Методика выполнения работы

Для выполнения работы необходимо иметь блок анизотропной горной породы достаточных для закрепления и разбуривания размеров и набор породоразрушающих инструментов одного диаметра (59 или 46 мм) – алмазных и твердосплавных коронок различного типа, шарошечных долот.

Работы выполняются в соответствии с планом полного факторного эксперимента. Общее количество опытов для реализации возможных комбинаций уровней факторов равно N = 2^к , где к – число факторов. В качестве факторов могут приниматься : 1 – осевая нагрузка, 2 – частота вращения, 3 – количество очистного агента, 4 – содержание в очистном агенте (технической воде) поверхностно-активных веществ (ПАВ). Таким образом, если факторов 2, то число опытов равно 4, если 3 – 8, 4 фактора – 16.

Рассмотрим вариант выполнения работы по минимальному числу факторов – 4 с исследованием влияния основных факторов – осевой нагрузки – Р и частоты вращения - ω.

Для проведения работы необходимо выбрать уровни факторов – минимальное и максимальное значения, причем первое будем обозначать знаком (+), второе (-). Значения факторов могут быть различны, но находиться в диапазоне реальных рабочих значений и возможностей стендовой установки. В качестве откликов на изменение параметров режима бурения будет определяться механическая скорость бурения (v) по прибору ИСБ и с помощью секундомера (измеряется время углубки на 1-5 см в породу с последующим расчетом v).

Для определения показателя анизотропности горной породы К_а необходимо реализовать план эксперимента не менее 2 раз. При этом блок породы следует разбуривать в двух, примерно, взаимно перпендикулярных направлениях , а показатель К_а определять как соотношение механических скоростей бурения, полученных при равных параметрах режимов значений.

Для проведения работы составляется план эксперимента (табл. 5).

Таблица 5

План эксперимента при бурении (например, сланца) под углом (например,87⁰) к сланцеватости

Номер опыта	Значения факторов	Отклики	Среднее, t, с	v, м\час
X₀	P	ω	P ω	t₁, с	t₂, c	t₃, c
	+	-	-	+	А₁	А₂	А₃	А	v₁
	+	-	+	-	Б₁	Б₂	Б₃	Б	v₂
	+	+	-	-	В₁	В₂	В₃	В	v₃
	+	+	+	+	Г₁	Г₂	Г₃	Г	v₄

Работы выполняются на буровом стенде, состоящем из станка СКБ-4 и измерительной аппаратуры. Для проведения работ под станок устанавливается и закрепляется блок анизотропной горной породы размерами ориентировочно не менее 0,5 х 0,5 х 0,5 м. Если блок имеет ярко выраженную текстуру, то при установке блока его следует сориентировать по отношению к буровому инструменту или перпендикулярно или в направлении слоистости ( сланцеватости). При втором цикле бурения блок следует повернуть на угол примерно 90⁰ и, таким образом, за две серии опытов ,в соответствии с планом эксперимента (табл.5), можно получить значения скоростей бурения во взаимно перпендикулярных направлениях – перпендикулярно и вдоль слоистости (сланцеватости) горной породы и рассчитать К_а.

Таким образом, для расчета К_а составляется два плана эксперимента (табл. 5) – первый для бурения, например, под прямым углом к слоистости или сланцеватости, а второй под углом близким к направлению слоистости или сланцеватости.

Бурение блока производится тем или иным породоразрушающим инструментом. Параметры режима бурения устанавливаются в соответствии с планом эксперимента (табл. 5 ).

Например, опыт №1: Р и ω – минимальны; опыт 2 : P – минимальна, ω – максимальна и т.д.

В каждом опыте измерения делаются не менее 3 раз и рассчитывается среднее значение времени бурения интервала и механическая скорость бурения. Данные заносятся в таблицу. Механическая скорость бурения рассчитывается по зависимости :

, (54)

где l – интервал углубки, см;

t _ср – среднее время углубки интервала, с.

Реализовав два плана эксперимента, при бурении блока, например, под углом 87⁰ к сланцеватости и под углом 5⁰к сланцеватости определяют показатели анизотропности для каждого опыта, а результаты сводят в табл. 6.

таблица 6

Номер опыта	Значения факторов	V⁸⁷, м\час	V⁵, м\час	К_а= V⁸⁷\V⁵
X₀	P	ω	P ω
	+	-	-	+	V ⁸⁷₁	V ⁵₁	К₁
	+	-	+	-	V ⁸⁷₂	V ⁵₂	К₂
	+	+	-	-	V ⁸⁷₃	V ⁵₃	К₃
	+	+	+	+	V ⁸⁷₄	V ⁵₄	К₄

В дальнейшем строятся модели процесса (могут быть построены зависимости углубки за оборот, механической скорости бурения и показателя анизотропности от параметров режима бурения) в виде уравнений регрессии следующего вида:

v = b₀ + b₁ P + b₂ω + b₁₂ P ω , (55)

где значения коэффициентов b₀, b₁ , b₂ , b₁₂ рассчитываются из формул:

, (56)

, (57)

, (58)

, (59)

в которых знаки перед значениями механических скоростей взяты в соответствии со знаками уровней факторов по вертикальному столбцу плана эксперимента (b₀ – столбец х₀, b₁ – cтолбец P и т.д.).

Выше приведенное уравнение регрессии соответствует случаю построения зависимости механической скорости от параметров режима бурения.

Для построения уравнения зависимости углубки за оборот следует получить соответствующее значение отклика путем деления значения механической скорости бурения [м\ч] на соответствующую этой скорости бурения частоту вращения [мин^-1] (v\60 ω). После этого по приведенным формулам определяются значения числовых коэффициентов b₀, b₁ ,b₂ и т.д.

Аналогично строится аналитическая модель зависимости показателя анизотропности по буримости от значений параметров режима бурения. Для построения данной модели используются значения откли-ков К₁, К₂ и т. д. из табл. 5 .

Для анализа модели процесса бурения уравнение регрессии воспроизводится в виде графиков равных скоростей в поле квадрата с вершинами(-Р;-ω),(-Р;+ω), (+Р;- ω) и (+Р; +ω) – см. рис. 40 .

Графики скоростей строят с шагом 1 или 2 м\ч.

Графики строят следующим образом. Принимается конкрет-ное значение отклика v в пределах полученных при эксперименте значений, затем задается величина Р и рассчитывается ω.

Например, модель имеет вид:

V= 2,5 + 2 Р + 1,5 ω + 0,5 Р ω.

Принимаем v = 2 м\ч и Р = 0, что позволяет рассчитать ω = -0,33. Таким образом, на графике имеем точку на изолинии 2 м\ч с координатами Р=0 и ω = -0,33.

Для более детального анализа процесса разрушения породы при бурении строятся графики зависимости углубки за один оборот инструмента на забое в зависимости от осевой нагрузки при трех значениях частоты вращения. Для этого на графике рис. выбирают 3 значения частоты вращения min, med, max и для точек пересечений с кривыми v определяются значения Р.

Углубка за оборот инструмента на забое рассчитывается по формуле:

, (60)

где ω – частота вращения инструмента, мин^-1;

v - механическая скорость бурения, м\ч.

В случае использования шарошечного долота при расчете углубки за оборот правильнее использовать вместо частоты вращения самого долота частоту вращения шарошки, которую можно рассчитать по зависимости:

, (61)

где R – радиус скважины, м;

r_ш – радиус шарошки по среднему венцу, м;

ω- частота вращения долота, мин^-1;

β – угол наклона оси шарошки по отношению к забою, градус.

По результатам рас-четов h, при соот-ветствующем на графике рис. значении Р. строит-ся графики h=f(P) в виде представленных на рис. 41.Каждый график стро-ится на основании 3-5 точек, полученных с графиков на рис. 40 на вертикалях min, med, max , соответствующих различным значениям частоты вращения.

Пример построения графика h=f(P).

Выбираем минимальную (min) ω=230 мин^-1. Если верхний уровень ω равен , например, 1000, а нижний 200 мин^-1, т.е. 1000 мин^-1 соответствует значению +1 в кодовом обозначении , а ω=200 мин ^–1 – (-1), то в этом случае на графике рис. 40 ω=230 мин^-1будет соответствовать значению – 0,925. Проводим вертикальную линию с целью определения пересечений с кривыми v (таких пересечений должно быть не менее 3) и находим значения Р в натуральных величинах (используя уровни данного фактора) для каждого случая пересечения с графиком v , при одном значении ω (значения Р₁, Р₂ и Р₃ на рис. 41 ). Далее рассчитывается значение углубки за оборот и строится график h=f(P) по соответствующим v значениям осевой нагрузки.

Для обработки данных на компьютере подготовлена программа, позволяющая при вводе значений времени интервала бурения и уровней факторов получить модели процесса и графики зависимости механической скорости бурения и углубки за оборот в зависимости от параметров режима бурения. Используя эти данные можно получить аналогично графики показывающие связь показателя анизотропности от параметров режима бурения. В дальнейшем, имея данные о механической скорости бурения, углубке за оборот и установленную связь параметров режима бурения с показателем анизотропности, можно провести анализ процесса разрушения анизотропной породы и установить взаимосвязь режима разрушения, параметров режима бурения с показателем анизотропности горной породы.

Пример[13]:Полосчатый гранодиорит разбурен алмазной коронкой типа 01А4-59 (зернистость алмазов 30-40 шт.\карат). Бурение осуществлялось на буровом стенде, оснащенном буровым станком СКБ-4 под углом 5 и 80 градусов относительно плоскостей полосчатости слойков различных минералов при варьировании осевой нагрузкой в пределах 240-700 даН и частотой вращения в диапазоне 280-710 мин^-1.

Обработка полученных данных позволила получить модели влияния факторов на механическую скорость бурения (приведены для направлений 5 и 80 градусов относительно полосчатости):

V₅ = 5,13 + 1,3Р + 2,38ω + 0,2Р ω,

V₈₀ = 7,3 + 1,95Р + 2,3 ω + 0,05Р ω

и показатель анизотропности

К_а= 1,56 – 0,03Р – 0,28 ω + 0,04Р ω,

где Р и ω – значения факторов в закодированном выражении в пределах соотношения с натуральными значениями от +1 до –1.

Интерпретация уравнений механической скорости, показателя анизотропности, а также углубки за оборот дана на рис. 42 .

Как следует из полученных данных, показатель анизотропности минимален при максимально достигнутых значениях механической скорости бурения, которая стала возможна при максимальных частотах вращения. Учитывая связь роста частоты вращения с уменьшением углубки за оборот можно сделать вывод о снижении показателя анизотропности по мере уменьшения глубины проникновения алмазных резцов в породу. Анализ графиков показывает также, что максимальные значения К_а cвязаны с усталостно-поверхностным режимом разрушения. А минимальные значения К_а с реализацией объемного разрушения.

v Терминология

Ø Анизотропия горных пород – (греческий -anios неравный + tropos свойство) - неодинаковость физических свойств (теплопроводность, скорость прохождения упругих волн, а также твердости и буримости) горных пород ( иных твердых тел) по различным направлениям внутри этого тела.

Ø Показатель анизотропии горных пород по буримости –соотношение механических скоростей бурения горной породы, полученные при бурении в направлении близком к перпендикулярному по отношению к слоистости или сланцеватости породы и в направлении слоистости или сланцеватости породы.

Ø Полный факторный эксперимент – методика планирования и обработки данных экспериментальных работ на основе теории вероятности и математической статистики.

8. ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАПРАВЛЕННЫХ СКВАЖИН

С УЧЕТОМ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ЕСТЕСТВЕННОГО ИСКРИВЛЕНИЯ

Цель работы:

Ø Изучить принцип анализа данных о закономерностях естественного искривления скважин на участке.

Ø Научить проектированию трасс скважины с учетом закономерностей естественного искривления.

Ø Закрепить понятие о закономерном искривлении скважин под воздействием причин технико-технологического и геологического характера.

Ø Научить определять тип геологической структуры на участке работ по данным инклинометрии.

· Объем работы – 2 часа.

· Для выполнения работы рекомендуется следующая литература [ 1,7,9,10,17,18 ].

· Выбор данных для расчета производится в соответствии с приложением 1.

Для расчета необходимо взять 10 -15 скважин (значения зенитных и азимутальных углов по этим скважинам) по 10 -15 первым буквам фамилии, имени и отчества студента. Каждая буква позволяет определить значения зенитного и азимутального углов по 1 скважине.

По условию задания залегание пород моноклинальное.

При проектировании трасс скважин с учетом законо-мерностей естественного искривления аналитически решается следующий комплекс задач.

1. Осуществляется сбор данных об искривлении скважин (инклинометрия) с обязательным указанием, каким способом и какими инструментами (диаметр и тип породоразрушающего инструмента, тип бурильной колонны, буровая компоновка) бурился тот или иной интервал скважины и в каких интервалах осуществлялось искусственное искривление.

2. В соответствии с имеющимися геологическими данными выясняется тип геологической структуры, и материалы об искривлении скважин, пробуренных на данном участке, группируются по типам структуры. Например, если залегание пород моноклинальное, то все данные об искривлении скважин могут по критерию однотипности геологической структуры быть объединены, если же имеется геологическая структура второго порядка – синклиналь или антиклиналь, то эти структуры следует рассматривать как два или более участка с однотипным залеганием горных пород (рис. 43 ).

3. В соответствии с выделенными участками инклинометрические данные группируют по принципу однотипности технических и технологических условий бурения. Например, выделяют участок №1, и к анализу готовят данные по скважинам, пробуренным на территории этого участка, при этом для обработки берут отдельно данные, полученные при бурении скважин одного диаметра, одним способом и типом породоразрушающего инструмента, с использованием однотипных бурильных колонн. Кроме этого обязательно следует исключить данные по интервалам, в которых осуществлялось искусственное искривление скважин.

4. Сгруппированные данные обрабатывают одним из методов.

Изучение закономерностей естественного искривления осуществляют по алгоритму, основу которого составляет статистический расчет «типовой» трассы скважины. Алгоритм выстроен в следующей последовательности.

1. Определяют среднеарифметическое значений величин приращений зенитных и азимутальных углов:

где Х₁=ΔΘ₁(Δα₁); Х₂=ΔΘ₂(Δα₂); - приращение зенитных (азимутальных) углов на равных глубинах;

n – число скважин участвующих в выборке на данном интервале глубин.

2. Определяют разброс фактических значений случайной величины относительно её среднего значения, которая характеризуется величиной дисперсии D(x) или среднего квадратичного отклонения σ(х):

3. При бурении скважин действительные значения зенитных и приращения азимутальных углов на каждом интервале глубин могут отличаться от средних арифметических величин. При известных х, σ(x) и n определяется доверительный интервал ± Е (X) для значений Θ и Δα на каждом интервале инклинометрических замеров:

где f_j – коэффициент Стьюдента, определяемый по таблицам справочников по теории вероятностей и математической статистики, при заранее заданной надежности j и известному параметру К=n-1.

4. Определяется математическое ожидание значений Θ и Δα на каждой глубине:

Пример: В выборке n = 10 скважин, на глубине 600 метров выборочный средний зенитный угол Х = 15 грудусов, выборочное среднее квадратичное отклонение σ(x)=1,5 градуса. Оценим неизвестное математическое ожидание при помощи доверительного интервала с надежностью j=0,95. Для этого случая при n –1=9, f_j=2,31.

E(X)=15⁰ ± 2,31 1,5 : = 15⁰1,1 или 13,9⁰ Е(Х) 16,1⁰

Если рассчитанные величины отклонений превышают интервал допустимого отклонения скважин (А), установленный принятой методикой разведки месторождения, это позволит определить предельную глубину по каждой скважине, на которой возникнет необходимость искусственного искривления ствола.

На основании полученных доверительных значений зенитных углов и приращений азимутальных углов на каждом интервале глубин скважины строятся вертикальная и горизонтальная проекция трассы скважины (рис. 45) с учетом минимального и максимального возможных отклонений её ствола от типового профиля.

Полученные «типовые» трассы скважин (проекции на горизон-тальную и вертикальную плоскости) можно исполь-зовать при проектировании новых скважин. При этом, используя шаблон «типовой» скважины вычерченный на кальке или восковке, на геологическом разрезе и плане участка работ определяют корректировку точки заложения скважины с тем расчетом, чтобы, не меняя проектного угла заложения привести скважину в заданную точку. Точка заложения новой скважины определяется «снизу-вверх», то есть, закрепляя забой «типовой» трассы (на рис. 45 показана линией точка со штрихом ) в точке подсечения на заданной глубине и не меняя проектного угла заложения проектной скважины (сплошная линия на рис.45), находят расстояние на поверхности, на которое следует сместить точку заложения скважины ( расстояние В - см. рис. 45 ).

Аналогично определяет точку заложения с учетом азимутального искривления. В результате получают возможность заложить скважину с учетом зенитного и азимутального искривлений.

Возможен вариант графического решения задачи по определению «типовой» скважины.

В этом случае, например, при анализе данных по зенитному искривлению скважин строят профили скважин из одной начальной общей точки и поинтервально определяют средние точки. В результате такого решения получается усредненная трасса скважины, которая может использоваться в некотором приближении как «типовая».

Ориентировочное определение элементов залегания горных породможно производить с использованием данных инклинометрических замеров. Для этой цели строят трассы скважины по данным инклинометрии и в соответствии с рас-положением скважин на плане или разрезе. Далее, полагая, что скважины , как пра-вило, стремятся выйти или вкрест прости-рания слоев горных пород или в нап-равлении падения сло-ев горных пород определяют угол паде-ния слоев – φ_П и азимут простирания слоев горных пород – β_П (рис. 46). На рис. 46 показан пример ори-ентировочного оп-ределения линий залегания пород (показаны прерывистой линией) по ряду скважин. Судя по данным полученным на схеме , на участке работ имеет место структура второго порядка .

v Терминология

Ø Закономерности естественного искривления скважин – выявленный закон изменения направления и кривизны (интенсивности искривления) скважины в зависимости от глубины, азимутального или зенитного углов под влиянием технико-технологических и геологических причин искривления скважин.

Ø Технико-технологические причины искривления скважин – причины искривления скважин, вызванные влиянием параметров технологии бурового процесса в пределах того или иного способа бурения (осевая нагрузка, частота вращения, тип породоразрушающего инструмента, его диаметр и др.), а также техническими особенностями применяемого бурового оборудования и инструмента (тип бурильной колонны, буровая компоновка и др.), а также угловыми параметрами заложения скважины (угол наклона, азимут заложения).

Ø Геологические причины искривления скважин– причины искривления скважин, вызванные влиянием геологических условий залегания горных пород (угол падения слоев, изменчивость параметров залегания горных пород), степени анизотропности горных пород , числа контактов пород различной твердости и соотношения твердости пород слагающих контакт, наличия разломов и зон дробления , трещиноватости, твердости горных пород.

Ø «Типовая» трасса скважины («типовая» кривая)– усредненная, выявленная статистическими методами трасса скважины отражающая с той или иной достоверностью характер (направление и интенсивность) искривления скважины при определенных условиях , заданных совокупностью технико-технологических и геологических причин искривления скважин.

9. экономическоЕ обоснованиЕ

эффективНОсти методов и технических средств

направленного бурения

Цель работы:

Ø Изучение методики сравнительного экономического анализа эффективности технологий и технических средств направленного бурения.

· Объем работы 2 часа.

· Данные для выполнения работы являются едиными для всех студентов и подбираются при помощи преподавателя. При подборе данных для расчета используются результаты выполнения других лабораторных работ.

· Каждый из студентов рассматривает ниже приведенную теорию экономической оценки и анализа эффективности технологий и технических средств направленного бурения и рассчитывает один из вариантов зависимости стоимости метра пробуренного с применением методов, средств и технологий направленного бурения от интенсивности естественного искривления. В последующем все полученные результаты сводятся на одном графике, с помощью которого определяется наиболее эффективная технология по минимуму стоимости метра скважины.

· Для выполнения работы рекомендуется следующая литература [ 5, 8,9,10,12,13].

Как следует из анализа современного состояния техники и технологии управления направлением и кривизной скважин, задача частично или полностью может решаться следующими методами:

- периодической корректировкой направления скважины отклонителем;

- использованием закономерностей естественного искривления скважин;

- снижением интенсивности естественного искривления скважин технологическими методами, базирующимися на применении различных компоновок нижней части бурильной колонны, породоразрушающих инструментов, а также варьированием способами и параметрами режима бурения;

- управление направлением и кривизной скважин за счет дополнительного направленного породоразрушающего воздействия на забой и (или) стенку скважины, осуществляемые непосредственно в процессе углубки скважины при реализации основного способа бурения.

Эффективность выбранной технологии направленного бурения и технических средств ее реализации необходимо оценивать, во-первых, вероятностью надежного достижения поставленной цели по обеспечению проектного направления ствола, во-вторых, качественными параметрами кривизны, а в третьих, экономической эффективностью используемых методов и технических средств.

Для оценки экономической эффективности тех или иных методов и технических средств направленного бурения нужно определить себестоимость метра скважины пробуренной с использованием данных методов и средств.

Стоимость метра без учета затрат на направленное бурение и истирающие материалы и компоновки определяется из зависимости [13 ]:

, ( 66 )

где - стоимость одной станко-смены работы бурового агрегата без затрат на имеющиеся материалы и компоновки, руб.;

- продолжительность смены, ч;

- механическая скорость бурения, м/ч;

- время СПО и других операций, кратных одному рейсу, ч;

- углубка за рейс, м.

Учитывая, что в общем виде можно определить из зависимости:

, (67 )

где П – производительность бурения за одну станко-смену, м,

определим П:

, (68 )

где - коэффициент, учитывающий затраты времени на техническое обслуживание бурового оборудования;

- время на перекрепление шпинделя и наращивания бурильной колонны, кратных одному рейсу, ч;

- время на вспомогательные операции и специальные работы, связанные со спецификой применяемой технологии направленного бурения, кратных одному рейсу, ч.

Представим стоимость метра скважины с учетом затрат на направленное бурение, истирающие материалы и компоновки в следующем общем виде:

, (69)

где - затраты на постановку отклонителей, отнесенные к затратам на одну станко-смену, руб.;

- затраты на истираемые материалы и компоновки, отнесенные к затратам на одну станко-смену, руб.;

- затраты на разработку методики учета закономерностей естественного искривления, отнесенные к затратам на одну станко-смену, руб.;

- затраты на бурение интервалов увеличения или уменьшения длины стволов скважин, вследствие их заложения с упреждением по типовым кривым, отнесенные к затратам на одну станко-смену, руб.;

- потери производительности, связанные с направленным бурением за одну станко-смену, м;

Затраты определим из зависимости:

, (70 )

где - число постановок отклонителей, отнесенные к одно станко-смене;

- затраты соответственно на цикл искусственного искривления при наборе кривизны по количеству станко-смен, на амортизацию технических средств и аварийные работы, вызванные резкими изменениями угловых параметров скважины, поломками самих отклонителей, руб.

Число необходимых постановок отклонителей определим с учетом следующих параметров:

, ( 71)

где – интенсивность естественного искривления скважины, град/м;

- допустимая интенсивность искривления, определяемая из возможного предельного отклонения забоя скважины, град/м;

- угол набора кривизны за цикл искусственного искривления, градус;

- коэффициент снижения интенсивности естественного искривления при применении компоновки или технологии в сравнении с базовыми;

- коэффициент точности искусственного искривления, доли единицы;

- достоверность полученной типовой кривой, доли единицы.

При определении затрат исходим из того, что одновременно с набором кривизны происходит и углубка скважины. Отсюда зависимость для расчета получит вид:

, ( 72 )

где - продолжительность цикла искусственного искривления, ч;

- углубка скважины за цикл искусственного искривления, м.

Стоимость амортизации специальных технических средств, требуемых при искусственном искривлении, выражается формулой:

, (73)

где - соответственно стоимость отклонителя, снаряда для проработки искривления, ориентатора, породоразрушающих инструментов для реализации искусственного искривления и бурения без искривления интервала углубки за цикл, руб.;

- соответственно время работы вышеуказанных технических средств и инструментов за цикл искривления, ч;

- соответственно ресурс вышеуказанных технических средств и инструментов, ч.

Составляющую затрат определим из формулы [24]:

, (74)

где - среднее время ликвидации обрыва, ч;

- коэффициент, показывающий рост числа обрывов на 100 м бурения с искусственным искривлением по сравнению с бурением без искривления;

- среднестатистическое число обрывов бурильных труб при бурении без искривления на 100 м.

Затраты на ликвидацию аварий с отклонителями можно рассчитать используя коэффициент безаварийности , полученный в работе [5]. Исходя из вероятности поломки отклонителя, затрат времени на ликвидацию аварии получим:

. (75)

Стоимость породоразрушающих инструментов и компоновок определим из соотношения стоимости и ресурса новых и базовых технических средств и инструментов отнесенные к производительности:

, (76)

где - соответственно стоимость породоразрушающего инструмента и компоновки новых и базовых, руб.;

- соответственно ресурс породоразрушающего инструмента и компоновки новых и базовых, м.

Затраты на разработку методики учета закономерностей естественно искривления, отнесенные к одной станко-смене, получим из зависимости:

, (77)

где - затраты на разработку методики по учету закономерностей естественного искривления, руб.;

- объем бурения, выполненный при использовании, разработанной на соответствующие затраты, типовой кривой, м.

При заложении скважины с упреждением по типовым кривым, как правило, наблюдается удлинение стволов скважин против проектных значений. Затраты на бурение интервалов удлинения можно определить из формулы:

, (78)

где - фактический объем бурения решения геологической задачи, м;

- проектный объем бурения для решения геологической задачи, м.

Потери производительности вследствие работ по направленному бурению, определяются из зависимости:

, (79)

где - время на проведение инклинометрии, ч.

С учетом зависимости (79) производительность буровых работ с применением каких-либо технологий направленного бурения можно определить из зависимости:

, (80)

Зависимости (67-80), при включении их в формулу (69), дают возможность рассчитать стоимость метра для любого способа бурения и с применением различных технологий и технических средств направленного бурения. Для оценки эффективности двух или более различных технологий, методов и технических средств направленного бурения необходимо провести расчеты по зависимости (69) для каждого из рассматриваемых случаев и наиболее эффективную выявить по минимуму величины .

Как следует из анализа зависимости (69), наполненной входящими параметрами, глубокий минимум значения возможен при выполнении следующих условий:

-

-

- бурение скважин по типовым кривым, полученных с максимально возможной достоверностью и с наибольшим распространением по объему бурения;

- использование для проходки скважин компоновок обладающих высокой стабилизирующей способностью при минимальной их стоимости и максимальном ресурсе, а также повышающих основные показатели бурения - механическую скорость и рейсовую проходку;

- использование для искусственного искривления недорогих технических средств и инструментов реализовать кривизну ствола высокой точности, с высокой степенью надежности и в минимальные сроки;

- применение новых методов управления направлением и кривизной скважин непосредственно в процессе бурения, например, за счет ориентируемого направленного дополнительного породоразрушающего воздействия на забой и (или) стенку скважины.

Приведенные условия, для получения минимума , являются интегральными, так как включают сумму разнообразных параметров и факторов, а в целом отражают все основные тенденции совершенствования технологий и технических средств направленного бурения и позволяют оценить их в количественном выражении, что позволяет делать сравнительный анализ различных технологий и методов направленного бурения.

Например, на основании полученных зависимостей построены графики (рис. 47 ) в соответствии с данными разведочного бурения на одном из участков в ГРЭ-324 ПГО «Сосновгеология» [13].

В данной экспедиции при бурении верхних интервалов использовалось шарошечное бурение, себестоимость которого без учета затрат на направленное бурение составляла 7 руб./м (цены 1989 г) – линия 1 на рис. При использовании отклонителей (ТЗ-З), стоимость метра резко возрастает (заштрихованные области значений 2 и 5). Рост значений стоимости метра в этом случае определяется главным образом механической скоростью бурения, интенсивностью естественного искривления и значением коэффициента точности искривления.

При использовании стабилизирующих направление скважин компоновок (трехгранные и компоновки со смещенным центром тяжести поперечного сечения - КСМ) стоимость метра, значительно ниже (заштрихованная область значений З). Существенно снижает затраты на направленное бурение использование типовых кривых (область значений 4). Наиболее же рациональным на участке работ оказалось использование вместо шарошечного бурения, приводившего к интенсивному выкручиванию скважин, бурения пневмоударниками П-105, обеспечившего стабильное выкручивание скважин с некоторой корректировкой направления [32]. Применение пневмоударников П-105 позволило на отдельных участках полностью избавиться от использования отклонителей и выводить скважину на заданную траекторию с некоторым упреждением (на выполаживание) последующего искривления. Стоимость метра скважины в интервале работы П-105 составила 5,72 руб./м (расчет сделан по ценам 1988 года) за счет высокой производительности.

Сравнительная оценка технологий и методов направленного бурения показывает, что экономически невыгодно для проведения скважин по заданным трассам применение только отклонителей. Тем более невыгодно, чем выше производительность буровых работ и интенсивность естественного искривления. В такой ситуации резко снижается эффективность современных высокоскоростных технологий бурения. В то же время наглядно проявляется выгодность технологических методов управления процессом естественного искривления скважин. Очевидно, что оптимальным будет решение, при котором активно используются методы снижения интенсивности и учет закономерностей естественного искривления при различных способах и технологиях бурения в сочетании с методами искусственной корректировки направления скважин. Причем первые призваны существенно или в основном снизить искривление скважин, а вторые гарантированно обеспечить подсечение залежей полезных ископаемых и других геологических структур в заданных точках, в том числе при бурении многоствольных скважин.

10. Основы кернометрии.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЛЕГАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД

ПО КЕРНУ

Цель работы:

Ø Изучить основы кернометрии и методики определения элементов залегания горных пород по керну.

Ø Изучить основные способы отбора ориентированного керна и типы керноскопов.

Ø Научиться по имеющимся данным: углу керноскопа, зенитному и азимутальному углам определять элементы залегания горных пород – угол падения и азимут простирания.

· Объем работы – 2 часа.

· Для выполнения работы рекомендуется следующая литература [ 11,19 ].

· Выбор данных для выполнения работы производится в соответствии с приложением 5.

Ориентированный керн –керн с нанесенной на его поверхность меткой, положение которой зафиксировано относительно оси и апсидальной плоскости скважины. Наличие такой метки в совокупности с информацией о значениях зенитного и азимутального углов позволяет определить элементы залегания горных пород на глубине, с которой поднят керн.

Метки наносятся на торцовую часть керна сверлением забоя скважины(рис. 48 а),

на боковую сторону керна царапанием (рис. 48 б),

выбуриванием части торца керна (рис. 48 в).

В последнем случае метка образуется при забуривании пилот-скважины при реализации искривления отклонителями клинового типа – СО, СНБ-КО и др. (см. работу 2).

В качестве метки может использоваться отпечаток скола торца

керна. Существуют методы, при которых ориентированный керн отбирается без нане-сения метки [19].

Для получения ори-ентированного керна используют специальные устройства – керноскопы и керноориентаторы. В ряде случаев используются для отбора ориентированного керна клиновые отклонители. В горизонтальных скважинах можно получить ориентированный керн обычным буровым набором [19].

В общем случае устройства для получения ориентированного керна состоят из двух узлов:

-узла для нанесения метки на керн (маркирующий узел);

-узла ориентирования керна, с помощью которого фиксируют пространственное положение метки.

Нанесение метки сверлением забоя осуществляется такими известными керпоскопами как К-5, КО, КС-1, КС-2 [ 19 ].

Нанесение метки царапанием боковой поверхности керна осуществляется разработанными в опытно-методической партии новой техники ПГО «Иркутскгеология» керноскопами КС И КШ (рис. 49).

Керноскоп КС представляет собой съемную керноприемную трубу для комплексов ССК или КССК и включает колонковую трубу 1, корпус кернорвателя 2 с кернорвательным кольцом и детали подшипникового узла 3 и 4. Дополнительно керноприемник оборудован жидкостным апсидоскопом 5 – ориентатором отбираемого керна и резцом 6 для нанесения метки на боковую поверхность керна. Апсидоскоп 5 представляет собой герметичную емкость объемом, примерно100 мл, внутри которого размещен полированный металлический стержень. Внутрь апсидоскопа 5

перед спуском керноскопа в скважинку заливается раствор медного купороса.

Керноскоп КШ выполнен на базе двойной колонковой трубы и включает коронку 1, подшипниковый узел 2, узел шарикового

апсидоскопа 3, в котором основными элементами являются свинцовая печать 4 и шарик 5. Узел нанесения метки включает кернорвательное кольцо 6 и резец для нанесения метки 7.

Керноскоп КС может применяться только в наклонных скважинах и работает следующим образом.

Снарядом ССК или КССК, в котором отсутствует кернорвательное кольцо, выбуривается керн ограниченной длины (10-20 см). После этого керноприемная труба извлекается на поверхность, а на ее место спускается подготовленный для работы керноскоп. Керноскоп при посадке на выбуренный керн резцом 6 наносит метку на боковую поверхность керна. После этого керноскоп оставляют в покое на 25-30 минут для того, чтобы образовался след залитой в емкость апсидоскопа 5 жидкости на поверхности стержня апсидоскопа 5. След образуется вследствие осаждения на поверхность стержня апсидоскопа 5 меди из раствора Cu₂SO₄. В наклонной скважине след поверхности жидкости на поверхности стержня апсидоскопа образует овал, через большую ось которого проходит апсидальная плоскость (см. рис. 3). Поскольку угол между направлением на север и апсидальной плоскостью - азимутальный угол, полученная на керне метка с привязкой к апсидальной плоскости дает возможность определить необходимые элементы залегания слоев породы, ориентировку элементов структуры и текстуры, трещин и т.д. (см. рис. 50) по имеющимся значениям азимутального и зенитного углов.

Керноскоп КШ может применяться также только в наклонных скважинах и работает следующим образом.

Предварительно стандартным колонковым набором без кернорвательного кольца на забое скважины выбуривается керн. После извлечения колонкового набора из скважины спускается керноскоп КШ. В момент посадки на выбуренный керн резец 7 наносит метку на боковую поверхность керна. В то же время кернопримная труба, подпружиненная относительно корпуса, при посадке на керн приподнимается и сориентированный под действием собственного веса относительно апсидальной плоскости шарик 5 , соприкасаясь со свинцовой печатью 4, оставляет отпечаток, фиксируя положение апсидальной плоскости (см. рис.51 ), поскольку в данном случае апсидальная плоскость определяется как вертикальная плоскость проходящая через центр отпечатка шарика 5 на свинцовой печати 4 и центр печати 4. Таким образом, определяется угол керноскопа α_к, азимутальный угол α и устанавливается связь этих угловых параметров, а также зенитного угла с элементами залегания горных пород.

Определение элементов залегания горных пород после извлечения ориентированного керна из скважины и определения угла керноскопа (производится сразу после подъема керна) производится с использованием кернометров и гониометров. Известны различные конструкции таких приборов (КР, ПТ и др.)

[19] , но в своей основе это средства обеспечивающие фиксацию ориентированного керна в устройстве, возможность его вращения в трех направлениях с последующей фиксацией заданных угловых параметров:

§ вокруг собственной оси – при фиксации положения апсидальной плоскости;

§ в вертикальной плоскости для установки керна под заданным зенитным углом;

§ по направлениям стран света для установки заданного азимутального угла.

После установки всех угловых параметров - α_к, θ и α , относящихся к ориентированному керну , его фиксируют окончательно и определяют с помощью горного компаса углы падения и простирания имеющихся на керне слоев породы.

При выполнении заданиянужно выполнить схему ориентированного керна, на которой показать во взаимосвязи все заданные угловые параметры, в том числе и элементы залегания горных пород.

v Терминология

Ø Кернометрия– комплекс работ, которые позволяют получить сведения об элементах залегания горных пород по ориентированному керну.

Кернометрия включает две основные технологические операции:

- отбор ориентированного керна;

- определение залегания (угла падения и азимута) слоев, прожилков, трещин и других, видимых на керне или в ориентированных шлифах элементов горной породы.

Ø Шлиф – подготовленный для исследований под микроскопом образец горной породы в виде тонкой полированной пластины.

Ø Керноскоп или керноориентатор– устройство для отбора ориентированного керна.

Ø Апсидоскоп– конструктивный элементкерноскопа для определения положения апсидальной плоскости.

Ø Кернометр или гониометр– устройство для работы с ориентированным керном при определении элементов залегания горной породы.

Список литературы

1. Зиненко В.П. Направленное бурение. Учебное пособие. М., Недра, 1990 г. - 52 с.

2. Калинин А.Г., Григорян Н.А., Султанов Б.З. Бурение наклонных скважин. Справочник. М., Недра, 1990 г. - 348 с.

3. Калинин А.Г., Соловьев Н.В., Ошкордин О.В. и др. Разведочное бурение. Учебник. М., Недра, 2000 г. – 747 с.

4. Костин Ю.С. Современные методы направленного бурения скважин. М., Недра, 1981.- 152 с.

5. Кривошеев В.В. Искривление скважин в анизотропных породах. Томск, ИТЛ, 1999 г. - 240 с.

6. Лиманов Е.Л., Страбыкин И.Н., Елизаров М.И. Направленное бурение разведочных скважин. М., Недра,- 1978 г.- 314 с.

7. Морозов Ю.Т. Бесклиновые скользящие снаряды для алмазного направленного бурения. Л., Недра.-1981 г.-110 с.

8. Морозов Ю.Т. Методика и техника направленного бурения скважин на твердые полезные ископаемые. Л., Недра, 1987 г. - 221 с.

9. Мельничук И.П. Бурение направленных и многоствольных скважин. М., Недра, 1991 г.- 221 с.

10. Нескоромных В.В. Направленное бурение и основы кернометрии: учеб. пособие/В.В.Нескоромных. – Красноярск. СФУ, 2012 г., 328 с.

11. Справочник по бурению геологоразведочных скважин.-СПб.: ООО «Недра», 2000 г.-712 с.

12. Сулакшин С.С. Направленное бурение. М., Недра, 1987 г. -

272 с.

13. Юшков А.С. Кернометрия.- М.: «Недра», 1989 г.- 224 с.

Приложение №2

Варианты выполнения работы №2

Номер варианта
Параметры расчета
D_д,мм		215,9	190,5		188,9	214,3	214,3	244,5	244,5	190,5	215,9
D_т,мм
L_т, м	3,2	7,8	6,9	4,5	7,0				6,5	7,0	9,7
D_н,мм
d_в_,мм
α_п, градус	1,5	2,0	2,5	3,0	1,0	3,0	2,5	1,5	3,5	3,0	2,0
Номер варианта
Параметры расчета
D_д,мм	190,5	190,5		244,5	244,5	250,8	215,9	269,9	250,8	142,9	188,9
D_т,мм
L_т, м	7,5	5,0	4,5	9,0	10,5	11,0	7,6	10,0	9,5	5,5	4,5
D_н,мм
d_в_,мм
α_п, градус	2,5	2,0	1,5	3,0	2,5	3,0	1,5	2,0	2,5	3,5	2,5

Продолжение приложения №2

Номер варианта
Параметры расчета
D_скв,мм						112,8	93,5	76,2	59,1	46,1	60,0
D_н,мм
l, м	6,7	7,0	6,0	5,5	6,0	5,0	8,0	6,8	6,5	4,5	5,3
d_в_,мм								60*	45*	35*	45*
i, градус/метр	1,0	1,2	1,4	1,9	1,5	0,6	2,0	2,3	1,4	2,5	2,3
Номер варианта
Параметры расчета
D_скв,мм					59,5	60,3			76,5
D_н,мм
l, м	4,5	4,3	5,6	6,5	5,5	6,0	7,0	7,0	4,6	7,6	4,5
d_в_,мм				35*	45*				60*
i, градус/метр	1,2	1,7	2,4	2,1	2,4	1,5	1,3	2,3	1,7	2,5	1,5

*- звездочкой отмечены размеры труб ССК.

Приложение 3*

Технические средства, горная порода
	А	Б	В	Г	Д	Е	Ж	З	И	К
Отклонитель	ОНД-59	СБС-59	ТЗ-З-59	ТЗ-3П-59	КЕДР-76	ОНД-46	ОГМ-59	СНБ-КО-59\46	ОБС-59	СОАЭРУ-59\46
Ориентатор	УШО	ЛУЧ	ОП	ОП		ЛУЧ	ШОК	ШОК	КУРС	ШОК
Горная порода	Гранодиорит, IX кат., монолит	Сланец, VIII кат., анизотр.	Гранит, Х кат.	Долерит, IX кат.
Зенитные углы, градус
Начальный
Конечный
Фактический
Азимутальные углы, градус
Начальный
Конечный
Фактический

Продолжение приложения 3

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 12 13 141516 Следующая ⇒

Технические средства
	Л	М	Н	О	П	Р	С	Т	У	Ф
Отклонитель	ОНД-59	СБС-59	ТЗ-З-59	ТЗ-3П-59	КЕДР-76	ОНД-46	ОГМ-59	СНБ-КО-59\46	ОБС-59	СОАЭРУ-59\46
Ориентатор	ЛУЧ	ЛУЧ	ОП	ОП		ЛУЧ	УШО	ШОК	КУРС	ШОК
Зенитные углы, градус
Начальный