Чупров А.Л. «ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО СПОСОБА ПРОМЫВКИ СКВАЖИН И АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ»

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО СПОСОБА ПРОМЫВКИ СКВАЖИН И АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Автор: магистр ГГФ ДонНТУ Чупров А.Л., научный руководитель доц. к. т. н. Филимоненко Н.Т.

Нормальное функционирование производственного комплекса промышленных регионов Украины в настоящее время невозможно без использования собственных топливно-энергетических ресурсов. В этом плане перспективным является извлечение метана, находящегося в газоносных песчаниках карбона, распространенных в геологических отложениях Донбасса. Интенсификация процессов поиска и отработки таких ресурсов неизменно связана с нарушением целостности структуры породного массива, изменением его физических и химических свойств. В большинстве случаев это приводит к прямому ухудшению техногенной обстановки в пределах разрабатываемых участков и региона в целом.

Рис. 1 - Схема создания прямой внутрискважинной пульсирующей промывки
1 - бурильные трубы; 2 - поплавковый клапан; 3 - вытеснительная камера; 4 - нагнетательный клапан; 5 - всасывающий клапан; 6 - скважина; 7 - шламовая труба; 8 - колонковая труба; 9 - керн; 10 - породоразрушающий инструмент.
Большинство скважин сооружается в условиях поглощения промывочной жидкости в проницаемые зоны, имеющие геологическую и техногенную природу. Это сопряжено не только со значительными затратами на ее воспроизводство и доставку, но и с загрязнением породных толщ токсичными веществами, входящими в состав используемых промывочных агентов.

Изучение геологических разрезов скважин, сооружаемых в Донбассе, показывает, что 48 % разреза составляют проницаемые зоны. Из них более половины имеют техногенную природу. При бурении в таких условиях поглощение промывочной жидкости носит катастрофический характер и приводит к удорожанию погонного метра сооружаемой скважины примерно на 16-20 %. Кроме этого, сам процесс сооружения скважины негативно влияет на экологическое состояние природной среды. Масштабные техногенные и природные нарушения в структуре массивов горных пород региона сильно обостряют экологический аспект ведения любых работ, нарушающих сплошность горного массива.

Все вышесказанное тормозит расширение и использование собственных энергетических ресурсов, а так же отрицательно влияет на технико-экономические показатели геологоразведочных организаций, находящихся в настоящее время в тяжелейшем экономическом положении. Поэтому, сегодня необходимы экологически чистые, ресурсосберегающие, и безопасные технологии, позволяющие бурить в проницаемых зонах.

Большой интерес представляет внутрискважинная пульсирующая промывка, создаваемая погружным пневматическими вытеснителями. Она экологична, поскольку осуществляется естественным очистным агентом без специальных реагентов, практически весь спектр которых токсичен. При ее реализации в скважине поддерживается такой уровень промывочной жидкости, который сводит к минимуму ее поглощение а, следовательно, и переток жидкости по трещинам проницаемой зоны с последующим перемешиванием водоносных горизонтов.
Этот способ промывки экономичен, так как нет необходимости доставки на объект работ промывочной жидкости. Выигрывает он и в плане безопасности так как, если проницаемая зона обусловлена влиянием действующей горной выработки, бурить с использованием стандартной схемы промывки, предусматривающей подачу бурового раствора в скважину с поверхности, вообще недопустимо, поскольку можно затопить пространство, где проводятся горные работы.

Изучением пульсирующей внутрискважинной промывки и разработкой пневматических пульсационных насосов в разное время занимались в России Бажутин А.Н. и Шолохов Л.Г., Большаков В.В. (Уральская государственная горно-геологическая академия г. Екатеринбург). На Украине исследования проводятся в Донецком национальном техническом университете под руководством Филимоненко Н.Т. при непосредственном участии автора.

Схема пульсирующего способа промывки показана на рис. 1. Она создается путем периодического вытеснения жидкости из погружной вытеснительной камеры 3 через нагнетательный клапан 4 на забой скважины 6 сжатым воздухом, подающимся по колонне бурильных труб 1. После завершения вытеснения (активной части рабочего цикла пневматического вытеснителя) камера 3 заполняется через всасывающий клапан 5 за счет гидростатического давления столба жидкости на его уровне. В это время промывка забоя отсутствует (пассивная часть рабочего цикла пневматического вытеснителя). Таким образом, внутрискважинная циркуляция носит пульсирующий характер.

В ходе проделанной работы реализуется возможность прогнозирования и анализа процессов, протекающих в пульсирующем восходящем потоке неьютоновской структурированной жидкости на основе известного закона изменения кинетической энергии материальной системы («энергетический подход»). Получены дифференциальные уравнения кинетической энергии жидкости для каждого этапа рабочего цикла пульсационного насоса, использующегося для создания внутрискважинной пульсирующей промывки. Решение их позволяет прогнозировать интенсивность внутрискважинного пульсирующего циркуляционного процесса. Перспективность энергетического подхода заключается в том, что он позволяет учесть изменение факторов, не имеющих постоянного значения во времени. Все эти факторы учтены в дифференциальных уравнениях каждого этапа рабочего цикла пульсационного насоса, однако, изменение параметров системы (режимов течения жидкости, глубины скважины и т. д.), приводит к необходимости многократного повторения расчетов, требующих высокой точности. Оперативность и быстродействие анализа призвана обеспечить полная автоматизация расчетов. В этом плане и проводятся работы.

Предлагается алгоритм наиболее рациональной обработки поступающей информации о системе и получения данных, характеризующих ее работу.
Пульсационная промывка реализуется с использованием воздухораспределителей: с погружным и наземным воздухораспределителем. Каждый из них имеет ряд особенностей и, в некоторых условиях, одни являются предпочтительнее других. Алгоритм учитывает возможность применения любого из них. Упрощенная модель алгоритма приведена на рис. 2.

Схема с погружным воздухораспределителем

Рисунок 2. Алгоритм расчета пульсационной промывки с применением воздухораспределителя

Как видно из алгоритма, вычислительный процесс разбит на три основных этапа, выходные данные, на каждом из которых, являются начальными для следующего. Данные, получаемые о работе последнего этапа, являются результирующими для всей системы в целом. Задачи, поставленные таким алгоритмом, решаются с помощью методов численного интегрирования и должны реализовываться полностью автоматически. Использование его в производстве может появиться лишь при условии приведения к системе «ввод исходных параметров - вывод результатов анализа». Это позволит конкретному технологическому отделу, занимающемуся планированием и организацией работ, оперативно определять необходимость применения пульсирующей промывки в производственном процессе, узнать предположительные результаты таких действий и все возможные выходные данные.

Путь промышленно-индустриального прогресса связан с множеством препятствий, имеющих природный или антропогенный характер. Не стоит забывать, что методы, с помощью которых мы их преодолеваем, далеко не всегда безопасны для окружающей среды и нас самих. Упорное нежелание обращать внимание на вредный характер своей деятельности со стороны человека может привести к экологической катастрофе, масштабы которой сейчас сложно предположить или оценить.

Результаты работы по модернизации процессов сооружения скважин позволяют надеяться, что уже в скором времени перспективная и экологически безопасная технология пульсирующей промывки с пневматическим вытеснителем будет по достоинству оценена в производстве и поможет решить многие народнохозяйственные задачи.

Библиографический список

Яковлев А.М., Мураев Ю.Д., Афанасьев И.С. и др. Пенистые промывочные жидкости для очистки скважин. - Разведка и охрана недр, 1978. — № 6. — С. 29–31.
Филимоненко Н.Т., Пилипец В.И. Некоторые результаты производственных испытаний технологии бурения скважин с применением погружного пневмонасоса. — Донецк: ДПИ, 1984. — 10 с. -Деп. В УкрНИИНТИ 12.10.1984 N1734 Ук.84.
Филимоненко Н.Т. О возможности прогнозирования локализации шлама по длине столба жидкости за время рейса бурения при призабойной пульсирующей промывке скважин Науковий вісник національної гірничої академії України, №4. — Дніпропетровськ, 2000. — С. 86–88.
Филимоненко Н.Т., Комарь П.Л. К вопросу прогнозирования интенсивности призабойной пульсирующей промывки применительно к неньютоновской жидкости. // Совершенствование техники и технологии бурения скважин на твердые полезные ископаемые, 1993. — Вып.16. — С. 40–49.