Обоснование рациональных способов бурения неглубоких инженерно-геологических и геологоразведочных скважин в рыхлых и мягких породах

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 годы и на период до 1990 года, принятых! ШТ съездом КПСС отмечается, что всемерное повышение эффективности производства является важнейшей хозяйственно-политической задачей. Поворот к эффективности и качеству партия органически связывает с работой по совершенствованию производства на базе современной науки и техники / I /.

В области геологического изучения территории страны предусмотрено: «Обеспечить дальнейшее техническое перевооружение геологоразведочных организаций, оснащение их высокоэффективным оборудованием, аппаратурой и транспортными средствами.» .

Общие задачи, поставленные партией и правительством, перед геологоразведочной отраслью, имеют непосредственное отношение к бурению неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах. Бурение неглубоких скважин составляет основной объем работ при инженерно-геологических изысканиях в строительстве и примерно пятую часть общего объема бурения скважин при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. В целом по стране ежегодно проходится 15 млн. метров неглубоких скважин.

Выделение скважин глубиной до 50+100 метров в отдельную группу обусловлено рядом их особенностей, из которых наиболее характерными являются непрерывный, в большинстве случаев, отбор керна по всему интервалу бурения, необходимость поддержания определенных технологических режимов бурения с целью получения керна ненарушенной структуры или проб с природным содержанием полезного компонента, широкий спектр проходимых пород по крепости, устойчивости, обводненности и т. д. Диаметр неглубоких скважин инженерно-геологическом бурении колеблется в пределах от 89 до 168 мм. При разведке месторождений строительных и нерудных материалов, россыпных месторождений, скважины имеют диаметр от 168 до 325 мм и более.

Бурение неглубоких скважин осуществляется станками и установками различных марок и конструкций, имеющих разнообразные параметры, как по глубине и диаметру скважины, так и по массовым, габаритным, энергетическим и транспортным показателям. В Министерстве геологии РСФСР на конец 1980 года эксплуатировалось 28 типов станков и установок, общее их количество составляло 322 шт. В изыскательских организациях страны соответственно 15 и 5 тыс.шт. Эти станки и установки позволяют реализовать порядка 12 способов бурения. Некоторые из них являются комбинированными.

Большое количество типов и марок применяемых технических средств тормозит повышение производительности труда, препятствует совершенствованию технологии бурения, затрудняет централизованный ремонт и обеспечение станочного парка запасными частями, не способствует специализации буровых бригад и т. д. Причин такого положения несколько. Это и ведомственная разобщенность проектных организаций, занимающихся созданием такого рода техники, и недостаточный выпуск специализированных установок типа У1Б-50М, АЙВ-ЯМ, что вынуждает производственников использовать станки типа ЗИФ-1200МР, ЗИФ-650М, СБА-500 и др. явно не по прямому их назначению. Свда относится также отсутствие нормального ряда станков для изысканий и геологоразведочных работ /49 /. Кроме этого, есть еще одна важная причина, а именно — недостаточная изученность вопросов, связанных с разработкой научно обоснованной методики.

— е. оценки и сопоставления способов бурения и технических средств в различных геолого-технических условиях, которая была бы действенна, как на стадии проектирования и опытно-производственных испытаний, так и непосредственно в производстве. Создание такой методики позволило бы существенно повысить эффективность работы буровых станков /23 /.

До настоящего времени сравнение способов бурения и технических средств ведется по их технико-экономическим показателям. Возьмем, к примеру, буровую установку. Технико-экономическими показателями ее работы являются: I) скорость бурения (а) механическая-б) рейсоваяв) техническая и т. д.) — 2) производительность в смену, за месяц, за год- 3) стоимость ст. смены, I метра бурения- 4) энергоемкость или топливная экономичность- 5) эксплуатационная надежность (а) межремонтный циклб) количество простоев, связанных с мелким ремонтом и т. д.) — 6) проходимость и грузоподъемность базовой машины.

Как видим, показателей много, хотя свда еще не включены эксплуатационные требования, такие как удобство управления и обслуживания при бурении и вспомогательных операциях, уровень механизации, удобство транспортирования и монтажно-демонтажных операций и т. д. Большинство из них могут быть определены только в процессе длительной эксплуатации оборудования. Следует иметь также в виду, I что^{реальной} жизни возникают ситуации, когда, предположим, буровая установка по одним показателям лучше, а по другим хуже. В этом случае приходиться устанавливать важность того или иного показателя в ряду других, что часто приводит к субъективной оценке. И тем не менее, конечно, все перечисленные показатели нужно учитывать, Но сначала, необходимо оценить техническую прогрессивность способов бурения, которые позволяет реализовать данная установка. Прежде всего должны сравниваться научные и инженерные идеи воплощенные в рассматриваемом оборудовании. С этих позиций любая методика оценки, любой критерий прежде всего должны быть строго научными и основываться на фундаментальном знании, а не являться производными от производственных показателей. Только тогда они будут объективно и наиболее полно отражать техническое совершенство сравниваемых объектов.

Проблеме сравнительного анализа различных способов бурения неглубоких скважин в рыхлых породах большое внимание в своих работах уделил В. Г. Кардыш /25,21,41 /. Им была предложена методика сравнительной оценки способов бурения неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах, основанная на сопоставлении динамики изменения производительности в зависимости от глубины скважин и затрачиваемой мощности.

В области оптимизации процесса разведочного колонкового бурения комплексные исследования провел Е. А. Козловский, предложивший совместно с Р. Х. Гафиятуллиным целый ряд критериев оптимизации, из которых основным является критерий минимального времени проходки скважины (Т-критерий) /25 /•.

Вопросы, связанные с оценкой и выбором рациональных способов для бурения инженерно-геологических скважин в различных природных и геологических условиях, рассматривали Б. М. Ребрик /49,51,53,55/, Б. В. Цынский, С. П. Абрамов, Л. И. Куник / 55 /. Эффективность способов бурения оценивалась ими по трем факторам: инженерно-геологическому (информативность), техническому (производительность), экономическому (стоимость станко-смены).

Практические рекомендации по выбору рациональных способов бурения гидрогеологических скважин содержатся в работах Д.Н.Башка-това. В качестве одного из важнейших критериев сравнения принималась информативность способов бурения, одновременно оценивалась возможная их производительность в зависимости от геолого-технических условий / в, 67 /.

Методика подбора рациональных технических средств, конструкций геологоразведочных скважин и технологии бурения приводится в некоторых работах С. С. Сулакшина. В них, при выборе способа бурения и типов породоразрушащих инструментов, предложено руководствоваться основными технико-экономическими показателями (механическая скорость бурения, проходка за рейс, проходка на забойный инструмент и т. д.) с учетом экономического эффекта, выражающего стоимость I метра пройденной скважины / 70 /.

Энергетические затраты на единицу проходки скважины йли горной выработки положены в основу оценки эффективности горно-бурового оборудования в работах В. В. Алексеева /5 /и А. М. Лимитовского / 33 /.

Предпринимались также попытки учесть многочисленные технико-экономические показатели в одной системе оценки. Для этого приме-. няется метод ранжирования или начисления баллов за каждый достигнутый буровой установкой показатель. Такой метод применительно к бурению инженерно-геологических скважин разрабатывал Б. М. Ребрик / 51 /, а гидрогеологических — А. М. Коломиец.

Экономические критерии эффективности бурового оборудования рассматривали в своих работах Е. А. Козловский, А. С. Волков, В.Г.Кар-дыш, Б. М. Ребрик, С. С. Сулакшин, Д. Н. Башкатов, А. М. Демидов, Г. С. Александров, А. В. Панков, Н. В. Проскурин, А. С. Оставнов, А. Л. Соколов и многие другие.

Большое внимание исследователей и специалистов к рассматриваемым вопросам говорит о важности решения данной проблемы. Много сделано в этом направлении. Однако одни из существующих в настоящее время методик и критериев сравнительной оценки способов бурения и технических средств не являются еще в достаточной степени объективными и универсальными, другие имеют слишком ограниченную область применения.

В свете изложенного, представляется очень актуальной задачей научное обоснование и разработка методики сопоставления технической эффективности различных способов бурения и технических средств и исследование на ее основе рациональных способов бурения неглубоких скважин в различных геолого-технических условиях. Это является целью настоящей диссертационной работы.

Поставленная цель достигалась путем решения следующих основных задач:

1. Анализ существующих методик и критериев используемых для сравнительной оценки способов бурения и бурового оборудования.

2. Разработка теоретических основ оценки технической эффективности способов бурения и технических средств.

3. Разработка новой методики сопоставления технической эффективности способов бурения и технических средств.

4. Экспериментальная проверка возможности использования предложенной методики.

5. Опытно-производственные исследования с использованием предложенной методики различных способов бурения неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах.

6. Статистическое сопоставление различных способов бурения неглубоких инженерно-геологических и геологоразведочных скважин по результатам опытно-производственных исследований и по данным анкетирования производственных организаций.

7. Исследование прогрессивного вибрационно-вращательного способа бурения неглубоких скважин. Выявление и устранение факторов, тормозящих широкое внедрение этого способа в практику буровых работ.

8.Создание и внедрение в производство ряда технических средств и приспособлений для совершенствования и рационализации бурения геологоразведочных, инженерно-геологических и гидрогеологических скважин в мягких и рыхлых породах.

9. Оценка экономической эффективности от внедрения в производство результатов проведенных автором исследований.

Поставленные в диссертации задачи решались путем обобщения и анализа литературных источников и фондовых материалов, проведения экспериментальных и опытно-производственных работ с внедрением результатов исследований в производство.

Для постановки и проведения исследований, автором был создан специальный стенд, включающий экспериментальную установку на базе агрегата АВБ-2М и измерительный щит для замера потребляемой при бурении энергии. Для проведения исследований в полевых условиях был создан переносной блок, включающий комплекс контрольно-измерительных приборов.

Экспериментальные исследования проводились на учебном полигоне МГРИ (в р-не г. Загорска). В ходе экспериментальных работ было проведено бурение 9 скважин, глубиной 10 метров вибрационным, ударно-вибрационным, вибрационно-вращательным и шнековым способами бурения. Все необходимые параметры фиксировались после каждого рейса. Опытно-производственные исследования ударно-вибрационного бурения проводились в Мосгоргеотресте и Средне-Уральской экспедиции ПГО «Уралгеология», вибрационно-вращательного — в ПГО «Урал-геология», колонкового способа — в экспедиции № I ГСШ, шнекового, ударно-канатного и медленно-вращательного — в Верхнеаолжском тресте инженерных изысканий и Белорусской геологоразведочной экспедиции. В процессе бурения при помощи комплекса современной контрольно-измерительной аппаратуры замерялись все необходимые для дальнейшей обработки параметры. Всего в ходе экспериментальных и опытно-производственных работ было пробурено 1533 метра скважин и проведено порядка 1500 замеров.

Работа содержит ряд конкретных практических результатов. На основе фундаментальных положений классической механики предложен и обоснован новый механический критерий эффективности различных способов бурения и технических средств и на его основе разработана методика оценки технической эффективности способов бурения и бурового оборудования. Это позволило выявить наиболее перспективные направления развития техники для бурения неглубоких скважин в породах рыхлого комплекса. Более подробно исследован один из наиболее прогрессивных способов бурения неглубоких скважин — ви-брационно-вращательный. При непосредственном участии и на основе исследований автора подготовлен к серийному выпуску агрегат вибрационно-вращательного бурения АВБ-2М, проведены его опытно-производственные испытания. Предложенная в работе методика использована при составлении программы и проведении испытаний. Результаты исследований использованы при разработке «Инструкции по вибраци-онно-вращательному бурению скважин в мягких и рыхлых породах». Инструкция внедрена в ПГО «Уралгеология» и является новым методическим документом по данному способу бурения. Кроме того автором решен ряд инженерно-конструкторских задач направленных на совершенствование и разионализацшо бурения неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах, созданы определенные предпосылки для широкого внедрения вибрационно-вращательного способа в практику буровых работ.

Основные положения, разработанные в диссертационной работе, докладывались в 1981 году на международной конференции стран Азии и Океании в рамках семинара «Современные методы бурения скважин» проходившей в 1981 году в Москве и в 1982,1983,1984 годах на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского геологоразведочного института им. Серго Орджоникидзе, а также изложены в десяти печатных и трех рукописных (отчеты МГРИ) работах. На технические предложения автора выдано четыре авторских свидетельства на изобретение и получено два положительных решения.

Диссертационная работа написана на кафедре механики Московского геологоразведочного института игл. Серго Орджоникидзе под руководством Заслуженного изобретателя СССР, доктора технических наук, профессора Ребрика Б. М., которому автор выражает глубокую благодарность. Автор выражает признательность главному инженеру Мосгоргеотрества, кандидату геолого-минералогических наук Медведеву О. М., главному инженеру ВерхневолжскТИСИЗа, кандидату технических наук Шисселю М. А., главному инженеру Белорусской геологоразведочной экспедиции, кандидату технических наук Площадному В. Я., Главному инженеру ЕГО «Уралгеология» Лещикову В. И., начальнику технического отдела ПГО «Уралгеология» Пленкову М. Н., сотрудникам Свердловского машиностроительного завода им. Воровского — главному конструктору, кандидату технических наук Кузнецову В. И. и ведущему конструктору Дудко ЭЖ, начальнику отряда партии новой техники ЕГО «Уралгеология» Лефтону О. Л., начальнику горнобурового отдела МИнгео СССР, кандидату технических наук Александрову Г. С., а также сотрудникам кафедры механики Арсентьеву Ю. А., Лукошкову Г. В., Калиничеву Н. В., Лебедеву А. И., доценту кафедры бурения, кандидату технических наук Базанову Л. Д., оказавшим содействие и поддержку в постановке и проведении экспериментальных и опытно-производственных исследований, студентам МГРИ Реброву B.C. Назарову А. П., Стаценко А. Г., Хромову B.JC. за практическую помощь в проведении полевых работ и в обработке полученного материала.

ШВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СРАВНИТЕЛЬНОЙ ОЦЕНКЕ И ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНЫХ СПОСОБОВ БУРЕНИЯ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ.

7.2. Выводы по главе.

1. Внедрение результатов исследований позволило получить экономический эффект в размере 27,5 тыс. руб. Ожидаемый экономический эффект за год от внедрения вибрационно-вращательного бурения при разведке россыпных месторождений в ПГО «Уралгеология» составляет 93,7 тыс. руб.

2. Разработанные в ходе исследований критерии и методика оценки эффективности способов бурения и технических средств позволяет повысить качество работ при проектировании новой техники, а также при выборе способов бурения, бурового оборудования, технологических приемов и т. д. в производственных условиях, что в свою очередь принесет значительный народнохозяйственный эффект. основные вывода и защищаемые положения.

1. В диссертационной работе решен комплекс теоретических, экспериментальных, методических и прикладных задач по выбору и обоснованию рациональных способов бурения неглубоких инженерно-геологических и геологоразведочных скважин в рыхлых и мягких породах.

2. На основе изучения литературных источников многочисленных фондовых материалов установлено, что существующие в настоящее время методики и критерии, применяемые для сравнительной оценки способов бурения и технических средств, имеют ряд существенных недостатков. Показано, что разработка научно обоснованной методики оценки эффективности способов бурения и проведение сравнительного анализа этих способов в типовых геолого-технических условиях, является весьма актуальной задачей.

3. На основе вариационных принципов классической механики разработана новая методика сопоставления различных способов бурения скважин и технических средств. В качестве мер, характеризунъ щих способ бурения, предложено два критерия: критерий технической эффективности, представлящий собой произведение затраченной энергии на время сооружения скважины и условный показатель технической эффективности, представлящий собой произведение энергии, на время и на совокупную массу оборудования, применяемого для проходки скважины данным способом.

4. Предложенная методика устанавливает, что среди способов бурения, используемых в одинаковых геолого-технических условиях, большей технической эффективностью обладает тот, для которого первый критерий минимален. Второй критерий выполняет вспомогательные функции. Его минимум, при равенстве первого критерия, определяет предпочтительность того или иного способа бурения или бурового оборудования.

5. В порядке обсуждения предложен универсальный критерий, обобщенно отражающий техническую, качественную и экономическую стороны эффективности способов бурения, который представляет собой отношение информативности бурения к произведению стоимости бурения на затраты энергии и времени. В соответствии с универсальным критерием, большей эффективностью обладает тот способ бурения, при помощи которого может быть получен максимальный геологический или инженерно-геологический результат на единицу стоимостных затрат и механического действия, необходимых для сооружения скважины.

6. Результаты экспериментальных и опытно-производственных исследований по сопоставлению существующих способов бурения подтвердили правильность использования предложенных критериев. Они также свидетельствуют об объективности и универсальности предложенных.

О V критериев, их независимости от случайных факторов, что позволяет рекомендовать разработанную на основе этих критериев методику к широкому внедрению при выборе рациональных способов, технических средств, технологических приемов бурения скважин в производственных условиях, а также при оценке эффективности новой техники.

7. На основании анализа результатов сопоставления различных способов бурения при помощи предложенной методики установлено/ что наибольшей технической эффективностью при проходке неглубоких скважин в рыхлых и мягких породах обладают ударно-вибрационный и шнековый способы бурения. Далее идут вибрационно-вращательный и ударно-канатный способы, эффективность которых примерно одинакова. Низкой технической эффективностью обладает колонковый способ бурения.

8. Анализ результатов производственной деятельности многочисленных изыскательских организаций позволил выявить наличие корреляционной связи между производительностью и объемом бурения, выполняемым данным способом. Для способов, обладающих высокой производительностью (ударно-вибрационного, шнекового, медленновращательного) наблюдается более интенсивное увеличение производительности с ростом объема бурения. Следовательно, для повышения производительности буровых работ в отдельно взятой организации, необходимо стремиться к специализации бурения скважин каким-либо одним, максимум двумя способами. При этом следует ориентироваться на более производительные способы бурения.

9. Опытно-производственные исследования по оценке технической эффективности существующего бурового оборудования показали, что установки с автономным дизельным приводом обладает большей эффективностью по сравнению с однотипными установками, имеющими привод от. карбюраторных двигателей базовых машин. Показано, что с точки зрения повышения технической эффективности бурения целесообразно в качестве базы буровых агрегатов выбирать автомобили с дизельным двигателем или устанавливать автомобильный дизельный привод.

10. Доказано, что дальнейшее повышение эффективности бурения неглубоких скважин в мягких и рыхлых породах, связано с постоянным сокращением объемов использования колонкового бурения и заменой его вибрационно-вращательным. Основное преимущество этого способа состоит в том, что он сохраняя все положительные качества ударно-вибрационного бурения, существенно расширяет его область применения, как по глубине скважин, так и по крепости проходимых пород.

11. На основе изучения современного состояния теории и практики вибрационно-вращательного бурения установлено, что широкое внедрение этого прогрессивного способа в производство сдерживается из-за отсутствия: I) серийно выпускаемого оборудования- 2) специальных соединений бурильных труб-3) соответствующих нормативно-методических документов.

12. Проведенные исследования позволили разработать: а) три типа новых быстроразъемных соединений труб для вибраци-онно-вращательного буренияб) конструкцию автоматического патрона для соединения бурового снаряда с вибромолотомв) несколько способов эффективного крепления гидрогеологических скважинг) принципиально новый способ проходки скважин в породах с большим содержанием валунов.

Технические разработки защищены 4-мя авторскими свидетельствами на изобретения (а.с.гё 972 049 кл. Е21 В 33/138- а. сЛЮ81 587 кл. Е21 В 33/138- а.с.М67 207 кл. Е21 В 47/08- а.с.М67 200 кл. Е21 В 33/13). По двум заявкам (№ 3 554 002/25.08.83г. и Ж3 604 169/18.12.83г.). Госкомизобретений принято решение о выдаче авторского свидетельства. Кроме того принято к внедрению 5 рационализаторских предложений.

Быстроразъемные соединения труб и автоматический патрон изготовлены и успешно прошли опытно-производственные испытания, их образцы экспонировались на Всесоюзной выставке НТТМ-84 и на международной выставке 'Теоэкспо-84″ .

13. Результаты проведенных исследований были использованы при проведении опытно-производственных испытаниях и подготовке к серийному выпуску агрегата вибрационно-вращателыюго бурения АВБ-2МВ. Производство агрегата намечено на 1986 год.

14. Большинство методических и технических разработок автора использованы при составлении" Инструкции по вибрационно-вращатель-ному бурению скважин в рыхлых и мягких породах", утвержденной Мингео СССР к изданию в 1985 году. Временный вариант инструкции утвержден в ПГО «Уралгеология» и опубликован в июле 1984 года.

15. Внедрение результатов исследований автора в ПГО «Уралгеология» позволило получить экономический эффект в размере 27,5тыс. рублей.