Наукове обґрунтування комплексного впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин

, (24)

де - енергія, що передають одиниця об'єму тіла, що руйнують; S - питома поверхня; У - об'ємний фактор форми; а2 - 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.

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, том 2 "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 обгрунтування; (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.

Анотація

Давиденко О.М. Наукове обґрунтування комплексного впливу промивних рідин на процеси при бурінні свердловин. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.15.10 - "Буріння свердловин" - Національна гірнича академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертація присвячена питанням підвищення ефективності буріння свердловин.

В роботі, на основі комплексного підходу, що включає теоретичний аналіз, наукове узагальнення, лабораторні та промислові дослідження з використанням ПЕОМ, дістала подальший розвиток і вирішена актуальна науково-технічна проблема встановлення закономірностей механіки взаємодії промивних рідин з гірськими породами і буровим інструментом у процесах при бурінні свердловин. Встановлено, що вибіркова хемосорбція речовин із складу промивних рідин на поверхні гірських порід і бурового інструменту є основою цих взаємодій. Розкрита роль термодинамічних та кінетичних аспектів взаємодії промивних рідин з гірськими породами та буровим інструментом. Запропонована науково обгрунтована методика вибору компонентів промивних рідин, що забезпечують підвищення ефективності процесів при бурінні свердловин.

Розроблено способи, технології та інструменти для реалізації комплексного впливу промивних рідин на буріння свердловин. Основні результати роботи знайшли промислове застосування в практиці буріння геологорозвідувальних свердловин.

Ключові слова: комплексний вплив, промивна рідина, процес, буріння, свердловина, адсорбція, термодинаміка, кінетика, гірська порода, буровий інструмент.

Аннотация

Давиденко А.Н. Научное обоснование комплексного влияния промывочных жидкостей на процессы при бурении скважин. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.15.10 - "Бурение скважин" - Национальная горная академия Украины, Днепропетровск, 2001.

В работе на основе комплексного подхода, включающего теоретический анализ, научное обобщение, лабораторные и промышленные исследования с использованием ПЭВМ, получила дальнейшее развитие и решена актуальная научно-техническая проблема установления закономерностей механизма взаимодействия промывочных жидкостей с горными породами и буровым инструментом в процессах при бурении скважин.

Обобщение и анализ работ, посвященных изучению физико-химии поверхностных явлений и их роли в различных технологических процессах, позволили сделать вывод о том, что в основе механизма влияния дисперсных систем на твердые тела лежит адсорбция, на возможность применения которой при бурении скважин показал академик П.А. Ребиндер.

Исследования адсорбционной способности анион-, катионактивных и неионогеннах поверхностно-активных веществ применяемых при бурении скважин в составе промывочных жидкостей, показали, что химическая адсорбция преобладет над физической и носит избирательный характер. В результате углубленного изучения этого явления с применением ИК-спектроскопии установлено, что вещества избирательно хемосорбируются на поверхности горных пород и бурового инструмента при условии равенства их потенциалов ионизации. Показано, что если разница значений потенциалов ионизации адсорбента и адсорбата составляет более 0,15 эВ хемосорбция отсутствует.

При исследовании влияния избирательной хемосорбции веществ на физико-механические свойства и разрушение горных пород установлено, что на эффективность этого процесса оказывают влияние термодинамический и кинетический аспекты. Для реализации транспортного механизма кинетического аспекта при избирательной хемосорбции в процессах при бурении скважин проведены теоретические исследования, позволившие уточнить уравнение движения жидкости по трещинам и через насадки различной формы и предложены их новые точные решения, на основе которых разработаны конструкции буровых снарядов и породоразрушающих инструментов, защищенных авторскими свидетельствами и патентом.

Предложено использовать избирательную хемосорбцию для образования на поверхности бурового инструмента слоев, препятствующих протеканию коррозии и способствующих повышению износостойкости.

Развито представление о механизме устойчивости стенок скважины сложенных глинистыми породами, основанное на том, что для снижения набухания и размокания необходимо применять в составе промывочной жидкости вещества избирательно хемосорбирующиеся на поверхности горных пород.

Для контроля изменений, происходящих в гидратной оболочке дисперсных систем под действием избирательной хемосорбции, предложено использовать электромагнитные колебания сверхвысокой частоты.

Научное обоснование комплексного влияния промывочных жидкостей на процессы при бурении скважин позволило разработать методику выбора ПАВ как эффективных добавок. Предложены направления дальнейшего развития исследований и перспективы применения разработанных рекомендаций.

Основные результаты диссертационной работы нашли промышленное применение в практике бурения геологоразведочных скважин.

Ключевые слова: комплексное влияние, промывочная жидкость, процесс, бурение, скважина, адсорбция, термодинамика, кинетика, горная порода, буровой инструмент.

The summary

Alexander Davidenko. Scientific substantiation of complex influence of drilling fluids on processes with drilling holes. - Manuscript.

The dissertation on reception of a scientific degree of the doctor of engineering sciences on a speciality 05.15.10 - "Drilling of holes" - National mining university of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2001.

The thesis is devoted by a question of increase of efficiency of drilling of prospecting chisel holes.

On the basis of the complex approach including the theoretical analysis, scientific generalization, laboratory and industrial researches with use computer, has received the further development and the urgent scientific and technical problem of an establishment of laws of the mechanism of interaction of drill fluids with rocks and drill tool in processes is decided with drilling holes. Is established, that selective chemical adsorption of substances from structure of drilling fluids on a surface of rocks and chisel tool forms the basis these interactions. The opened role thermodynamic and kinetics aspects of interaction of drilling fluids with rocks and drilling tool. Offered the reasonable technique of a choice of components of drilling fluids is scientific which provide increase of efficiency of processes with drilling holes.

The developed ways, technologies and tool for realization of complex influence of drilling fluids on drilling of holes. The basic results of work have found out industrial application in practice of drilling of prospecting chisel holes.

Key words: complex influence, a drill fluid, process, drilling, hole, adsorption, thermodynamics, kinetic, rock, drill tool.

Размещено на Allbest.ru