Наукове обґрунтування комплексного впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин

--

--

40

100

Бензальдегід

9,51

40

100

Пікринова кислота

10,2

40

14

Сульфонол

10,1

40

23

Катапін К

10,1

40

32,5

Феноксол ВІС-15

10,2

40

22

Нітрометан

11,23

40

100

Основним принципом керування властивостями дисперсної системи є зміна товщини гідратних оболонок між частками дисперсної фази і їхньої кількості в одиниці об'єму. Для контролю за цим процесом запропоновано використовувати енергію електромагнітного поля надвисокої частоти (НВЧ) і розроблена конструкція лабораторної установки, за допомогою якої були проведені дослідження (табл. 12).

Таблиця 12. Поглинення енергії НВЧ різними глиняними розчинами

Тип глиняного розчину	Щільність, т/мі	Відношення затухань енергій	В'язкість, с	СНС 1/СНС 10, Па
Бентонітовий	1,060	92	24	61,0/69,0
Монтморилонітовий	1,020	40	20	29,6/30,4
Каоліновий	1,117	22	17	14,5/15,5

Введення до складу промивних рідин ПАР приводить до зменшення поверхневого натягу й істотно впливає на ефективність процесу промивання свердловин, особливо при застосуванні гідромоніторних породоруйнівних інструментів. Для вивчення впливу реологічних характеристик промивних рідин на стійкість струменя, що випливає з різних за формою перетину отворів, була використана формула Нільса Бора для визначення коефіцієнта натягу знову утвореної поверхні води

, (19)

де Ф - амплітуда коливань струменя, F - функція плину; - const.

Граничні умови мають вид

1); 2) . (20)

Було вперше запропоновано нові точні рішення формули Н. Бора для деяких умов

(21)

Тут і надалі під Фк і маються на увазі функції

(22)

Г - функція Ейлера.

(23)

де - вільні константи інтегрування

Усього розглянуто 18 випадків і встановлено умови, при яких струмені, які витікають з отвору, бувають стійкими і не стійкими, і розробити форму промивних каналів породоруйнівних інструментів, які забезпечують ефективне очищення вибою свердловини від зруйнованої гірської породи (А.с. СРСР №№ 981564, 883312, 829850).

У лабораторії на спеціальному стенді проведені дослідження з вивчення впливу добавок до промивної рідини (неонолу, сульфонолуа і феноксолу ВІС-15) на ефективність дії різних по конструкції гідромоніторних насадок, якими оснащують породоруйнівні інструменти. Встановлено, що введення поверхнево-активних речовин дозволяє значно знизити перепад тиску на насадці (в 1,5-2 рази).

Розділ 6. Розробка методики вибору поверхнево-активних речовин до промивних рідин при бурінні свердловин. Розроблено методику вибору ПАР, що вибірково хемосорбуються на поверхні розподілу, до складу промивних рідин, які забезпечують підвищення ефективності процесів при бурінні свердловин.

Запропонована методика включає комплекс фізико-хімічних досліджень: підготовку зразків гірських порід і виготовлення розчинів органічних речовин; визначення адсорбційної властивості гірських порід; встановлення значень потенціалів іонізації гірських порід і поверхнево-активних речовин; визначення оптимальної концентрації ПАР; проведення механічних досліджень.

Розроблена методика вибору поверхнево-активних речовин як добавок до промивних рідин при бурінні свердловин є більш ефективної в порівнянні з існуючими, тому що в її основу покладені фізико-хімічні процеси, що відбуваються на границі розділу фаз у свердловинних умовах. Методика затверджена головою Держкомгеології України і рекомендована до застосування.

Розділ 7. Дослідження впливу промивних рідин на техніко-економічні показники буріння свердловин. У Криворізькому залізорудному родовищі України проведені промислові випробування емульсійної промивної рідини, до складу якої був уведений феноксол ВІС-15, який вибірково хемосорбується на залозистих кварцитах. Технологія буріння і типорозмір породоруйнівного інструменту як при застосуванні запропонованої, так і базової промивної рідини були однаковими. Встановлено, що уведення феноксолу ВІС-15 до складу емульсійної промивної рідини забезпечило збільшення техніко-економічних показників буріння свердловин: механічної швидкості на 12,6 %; проходки за рейс на 25,3 %; проходки на алмазну коронку на 9,4-26,6 %.

Розроблена промивна рідина була досліджена на токсичність.

На випробувану емульсійну промивну рідину розроблено керівний документ (КД) Інструкція "Застосування емульсійної промивної рідини на основі суміші гудронів".

На вугільному родовищі Донбасу, де свердловини проводять по гірських породах, схильним до набрякання і розмокання, були проведені промислові випробування промивної рідини, склад якої розроблений з урахуванням результатів наукових досліджень.

Аналіз техніко-економічних показників показав, що буріння новою безглиняною промивною рідиною, яка містить водорозчинний довголанцюговий полімер аніонного типу, сульфонол, латекс і воду (А. с. СРСР № 907055), було досягнуте збільшення рейсової швидкості на 11 %, проходки за рейс на 21 %. За рахунок високих властивостей зменшились витрати часу на ліквідацію геологічних ускладнень на 30-40 %. У зонах можливого поглинання промивної рідини ізоляція каналів виконана без додаткових витрат часу і засобів, що також сприяло підвищенню комерційної швидкості буріння.

На основі промислових випробувань при проведенні свердловин на нафту і газ була запропонована промивна рідина, яка містить речовини, які вибірково хемосорбуються на поверхні розподілу фаз (суміш неонолу АФ-9-12 і гудрону жирів). Технологія буріння як при використанні запропонованої, так і базової промивної рідини була однакова. Застосовували той самий типорозмір породоруйнівного інструменту.

З використанням розробленої промивної рідини на свердловині № 7 Свиридовської площі Пірятінської НГРЕ в ПГО "Чернігівнафтогазгеологія" пробурено 749 м, і підвищення механічної швидкості склало 45 % і проходки на долото - 42 %.

Промислові випробування поверхнево-активних добавок до промивних рідин у ПГО "Полтаванафтогазгеологія" проводили на свердловині Дробишево 1 Ізюмської НГРЕ. За базу порівняння взяли глиняний розчин, оброблений нафтою, Т-80, ГКЖ-10. У результаті проведених випробувань встановлено, що механічна швидкість збільшилася на 11 %, а проходка за рейс більше, ніж на 100 %, економія засобів склала 12 крб. на один метр буріння в цінах 1990 року.

Порівняльний аналіз результатів промислових іспитів підтвердив обґрунтованість і вірогідність раніше виконаних за участю автора науково-дослідних, теоретичних і експериментальних робіт.

Розділ 8. Напрямки подальших досліджень і перспективи застосування розроблених рекомендацій. Велике значення в гірській справі мають питання, зв'язані з диспергуванням порід. Було проведено експериментальні дослідження кінетики здрібнювання гірських порід з урахуванням впливу на цей процес робітничого середовища. Виконано аналіз рівняння кінетики здрібнювання Г.С. Ходакова, що найбільше повно описує цей процес

, (24)

де - енергія, що передають одиниця об'єму тіла, що руйнують; S - питома поверхня; У - об'ємний фактор форми; а 2 - постійна, котра не залежить від розміру тіла, що руйнують; l1 - товщина шару, у якому здійснюються пластичні деформації; - щільність енергії пластичних деформацій, що передмуть тендітному руйнуванню; - вільна енергія одиниці поверхні; - поверхнева щільність сил тертя й енергії утворення і руйнування агрегатів.

Встановлено, що середовища можуть істотно впливати на ці процеси. Було проведено лабораторні дослідження впливу середовища, до складу якої входять речовини, які вибірково хемосорбуються на поверхні розподілу фаз, на процес руйнування залізистих кварцитів у кульовому, газоструменевому і вібраційному млинах. Результати проведених досліджень показали, що підвищення ефективності руйнування може досягати значних величин, що надає право рекомендувати розроблені в дисертації положення до застосування в різних галузях промисловості.

Аналіз механізмів руйнування гірських порід при бурінні свердловин показав, що в їхній основі лежать хвильові процеси, вплив на які мають промивні рідини. Було розглянуто рівняння, яке описує процес поглинання енергії при руйнуванні гірських порід

, (25)

де - коефіцієнт розсіювання пружної хвилі.

В результаті аналізу запропоновано кілька нових точних рішень диференціального рівняння (25), які можуть бути застосовані при розробці техніки і технології буріння свердловин.

Сучасний стан природи характеризується забрудненням навколишнього середовища, що вимагає необхідність екологізації технологічних рішень у всіх областях промисловості, в тому числі і при бурінні свердловин.

Запропоновано з використанням розроблених у дисертації рекомендацій визначати забруднюючі властивості речовин, які входять до складу промивних рідин, з органолептичних, токсикологічних, санітарно-токсикологічних і санітарних показників.

У результаті проведених досліджень на токсичність флотогудрону, емульгованому феноксолом ВІС-15, на кафедрі фармакології Дніпропетровського медичного інституту встановлено, що він має середню кумулятивність і може бути віднесений до класу безпечних речовин за ДСТ 12.1.007-76, що дозволило зробити висновок про забруднюючі властивості і ступень його дії на людський організм.

Висновки

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою, у якій дано теоретичне узагальнення і вирішено актуальну науково-технічну проблему, спрямована на розробку й удосконалення технології застосування промивних рідин, упровадження яких забезпечує значний внесок у розвиток науково-технічного прогресу і підвищення продуктивності робіт, економії матеріальних ресурсів, скорочення термінів і вартості бурінні свердловин на тверді, рідкі і газоподібні корисні копалини.

Основні наукові і практичні результати, висновки і рекомендації виконаних досліджень полягають у наступному:

Доведено, що вплив промивних рідин на процеси при бурінні свердловин обумовлений поверхневими фізико-хімічними явищами, основне серед яких - хімічна адсорбція. На гірських породах і буровому інструменті вибірково адсорбуються лише ті речовини, що утворять зв'язок подібний ковалентному, більш міцний, ніж водневий зв'язок молекул води. При цьому вільна енергія хемосорбції і кількість хемосорбованої речовини мають максимум.

Установлено, що характеристикою адсорбційної здатності гірських порід є потенціал іонізації, значення якого залежить від кристалічної будови, від заряду поверхні і специфічної адсорбції іонів.

Доведено, що основною умовою хемосорбції речовини зі складу промивних рідин на поверхні гірських порід і буровому інструменті є приблизна рівність потенціалів іонізації адсорбенту й адсорбату. При різниці потенціалів іонізації більше, ніж 0,15 еВ адсорбція не виявлена.

Установлено, що речовини, які вибірково хемосорбуються зі складу промивних рідин на поверхні гірських порід, забезпечують зниження їхньої міцності й енергомісткості процесу руйнування на 15-39 %.

Запропоновано для підвищення протизносних властивостей промивних рідин вводити речовини, які утворять хемосорбційні покриття на буровому інструменті, які блокують протікання корозійних процесів.

Розвинуте представлення про механізм стійкості стінок свердловини, що представлені глинистими породами, засновані на тому, що до складу промивних рідин необхідно вводити комплекс речовин, які утворюють на поверхні моношар з хемосорбованих речовин і полішари з ПАР та знижують набухання і розмокання гірських порід. При цьому вибір речовин, що вибірково адсорбуються на глиняних породах, необхідно здійснювати шляхом порівняння потенціалів іонізації адсорбенту й адсорбату, а вибір ПАР по їхній здатності адсорбуватися на сполуках, які утворяться внаслідок хемосорбції. Встановлено, що на ефективність зниження міцності гірських порід і енергомісткості процесу руйнування істотний вплив здійснює транспортний механізм кінетики процесу хемосорбції речовин, що забезпечує проникнення їх у мікротріщини зони передруйнування й утворення моношарів на їхніх поверхнях.

На основі результатів теоретичних і експериментальних досліджень розроблені методичні вказівки на вибір ПАР до промивних рідин, керівний нормативний документ по виготовленню і застосуванню емульсійної промивної рідини, нові способи буріння свердловин і пристрої для їхнього здійснення, склади промивних рідин, новизна й ефективність яких захищені авторськими посвідченнями СРСР і патентом України.

Вперше запропоновані нові точні рішення плоскої задачі течії промивної рідини по тріщинах із отворів різної форми, які дали можливість створити моделі високоефективних гідродинамічних бурових снарядів і породоруйнівних інструментів для різних процесів при бурінні свердловин з урахуванням конкретних гірничо-геологічних умов.

Упровадження результатів досліджень у практику буріння свердловин різного призначення дозволило підвищити техніко-економічні показники: механічну швидкість на 8-34 %; проходку на породоруйнівний інструмент на 24-29 %. Запропоновані напрямки подальших досліджень і перспективи використання розроблених рекомендацій.

Список публікацій

Основні положення і результати дисертації опубліковані в 62 наукових працях, основні з котрих:

Гавриленко Н.М., Давиденко А.Н., Дудля Н.А. Поверхностно-активные антифрикционные добавки при бурении скважин. - Киев: Наукова думка, 1990. - 104 с.

Stefan Sologub, Alexandr Davidenko, Nikolay Dudla, Danuta Bielewich, Stanislaw Strychek, Lucyna Czekay, Stanislaw Wilk. PLUCZKI WIERTNICZE. Elementy chemil fizycznej pluczek wiertniecych, - Akademia gorniczohutnicza im. S. Stazica, Krakow, 1992. - 157 г.

Давиденко А.Н., Дудля Н.А. Справочник по химической обработке буровых растворов. - Днепропетровск: Изд. ДГУ, 1994. - 120 с.

Блохин С.Е., Эйшинский А.М., Давиденко А.Н. Некоторые вопросы разрушения горных пород. Днепропетровск, ДГИ, 1995. - 444 с.

Кожевников А.А., Давиденко А.Н. Гидромеханический и эрозионный способы разрушения горных пород при бурении скважин. // Обзор. Техн. и технол. геол. развед. работ; орг. производства. - М.: ВИЭМС, 1987. - 46 с.

Эпштейн Е.Ф., Давиденко А.Н. Влияние среды на процесс разрушения горных пород. - Известия Вузов, Горный журнал, № 7, 1980. - С. 3-5.

Гавриленко Н.М., Давиденко А.Н. и др. Метод выбора ПАВ. Разведка и охрана недр, 1991, №4. - С. 20-23.

Давиденко А.Н. Кинетические аспекты проявления эффекта адсорбционного понижения прочности горных пород. // Сб. научн. трудов НГА Украины, 6, том 4, "Бурение скважин, гидрогелогия, экология". - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 98-103.

Давиденко А.Н. Разработка и исследование методики борьбы с коррозией бурильных и обсадных труб. // Сб. научн. трудов НГА Украины, 3, томІ "Геология полезных ископаемых и технология разведки" - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 204-206.

Давиденко А.Н. Экологизация принятия решений при бурении. // Сб. научн. трудов НГА Украины, 5, том 3, "Проблемы экологии горного производства и обеспечение безопасности жизнедеятельности". - Днепропетровск: РИК НГА Украины, 1999. - С. 90-91.

Николенко Н.В., Холодкова О.В., Куприн В.П., Давиденко А.Н., Плаксиенко И.Л. Хемосорбционные свойства железистых кварцитов. - Журнал прикладной химии, № 10, том 64, 1991. - С. 2162-2165.

Давиденко А.Н. Исследование гидратных слоев дисперсных систем с применением СВЧ. - НТЖ "Вопросы химии и химической технологии" № 3, 2000. - С. 59-61.

Давиденко А.Н. Влияние промывочных жидкостей на трение износ бурового инструмента. // Системные технологии. Региональный межвузовский сборник научных работ. Вып. 2 (10). - Днепропетровск. 2000 - С. 81-84.

Давиденко А.Н. Исследование влияния промывочных жидкостей на устойчивость ствола скважины. // НТС ДонГТУ, серия "Горно-геологическая" - 2000.- Вып. 23. - С. 3-6.

Давиденко А.Н., Эйшинский А.М. Исследование влияния промывочных жидкостей на работу шарошечных долот. // Науковий вісник НГА України. - 2000. - № 5. - С. 53-56.

Давиденко А.Н., Эйшинский А.М. Волновые процессы в разрушении горных пород. - НТЖ "Вибрации в технике и технологиях" № 4, 2000. - С. 56-59.

Давиденко А.Н. Термодинамические и кинетические аспекты эффекта адсорбционного понижения прочности горных пород. // Науковий вісник НГА України. - 2000. - № 6. - С. 31-34.

Давиденко А.Н. Исследование влияния среды на характер поведения твердых тел при нагружении. // Сб. научн. трудов НГА Украины. - 2000. - № 10. - С. 97-101.

Давиденко А.Н. Исследование адсорбционных свойств железистых кварцитов. // Збагачення корисних копалин: Наук. техн зб. - 2000. - Вып. № 4. - С. 78-79.

Бражененко А.М., Давиденко А.Н., Кондрашов В.А. Разработка СВЧ-метода для исследования свойств дисперсных систем - НТЖ "Горная электромеханика", № 2, 2000, НГАУ - С. 64-66.

Патент № 3192 UA, МКИ Е 21 В 7/00. Способ бурения скважин / А.Н. Давиденко, А.М. Бражененко, П.А. Егоров, Ю.Л. Кузин (UA). - № 93311040; Заявл. 06.08.90; Опубл. 26.12.94; Бюл. № 5. - С. 22.

А.с. 1705535 СССР, МКИ Е 21 В 7/00. Способ бурения скважин / А.Н. Давиденко (СССР). - № 4798917/03; Заявл. 27.11.89; Опубл. 15.01.92; Бюл. № 2.

А.с. 1578175 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Эмульсионная промывочная жидкость / Е.А. Нечаев, А.Н. Давиденко, Н.М. Гавриленко, И.Н. Плаксиенко, А.М. Бражененко, В.И. Божко, Е.Т. Зленко, Е.М. Демченко (СССР). - № 4427463/23; Заявл. 20.05.88; Опубл. 15.07.90; Бюл. № 26.

А.с. 1446138 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Безглинистый буровой раствор / А.Н. Давиденко, А.М. Бражененко (СССР). - № 4105107/23; Заявл. 28.07.86; Опубл. 23.12.88; Бюл. № 47.

А.с. 1052533 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Антифрикционная добавка к буровым растворам на водном растворе / А.А. Кожевников, А.Н. Давиденко, А.М. Бражененко (СССР). - № 3314761/23; Заявл. 06.07.81; Опубл. 07.11.83; Бюл. № 41.

А.с. 933698 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Промывочная жидкость / А.М. Бражененко, А.Н. Давиденко, А.А. Кожевников, Е.Ф. Эпштейн (СССР). - № 2967763/23; Заявл. 01.08.80; Опубл. 07.06.82; Бюл. № 21.

А.с. 901264 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Безглинистая промывочная жидкость для бурения скважин / П.А. Лещинский, А.Н. Давиденко, И.А. Мусиенко (СССР). - № 2907712/23; Заявл. 07.04.80; Опубл. 30.01.82; Бюл. № 4.

А.с. 899625 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Эмульсионная промывочная жидкость / Е.Ф. Эпштейн, П.А. Лещинский, А.Н. Давиденко (СССР). - № 2895024/23; Заявл. 23.01.80; Опубл. 23.01.82; Бюл. № 3.

А.с. 829850 СССР, МКИ Е 21 В 10/60. Гидромониторный породоразрушающий инструмент / А.Н. Давиденко, А.А. Кожевников, В.Ф. Сирик, Е.Ф. Эпштейн, А.А. Ткаченко (СССР). - № 2792914/22; Заявл. 09.07.79; Опубл. 15.05.81; Бюл. № 18.

А.с. 883312 СССР, МКИ МКИ Е 21 В 10/60. Гидромониторный породоразрушающий инструмент / Е.Ф. Эпштейн, А.А. Кожевников, А.Н. Давиденко, В.Ф. Сирик (СССР). - № 2742738/22; Заявл. 27.03.79; Опубл. 23.11.81; Бюл. № 43.

А.с. 981564 СССР, МКИ Е 21 В 10/60. Гидромониторный породоразрушающий инструмент / А.А. Кожевников, В.Ф. Сирик, А.Н. Давиденко, П.В. Перетяка (СССР). - № 2641079/22; Заявл. 10.07.78; Опубл. 15.12.82; Бюл. № 46.

А.с. 1496351 СССР, МКИ Е 21 В 10/18. Способ бурения скажин и устройство для его осуществления / В.В, Пилипенко, Н.М. Гавриленко, В.А. Задонцев, И.К. Манько, Н.А. Дзос, А.Н. Давиденко, В.А. Дрозд, А.И. Шепель, С.Я. Сологуб, А.Т. Киселев, Ю.А. Меламед (СССР). - № 4250212/23; Заявл. 04.03.87 (для служебного пользования).

А.с. 1583438 СССР, МКИ С 10 М 5/02. Смазка для бурового инструмента / А.Н. Давиденко, А.М. Бражененко, Е.В. Белофастов, В.Д. Пилипенко (СССР). - № 4262357/23; Заявл. 27.04.87; Опубл. 8.04.90; Бюл. № 14.

А.с. 1120014 СССР, МКИ С 10 М 5/02. Смазка для бурового инструмента / П.А. Лещинский, А.Н. Давиденко (СССР). - № 3556862/23; Заявл. 06.12.82; Опубл. 23.10.84; Бюл. № 39.

А.с. 908783 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Промывочная жидкость для бурения глинистых пород / Е.Ф. Эпштейн, А.Н. Давиденко, Н.А. Дудля (СССР). - № 2542788/23; Заявл. 01.11.77; Опубл. 28.02.82; Бюл. № 8.

А.с. 907055 СССР, МКИ С 09 К 7/02. Промывочная жидкость для бурения скважин / А.М. Бражененко, Н.М. Гавриленко, А.Н. Давиденко, А.А. Кожевников, И.И. Мнушкин, В.Ф. Сирик (СССР). - № 2863846/23; Заявл. 08.12.79; Опубл. 23.02.82; Бюл. № 7.

А.с. 1034440 СССР, МКИ Е 21 В 10/18. Устройство для бурения скважин / Е.Ф. Эпштейн, Ю.Д. Бессонов, А.В. Вареник, А.И. Шепель, В.В. Шумриков, А.Н. Давиденко (СССР). - № 3231320/23; Заявл. 4.12.80; Опубл. 8.04.83; Бюл. № 14.

Рішення про видачу деклараційного патенту (UA). МПК Е 21 В 4/14. Гідродинамічний вібробур / О.М. Давиденко, В.С. Сліпенький, Ю.Д. Безсонов, В.Ф. Сірик (UA). - № 2000052665; Заявл. 11.05.2000; Дата прийняття рішення 28.11.2000.

Особистий внесок автора в роботах, що опублікувались співавторстві, полягає в наступному: (1-7, 11) - аналіз, визначення наукових завдань, розробка нових підходів та засобів їх вирішення, теоретичне узагальнення й обґрунтування; (15, 16, 20) - розробка методики досліджень, аналіз експериментальних даних і виводи; (21, 23-38) - розробка суттєвих ознак в відповідності з довідкою про творчу участь в створенні винаходів.

Размещено на Allbest.ru