающих получение керна высокого качества при рациональном энергообеспечении в специфических природно-климатических условиях.
Работа выполнялась в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) - СПГГИ (ТУ)
на основе госбюджетных тем и хоздоговоров в рамках ряда научно-технических программ:
ОКП «Исследование и использование Мирового океана в интересах науки и народного хозяйства на 1986-90 гг. и на перспективу до 2000 года, утвержденной постановлением Госплана СССР №378 от 14.08.86г.;
ЦНТП Росгидромета, Проект 1.7.7.1.2, тема 013015 "Реконструкция изменений климата за последние 400 тыс. лет по данным анализа ледяного керна станции Восток и колонок грунта из озер антарктических оазисов" (1995 -1998);
ГНТП "Комплексные исследования океанов и морей Арктики и Антарктики", проект 06.03 "Ледник", тема 510003 "Исследовать характеристики и глубинное строение ледникового покрова Антарктиды, подледниковых озер и эпишельфовых водоемов; получить данные о современных и прошлых изменениях климата" (1995 —1998); ФЦП «Интеграция», Контракт М0211-5.1. (1999 - 2001); ФЦП "Мировой океан", подпрограмма "Изучение и исследование Антарктики":
1999-2002 гг.
Проект № 6 "Продолжение бурения и температурные исследования в глубокой скважине 5Г-1 на станции Восток";
Проект № 7 "Проведение исследований ледяного керна и бурение базального льда без вхождения в подледниковое озеро Восток ";
2003-2007 гг.
Проект 4 «Провести комплексные исследования подледниково-го озера Восток, оценить прошлые изменения климата по данным ледяных кернов, колонок морских и озерных отложений»; ФЦНТП "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники" подпрограмма: "Научно-инновационное сотрудничество между Министерством образования и Министерством природных ресурсов РФ", раздел: "Разработка новых методов и технологий неисточительного природопользования, повышение комплексного и малоотходного использования природных ресурсов", тема "Разработать комплексные геолого-геофизические модели типовых структур континентальной земной коры по материалам бурения глубоких и сверхглубоких скважин",
Госконтракт № 1/8-НВ, Контракт № 7-Н от 27.04.01 между СПГГИ (ТУ) и ФГУП НПЦ «НЕДРА» (2001).
ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского назначения", подпрограмма «Комплексные исследования океанов и морей, Арктики и Антарктики», Контракт «Обоснование и разработка экологически чистой технологии для проникновения в подледное озеро Восток (Антарктида)» (1999-2001).
Цель работы - научное обоснование, разработка и внедрение в производство высокопроизводительной технологии бурения глубоких скважин в ледниках с выходом в подледниковые породы колонковым электромеханическим буровым снарядом на грузоне-сущем кабеле.
Идея работы - установление и использование факторов и физических эффектов процесса разрушения льда с учетом его структурно-реологических свойств и закономерностей изменения основных показателей процесса бурения колонковым электромеханическим снарядом, реализующих многофакторные математические модели для повышения эффективности сооружения скважин в ледниках.
Задачи исследований
-
Анализ закономерностей развития способов и технических средств глубокого бурения скважин в ледовых толщах для выявления наиболее значимых факторов? влияющих на эффективность процесса сооружения скважин и качество получаемого кернового материала.
-
Изучение механизма резания льда в функциональной связи геометрических параметров породоразрушающих элементов с физико-механическими и структурно-реологическими свойствами льда.
-
Исследование закономерностей и обоснование физических и математических моделей технологических операций колонкового бурения во льдах.
-
Разработка методики оценки продолжительности проходки скважин заданной глубины в зависимости от изменения технологических факторов колонкового бурения льда.
-
Обоснование конструктивных параметров и методики проектирования технических средств колонкового бурения во льдах электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле.
6. Проведение стендовых и полевых испытаний разработанного оборудования и бурение глубокой скважины на станции Восток в Антарктиде.
Методика исследований.
-
Теоретический анализ и обобщение отечественных и зарубежных литературных данных.
-
Создание экспериментальных стендов, разработка методик исследования на основании теории подобия, размерностей и планирования эксперимента, выполнение экспериментальных исследований.
-
Математическое моделирование процессов и режимов колонкового бурения во льдах снарядами на грузонесущем кабеле.
-
Опытно-производственная проверка разработанных рекомендаций, технологии и технических средств с целью оценки их эффективности при внедрении в практику бурения ледниковых отложений.
Достоверность научных положений и выводов, технических решений и рекомендаций базируются на достаточным объеме теоретических и экспериментальных исследований, производственных испытаний с использованием контрольно-измерительной и регистрирующей аппаратуры высокого класса и электронно-вычислительной техники при сходимости полученных экспериментальных исследований с вероятностью 0,90 - 0,96.
Достоверность подтверждается высокой сходимостью расчетных величин с опытными данными, положительными результатами внедрения технологии и технических средств колонкового бурения скважин в ледниковых покровах архипелага Северная Земля и сверхглубоких скважин на ст. Восток в Антарктиде.
Научная новизна заключается в теоретическом обосновании и экспериментально-производственном подтверждении функциональной связи геометрических параметров породоразрушающих элементов с физико-механическими и структурно-реологическими свойствами льда в процессе резания; установлении зависимостей между основными параметрами бурения глубоких скважин в ледовых толщах, позволяющих обосновывать проектирование энергосберегающих технических средств и оптимальные режимы их эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в разработке и внедрении комплекса методических, технологических и технических решений; в совершенствовании и создании ресурсосберегающих технических средств колонкового бурения глубоких скважин во льдах, что позволило успешно с высокими показателями и качеством осуществить бурение на ст. Восток до глубины 3623 м, а также вскрыть толщу льда с выходом в подледниковые породы и моренные отложения с полным отбором керна на ледниках архипелага Северная Земля.
Реализация результатов работы
Научно-методические рекомендации, технологии и разработанные технические средства использовались при ведении буровых работ:
на леднике Вавилова (арх. Северная Земля, о. Октябрьской Революции) пробурена скважина с выходом в подледниковые породы с полным отбором керна;
на леднике Академии Наук (арх. Северная Земля, о. Комсомолец) пробурена скважина глубиной 721 м с отбором керна в моренных отложениях на глубину 4 м; на ст. Восток в Антарктиде скважина 5Г-1 пройдена до глубины 3623 м, что на 400 м превышает глубины всех пробуренных скважин во льдах в мировой практике. Из скважины получен керн с твердыми включениями моренного материала и керны льда, образовавшегося при намерзании воды озера на подошву ледника.
Результаты исследований используются в учебном процессе при чтении курсов лекций для студентов специальностей 080700 "Технология и техника разведки МПИ" и 090800 "Бурение нефтяных и газовых скважин" по дисциплинам: «Бурение скважин в осложненных условиях», «Гидроаэромеханика и теплообмен при бурении», «Заканчивание скважин», «Научно - технический прогресс в бурении», «Буровые промывочные и тампонажные растворы».
Научная значимость результатов исследований заключается в развитии теории разрушения льда, обосновании и разработке математической модели управления технологическими процессами бурения скважины во льдах и подледниковых породах механическими колонковыми снарядами на грузонесущем кабеле.
Исходный материал и личный вклад
В основу диссертационной работы положены результаты теоретических, экспериментальных и производственных исследований, начатых в 1982 г. и выполненных под руководством и при непосредственном участии автора в лаборатории кафедры технологии и техники бурения скважин и в производственных условиях на ледниках архипелага Северная Земля и на ст. Восток в Антарктиде. За этот период автор был руководителем (исполнителем) госбюджетных тем, грантов и хоздоговоров, объединенных единой задачей создания эффективных технологий и технических средств колонкового бурения сверхглубоких скважин во льдах с выходом в подстилающие горные породы.
Личное участие автора состоит в формулировании и постановке теоретических и экспериментальных исследований, создании методик, лабораторных установок и стендов, обосновании физических и математических моделей и разработке программ их численного решения, в разработке комплекса технических средств, защищенных авторскими свидетельствами и патентами, а также в проведении опытно-производственной проверки результатов исследований и оценке эффективности разработанных рекомендаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете геологоразведочного факультета СПГГИ (ТУ), на научно-техническом совете отдела географии полярных стран ГУ ААНИИ (Ленинград, 1988), на конференции «Пути повышения эффективности бурения геологоразведочных скважин» (ВНИИ методики и техники Мингео СССР, Ленинград, 1987), на Международном совещании «Изучение озера Восток - научные задачи и технологии» (С.-Петербург, 1998), на Международных симпозиумах по бурению разведочных скважин в осложненных условиях (С.Петербург, 1989 - 2001), на Юбилейной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Ф.А. Шамшева (С.Петербург, 1993), на V Международном горно-геологическом Форуме (С.-Петербург, 1997), на международных симпозиумах по технологии бурения льда (Япония, 1993, 2000), на Второй международной научной конференции «Физические проблемы разрушения горных пород» (С.-Петербург, 2000)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 работ, в том числе 7 авторских свидетельств.
Объем и структура диссертации
Результаты бурения глубоких скважин в Антарктиде и Гренландии
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 спуско-подъемных операций.
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, СПГГИ (ТУ) [28, 39,40,42,43], учеными которого был разработан ряд буровых снарядов (табл. 1.1), которые успешно применялись при бурении глубоких скважин в Антарктиде. Достаточно больших успехов достигли в этой области и французские ученые из LGGE [85]. Тепловой способ бурения привлекает в первую очередь относительной простотой буровых снарядов. Плавление льда Масса снаряда, кг 200 180 120 180 на забое требует большого количества энергии, что связано с фазовым переходом 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 значительно более тяжелым и энергоемким, кроме того, качество керна при механическом бурении значительно выше, чем при термобурении. Исходя из явных преимуществ, последнее время бурение глубоких скважин выполняется только электромеханическими снарядами на грузонесущем кабеле.
В наземный буровой комплекс для бурения льда входят следующие основные элементы: общая платформа, буровая лебедка, пульт управления, мачта и механизмы для обслуживания бурового снаряда, вспомогательные приспособления и инструменты [101, 102].
В настоящее время применяются два типа компоновки бурового комплекса, связанные с особенностями конструкции буровых снарядов.
В буровых комплексах первого типа (рис. 1.1 а) 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. Второй тип (рис. 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 % длины 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. 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 [43, 96, 101, 102, 105], ко второму - комплексы, которые используют европейские и японские исследователи [83, 88, 95, 100].
Для выполнения спускоподъемных операций используются стандартные геофизические или морские лебедки. В их состав (рис. 1.2) входят: кабельный барабан, цепная передача, редуктор, двигатель, тормоз. Скорость перемещения бурового снаряда в скважине изменяется в широких пределах. При бурении скорость подачи колеблется в диапазоне от 5 - 20 м/ч, а при проведении спуско-подъемных операций скорость перемещения снаряда может доходить до 5000 м/ч. Регулирование скорости подачи бурового снаряда в скважину при выполнении спуско-подъемных операций не вызывает затруднений, так как скорость вращения ротора приводного двигателя изменяется в области, близкой к его номинальной скорости вращения. В процессе бурения при подаче бурового снаряда на забой приходится регулировать скорость вращения ротора приводного двигателя при столь малых значениях, что очень трудно обеспечить плавность изменения скорости. (4\\\\\V4
Для бурения глубоких скважин, заполненных незамерзающей заливочной жидкостью, используются колонковые электромеханические буровые снаряды на грузонесущем кабеле (табл. 1.2.) с призабойной циркуляцией заливочной жидкости, которые 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.
Первый колонковый электромеханический снаряд для бурения залитых незамерзающей жидкостью скважин (рис. 1.3) был разработан научно-исследовательской лабораторией холодных районов инженерного корпуса армии США (CRREL) при поддержке Национального научного Фонда [10, 98, 101, 102, 103]. Особенностью технологии бурения снарядом CRREL является то, что шлам, образующийся в процессе бурения, удаляется путем его растворения в водном растворе этиленгликоля. С этой целью перед каждым циклом бурения бак снаряда заполняется концентрированным раствором этиленгликоля, количество которого зависит от температуры на данной глубине и предполагаемого объема образующегося в течение рейса ледяного шлама. Тепло, необходимое для интенсификации этого процесса, раствор получает от электродвигателя, а также за счет работы механических и гидравлических систем снаряда.
Для бурения глубоких скважин в холодных частях ледникового покрова Антарктиды с температурой до минус 57 в Отделе антарктических исследований ЛГИ был разработан электромеханический колонковый буровой снаряд КЭМС-152 [7] (рис. 1.4) с наружным диаметром коронки 152 мм. Для очистки скважины от ледяного шлама применена система призабойной циркуляции заливочной жидкости.
Анализ методик оценки механизма разрушения льда при механическом бурении
Пластическая деформация льда протекает с изменением объема по мере заполнения пор и полостей. Пористость льда изменяется в широких пределах (8) и в значительной степени зависит от условий его образования и залегания.
Пористость изменяется от 0,1 % для плотного прозрачного льда и до 30 % для льда, имеющего снегообразный вид. В зависимости от пористости плотность чистого льда изменяется от 300 кг/м для снегообразного льда до 920 кг/м3 для монокристаллов.
При оценке прочности льда используют пределы прочности при различных видах нагрузки, хотя для льда предел прочности является величиной условной.
Широкое распространение получили следующие виды испытаний прочностных характеристик льда: сжатие образцов различной формы и объема (кубы, призмы, цилиндры), растяжение, изгиб балок и срез.
Предел прочности в значительной мере зависит от температуры льда и от скорости нарастания нагрузки [10, 58, 71], например, предел прочности льда на сжатие [14] колеблется от 0,1 до 10 МПа и более.
При постоянном увеличении скорости деформации [58] лед работает последовательно в зоне пластических деформаций, упругих деформаций, а затем - как хрупкий материал. Максимальная прочность отмечается при переходе от пластического состояния к хрупкому при скоростях нагружения около (0,5 - 0,7)-104 Па/с. При дальнейшем нарастании скорости деформации предел прочности льда снижается, приближаясь к некоторому постоянному значению [10]. По данным А.Н. Зеленина [30] (табл. 2.1) при скорости деформации образцов 20 мм/мин. зависимость предела прочности для всех видов разрушения льда от температуры определяется выражением a j = АЛ, где А - постоянный коэффициент; а, - 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 [10, 48].
Особенностью процесса трения тел о лед является образование на поверхности льда водяной пленки, в зависимости от толщины которой возникают следующие виды трения: гидродинамическое, когда контакт трущихся поверхностей отсутствует, граничное трение и сухое трение, когда вода на контакте не образуется.
Согласно данным Н.Флетчера [4, 27] при температурах 0; -5; -10; -15; -20С толщина слоя воды равна соответственно 100; 70; 50; 30; 20 А и при -30С пленка воды исчезает. Коэффициент трения стали при температуре льда от 0 до -50С изменяется от 0,03 до 0,15 [4,10,27, 48].
Процессы деформации и разрушения горных пород на забое скважины при механическом способе бурения происходят при одновременном действии нормальных и касательных напряжений на отдельных участках поверхности.
Элементы вооружения породоразрушающих инструментов имеют различную конфигурацию рабочей части и по принципу взаимодействия с горной породой могут быть разделены на три большие группы: режуще-скалывающие, дробящие и дробяще-скалывающие.
Основным процессом механического разрушения мягких и средних по крепости пород является резание. При бурении скважин колонковым способом с отбором керна для этих пород в качестве породоразрушающего инструмента применяются коронки с твердосплавными резцами.
Механизм разрушения горных пород при бурении инструментом режущего типа аналогичен процессам, происходящим при резании металлов, что достаточно широко освещено в работах многих исследователей: И.К. Тиме, Я.Г. Усачева, К.А. Зворыкина, A.M. Розенберга, И.М. Зорева, Е.Ф. Эпштейна, С.С. Сулакшина, М.М. Протодьяконова, Л.И. Барона, А.Н. Зеленина, Ю.А. Ветрова, В.Ф. Боброва, С.С. Некрасова, Л.А. Шрейнера, Н.Д. Михайловой и др. [5, 9, 13, 25,29, 30, 32,49, 51, 61, 64, 66, 69, 77, 79, 81, 98].
Первые работы по изучению процессов, происходящих при резании материалов, относятся к исследованию по резанию металлов, где широко и обстоятельно рассмотрены механика стружкообразования, тепловые процессы в зоне резания, изнашивание инструмента, силы, действующие на инструмент в процессе резания, рациональные режимы резания.
Методика экспериментальных исследований процесса механического колонкового бурения льда
При исследовании процесса удаления и сбора шлама в качестве основного параметра принята средняя плотность шлама в фильтре шламосборника уъ = рш и, кроме того, максимально допустимая механическая скорость бурения у4 =vMmaK. К факторам, влияющим на среднюю плотность шлама, относятся: х6 -особенности конструктивного исполнения шламосборного отсека; х1 - расход заливочной жидкости, л/мин; х8 - тип насоса (максимальное разрежение, создаваемое на входе насоса).
К факторам, влияющим на максимально допустимую механическую скорость, относятся: х7 - расход заливочной жидкости и х9 - зазор между внутренней поверхностью колонковой трубы и керном, м. Фактор лг6 имеет восемь уровней, то есть были выбраны восемь вариантов конструкций фильтра шламосборника. Расход заливочной жидкости изменялся в пределах от 10 до 40 л/мин при х7 = 10, 20, 30, 40 л/мин.
При экспериментах использовались два насоса различных типов: ЭЦН-91В - центробежный насос и ВПК-4С - ротационный насос. Следовательно, фактор 8 имел два уровня. Для определения влияния фактора х9 были изготовлены резцы с различным внутренним диаметром, таким образом х9=6,0; 3,5; 3,0; 2,5 мм. Для определения влияния различных факторов на эффективность удаления и сбора шлама необходимо провести следующее число экспериментов N2=5(K6+K7+K9). N2=5(8 + 4 + 4) = 80. Таким образом, общее число опытов
В процессе бурения резец коронки движется по винтовой линии (рис. 3.2), угол наклона которой определяется по известной зависимости zh P = arctg—-, 7tdx Рис. 3.2. Схема взаимодействия резца со льдом где h - толщина слоя, срезаемого одним резцом, м; z- число резцов коронки; dx = (D + d)/2- средний диаметр, м; D - наружный диаметр коронки, м; d внутренний диаметр коронки, м.
Так как лед является неабразивной породой, то износ резцов практически отсутствует. Резцы изготавливают из качественной, закаленной инструментальной стали, применяя финишные операции обработки поверхностей. Таким образом, с достаточной степенью точности резец можно считать абсолютно острым.
При установившимся процессе на движущийся со средней скоростью v резец действует система сил, приложенных к передней и задней граням. Их можно представить в виде усредненных сил, приложенных к резцу на среднем диаметре (рис. 1): F - сила, приложенная перпендикулярно передней грани, Fmp - сила трения, возникающая при перемещении стружки по передней грани резца, R3a6 - вертикальная реакция забоя. Кроме того, на резец действуют движущие силы: Р - горизонтальная и R - вертикальная. При установившемся равномерном движении резца сумма всех внешних сил равна нулю. Y = R3a6 + Ff since - F cos a - R = 0, J] X =F sin a + Ff cos a - P=0, отсюда R = R3a6 -F(cosa-fsina), P = F(sin a + f cos a). В полученных уравнениях четыре неизвестные величины. Наиболее простым способом определения зависимости сил Р и R от различных факторов являются экспериментальные исследования процесса резания льда в лабораторных условиях. Направление силы Р очевидно, а сила R может быть направлена как вверх, так и вниз и иметь нулевое значение.
При абсолютно остром резце сила R3ag может возникнуть в случае контакта нижней грани резца с поверхностью забоя, деформированнной после прохождения режущей кромки. Это может быть связано с образованием зоны напряжений во льду вблизи режущей кромки. Если R = 0, то R3afi=F(cosa-/since) и реакция забоя R3a уравновешивается суммой вертикальных составляющих сил F и Fmp при любых значениях переднего а и заднего у углов резца и толщины срезаемого слоя h (механической скорости бурения). Если R ( F(cosa-fsma), то i? 0, и для предотвращения самопроизвольного внедрения резца в забой сила R должна быть направлена вверх. Если R3afi F(cosa - f since), сила R будет направлена вниз, создавая нагрузку на забой, от которой зависит механическая скорости бурения. Экспериментально определив силы Р и R, можно рассчитать значения сил сопротивления, которые зависят от геометрических характеристик резца, физико-механических свойств льда и толщины срезаемого слоя. Для проведения стендовых испытаний был разработан специальный стенд, имитирующий условия работы колонкового электромеханического снаряда на грузонесущем кабеле в скважине, пробуренной в ледовой толще.
Стенд (рис. 3.3) состоит из модели ствола скважины 1, соединенной посредством болтового соединения 2 с моделью забойной зоны 3, в которой наморожен блок льда или мерзлой породы 4. Модель забойной зоны 3 установлена на основании 5 и дополнительно закреплена хомутом 6. В верхней части модели ствола скважины 1 имеются продольные пазы 7, в которые ходят опоры 8, жестко закрепленные в корпусе модели бурового снаряда 9. Опоры 8 и продольные пазы 7 служат для восприятия реактивного момента, действующего на корпус модели бурового снаряда 9. В верхней части пазов 7 установлены упоры 10. Модель бурового снаряда 9 подвешена на грузонесущем кабеле 11, проходящем через ролик 12 на буровой вышке и намотанном на барабан лебедки подающего устройства 13. К модели забойной зоны 3 посредством трубопровода 14 подсоединено устройство для закачки заливочной жидкости, состоящее из резервуара 15, насоса 16 и вентилей 17 и 18. С целью измерения величин основных параметров, определяющих процесс бурения, стенд оснащен четырьмя датчиками: проходки 19, осевой нагрузки на коронку 20, момента 21 и расхода заливочной жидкости 22.
Модель бурового снаряда отличается от натурного образца меньшей длиной колонкового узла, равной 1500 мм. Кабельный замок позволяет провести в электроотсек необходимое количество электрических проводов и оснащен устройством для подсоединения троса. В модели бурового снаряда отсутствуют вращающийся токосъемник и распорное устройство, применяемое в скважине. Работу на экспериментальном стенде проводили в следующем порядке.
Приводной узел
Согласно разработанной методике в выбранном диапазоне изменения механической скорости бурения (от 5 до 40 м/ч) был поставлен полный факторный эксперимент с целью определения взаимосвязи механической скорости бурения, момента сопротивления при резании льда, нагрузки на забой и геометрических характеристик коронок.
При проведении первых опытов на экспериментальном стенде по бурению льда в лаборатории антарктических исследований при кафедре ТТБС стало ясно, что качественные результаты можно получить лишь при работе на леднике. В лабораторных условиях очень сложно обеспечивать стабильный температурный режим работы в течение экспериментов, что объясняется габаритами стенда. В связи с этим все экспериментальные исследования проводились в полевых условиях на леднике Вавилова (арх. Северная Земля 1984, 1986, 1988 гг.) и на станции Восток в Антарктиде (1989, 1994гг.).
В результате проведения первой серии экспериментов в 1984 году были получены лишь качественные оценки влияния геометрических характеристик буровой коронки на процесс бурения льда.
С учетом результатов первой серии экспериментов были внесены значительные изменения в конструкцию применяемого оборудования и системы контроля процесса бурения. В ходе второй и третьей серий экспериментов в 1986 и 1988 годах наибольшее количество опытов проводилось с целью определения зависимости момента М сопротивления при резни льда и осевой нагрузки на коронку Р при различных скоростях подачи vM от геометрических характеристик резцов (передний а и задний у угол). Опыты проводились как с постоянной скоростью подачи на забой, так и при ее изменении в течение рейса. На основе статистической обработки экспериментальных данных получены зависимости механической скорости бурения от момента и осевой нагрузки на коронку при различных значениях переднего и заднего углов резца.
В 1989 г. экспериментальные исследования проводились на станции Восток перед началом бурения скважины 4Г механическим способом. Основная цель экспериментальных работ заключалась в освоении навыков бурения механическим способом членами бурового отряда, кроме того изучалось поведение системы в аварийных ситуациях.
Анализ результатов экспериментальных исследований, полученных в разное время, показал, что нагрузка на забой регистрируется с большими искажениями. В основном регистрировалась сила трения, возникавшая на контакте упоров, препятствовавших проворачиванию корпуса бурового снаряда, и направляющих в верхней трубе стенда. Для снижения силы трения кинематические пары трения скольжения были заменены парами трения качения. На упорах были закреплены шариковые подшипники, а поверхности пазов, с которыми они контактировали, были подвергнуты шлифованию.
Последняя серия экспериментов была проведена перед сезоном 41 РАЭ во время вынужденного перерыва в бурении скважины 5Г-1 в 1995г.
Для регистрации измеряемых в процессе опытов значений в отличие от ранее проведенных серий экспериментов были применены быстродействующие самописцы «Cervotras» с шириной ленты 250 Мм, что позволило повысить точность измерений и облегчить обработку данных. Диаграммы момента и нагрузки на забой регистрировались на двухканальном самописце, а диаграмма перемещения на одноканальном. Для совмещения диаграмм на них одновременно ставилась метка. Часть модели бурового снаряда перед началом бурения находится на воздухе и в процессе бурения погружается в керосин, следовательно, выталкивающая сила, действующая на буровой снаряд, постепенно увеличивается. Исходя из этих рассуждений, в опыте, диаграммы которого представлены на рисунке 3.8, нагрузка на забой в конце рейса не превышает 3 Н, то есть практически не изменялась в течение всего рейса, несмотря на изменения механической скорости бурения и момента на коронке. Рассчитанная величина осевой нагрузки соизмерима с точностью ее регистрации, поэтому нельзя сказать однозначно о величине и знаке осевой нагрузки. Можно лишь утверждать, что величина осевой нагрузки пренебрежительно мала и ее величина практически не зависит от механической скорости бурения или от толщины снимаемой стружки. Характерным в этом плане является бурение с постоянной скоростью подачи снаряда на забой (рис. 3.9), где датчик фиксирует постепенно увеличивающееся усилие по мере продвижения снаряда вниз. В конце рейса с учетом выталкивающей силы и сил трения мы получим нагрузку на забой такую же, как и в начале рейса и близкую к нулю.
Во всем исследованном диапазоне изменения механической скорости при обратном угле резания у 5 величина осевой нагрузки была пренебрежительно мала, то есть связь между нагрузкой на забой и механической скоростью отсутствовала. При обратном угле резания у 3 его величина оказывает существенное влияние на осевую нагрузку, потребную для обеспечения постоянной механической скорости. При у = 2 и осевой нагрузке 1200 Н механическая скорость бурения не превышала 5 м/ч и периодически падала до нуля, а при обратных углах резания у 2 углубка не происходила, так как нагрузка на забой была ограничена весом бурового снаряда.
