СТОСОВНО ДО ПИТАННЯ ПОГЛИБЛЕННЯ ТЕРЕТИЧНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ВІБРАЦІЙНОГО І УДАРНО-ВІБРАЦІЙНОГО БУРІННЯ ПІДВОДНИХ СВЕРДЛОВИН

Русанов В.А., Парфенюк С.М. стосовно до питання поглиблення теретичних досліджень вібраційного і ударно-вібраційного буріння підводних свердловин// Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Випуск 54 / Редкол.: Башков Є.О. (голова) та інші. - Донецьк, ДонНТУ, 2002. - 212 с.

Однією з найважливіших задач морських геологорозвідувальних і інженерно-геологічних досліджень на шельфі є буріння підвідних свердловин різного призначення. У загальному комплексі морських геологорозвідувальних робіт важливе місце займає однорейсове буріння неглибоких свердловин на тверді корисні копалини. Для буріння неглибоких свердловин у верхньому шарі морського дна, як у вітчизняній практиці, так і за кордоном, знаходять застосування різного типу легкі технічні засоби із глибиною буріння від 4 до 6 метрів у залежності від характеру відкладень [1, 2, 3].

У ДонНТУ розроблено гідроударний буровий снаряд з вбудованим насосним блоком одинарної дії, на базі якого створені заглибні установки однорейсового буріння ПГУ-72, ПУВБ-150, УГВП-130(150). Експлуатаційні і технічні характеристики останніх забезпечують не тільки збільшену довжину випробування (8 м), але і можливість експлуатації з бурових судів, які мають невеличкі вільні палубні простори і малогабаритні вантажопідйомні засоби [4].

Основним виконавчим органом установки є заглибний пробовідбірник, який складається з подвійного колонкового снаряду і гідроударного механізму (ГМ) з диференційним поршнем і двоклапанним розподілом робочої рідини, що генерує ударні імпульси. Заглиблення колонкового набору в ґрунт відбувається під дією чотирьох факторів: ударних імпульсів, вібрації колонкового снаряду, розмиву стінок свердловини і безінерційного навантаження. Заглиблення полегшується виникненням додаткового навантаження за рахунок зниження тиску усередині керноприймальника при роботі насосного блоку гідроударника [4].

Таким чином, принциповою відмінністю розробленого пробовідбірника від існуючих є використання комбінованого ударно-вібраційного способу буріння з інтенсивним розмивом стінок свердловини, що сприяє різкому зниженню бічного тертя і, як наслідок, зусилля витягу, яке не перевищує ваги установки. Усе це дає можливість значно збільшити рейсове заглиблення і механічну швидкість буріння.

У результаті проведених у ДонНТУ аналітичних досліджень заглибних бурових снарядів (ЗБС) УГВП-130(150) отримано залежності для визначення величини переміщення, швидкості й енергії удару бойка. Знайдено значення оптимальної маси бойка, що забезпечують одержання максимальної енергії удару при різних параметрах потоку рідини і переміщеннях поршня гідроударного механізму [5]. Експериментальні і промислові дослідження ЗБС при веденні робіт на морських шельфах Чорного моря, морів Далекого Сходу і Крайньої Півночі підтвердили високу ефективність ЗБС із комбінованим способом занурення пробовідбірника в пухкі відкладення.

Однак питання технології буріння підвідних свердловин, особливо в незв'язних відкладеннях піщано-глинястого комплексу, освітлені в науково-технічній літературі не досить повно. Проведені дослідження базуються на значному числі грубих припущень і, незважаючи на те, що дають дуже гарні практичні результати, не мають переконливої наукової бази [6, 7].

Відповідно до роботи [6] технологічними параметрами режимів буріння підвідними колонковими установками варто вважати:

Усі вони тією або іншою мірою впливають на ефективність руйнування породи на вибої підвідної свердловини, рейсове заглиблення ЗБС і схоронність кернової проби.

Найбільш переконливі дослідження присвячені процесу взаємодії башмака пробовідбірника із середовищем, що руйнується. Відповідно до роботи [8] для успішного втілення пробовідбірника необхідно, щоб зусилля W, яке переміщає башмак униз, задовольняло нерівності

Розрахунки установок УГВП-130(150) і ПУВБ-150 показують, підбором оптимального сполучення робочих і конструктивних параметрів ГМ можна досягти значення W, що забезпечує заглиблення колонкового снаряду в породи I - IV категорій з буримості з прошарками більш твердих порід [5, 6, 8]. Частотою ударів бойка ГМ визначається частота змушених коливань керноприймальної труби, що забезпечує як полегшене заглиблення останньої в незв'язні ґрунти, так і зниження тертя між стовпчиком кернової проби і внутрішньою поверхнею керноприймальної труби.

Витрата зворотного промивання через вбудований насос одинарної дії визначає, як показано в роботі [6] схоронність кернової проби, довжину рейсового поглиблення і механічної швидкості буріння.

У даній роботі прийнято, що прилягаючий до бурового снаряда шар ґрунту під впливом сприйманих від ГМ коливань стає подібним глейкій рідині. Цей шар умовно розділяється на виброкиплячий і вибророзріджений. Товщина їх може змінюватися в залежності від властивостей гірської породи. Згідно [9] товщина першого не перевищує 2d0, а другого (3...8)d0. Недолік такого допущення полягає в тому, що в роботі [9] розглядалася передача вібрації дисперсному середовищу від горизонтальної і слабкопохилої поверхонь. У випадку ж упровадження керноприймального снаряду в ґрунт (чи надходження керну в трубу) спостерігається зіткнення незв'язних часток з вертикальною вібруючою поверхнею. Проілюструвати неприпустимість механічного переносу однієї моделі взаємодії вібруючої поверхні і ґрунту на іншу можна за допомогою аналізу системи рівнянь [10], що описують рух частки довільної форми на площині, нахиленої до обрію під кутом a, яка виконує гармонійні коливання в напрямку, що утворює кут b з горизонтальною площиною (див. рис. 1.).

(1)

Для випадку a=00 b=900 (горизонтальна поверхня):

(2)

Для випадку a=900 b=00 (вертикальна поверхня):

(3)

В обох розглянутих випадках напрямок осі X збігається з утворюючою коливної поверхні, а вісь Y перпендикулярна їй.

Згідно [10], умова, при якої частка дійсно залишається на вібруючій площині можна записати як:

(4)

У випадку системи рівнянь (4) у правій частині нерівності виникає невизначеність виду . Таким чином рух частки, що контактує з вертикальною вібруючою поверхнею, не можна описувати системами рівнянь (2) і (4). Вирішити задачу поводження шару ґрунту, що прилягає до стінки вертикальної вібруючої труби можна, установивши закон взаємодії одиничної частки зі стрижнем, що здобуває вигибні коливання від дії вертикальної сили, яка періодично змінюється .

У загальному випадку підвідні пробовідбірники складаються з заглиблювача 1, що генерує періодичну силу, колонкового набору 2, який складається з породоруйнівного інструменту (башмаку) і керноприймальної труби, і стабілізуючого пристрою 3 (рис. 2а).

У процесі занурення пробовідбірника силове збурювання від заглиблювача передається до башмаку по керноприймальній трубі у виді подовжньої хвилі. Поряд з подовжніми коливаннями в буровому снаряді при додатку періодичної сили виникають коливання вигибні [11], що мають форму поперечної хвилі. Точний механізм впливу складного коливання бурового снаряду на контактуючі з ним частки ґрунту залишається усе ще спірним питанням.

Виникнення віброзмененого шару дозволяє знизити значною мірою силу тертя керна об внутрішню поверхню колонкової труби, віддаляючи тим самим початок пальового ефекту і збільшує схоронність проби. Разом з тим вібрація керноприймальної труби завдає і негативного впливу на керн, який відбирається, пересортовуючи його і порушуючи природні фізико-механічні властивості.

Особливо сильним цей негативний вплив буде при настанні резонансу в стрижневій системі, якою для спрощення розрахункової схеми можна замінити керноприймальну частину пробовідбірника.

Задача про наявність і інтенсивність зворотного промивання, створюваного насосним блоком одинарної дії, також вимагає більш строгого уточнення, ніж у проводилося раніше. У роботі [6] прийняте припущення про наявність постійного потоку рідини в зазорі між внутрішньою поверхнею керноприймальної труби і керном, немов у кільцевому зазорі, що припиняється з моменту настання пальового ефекту. У той час як, сам принцип дії насосного блоку припускає періодичність плину (поділу на фази усмоктування - розгону рідини і витиснення - її гальмування).

Навіть при наявності спеціальних змін у конструкції керноприймальній частини установки УГВП-130(150), що сприяють формуванню і підтримці кільцевого зазору, остання являє собою простір, насичений частками ґрунту, які відриваються від поверхні керну за рахунок ослаблення сил зчеплення при вібрації та(або) розмиву поверхні керну потоком води. Ці частки підхоплюються потоком рідини в період усмоктування й осідають у період витиснення. Дослідження зворотного промивання з цього погляду не вироблялися.

Таким чином подальші дослідження технологічних параметрів буріння підвідних свердловин у незв'язних ґрунтах снарядом з гідроударним приводом потрібно вести в наступних напрямках:

1. Побудова математичної моделі коливального процесу керноприймальної труби (для спрощення - вертикального стрижня).

2. Дослідження кінематики і динаміки взаємодії частки ґрунту з коливним стрижнем.

3. Дослідження динаміки потоку рідини в кільцевому зазорі у фазі витиснення насосного блоку.

4. Побудова закону руху частки ґрунту в несталому потоці рідини. Вирішення цих задач дозволить:

1. Більш точно установити вплив частоти ударів заглиблювача на товщину виброзміненого шару.

2. Уточнити методику визначення необхідної витрати промивної рідини в кільцевому зазорі.

3. Підібрати таке сполучення технологічних параметрів режиму гідроударного буріння, що дозволить забезпечити максимальне рейсове заглиблення, механічну швидкість буріння й одержання схоронної кернової проби.

Бібліографічний список

1. Шелковников И.Г., Лукошков А.В. Технические средства подводного разведочного бурения и опробования. - Л.: Изд - во ЛГУ, 1979. - 224 с.

2. Лукошков А.В. Техника исследования морского дна. - Л.: Судостроение, 1984. -264с.

3. Смолдырев А.Е. Методика и техника морских геологоразведочных работ. - М.: Недра, 1978. - 303 с.

4. Применение погружных автономных установок для однорейсового бурения подводных скважин / Калиниченко О.И., Коломоец А.В., Квашин Е.В., Каракозов А.А., Тарарыева Л.В., Александров Г.С. - М., 1988. - 45 с. - (Техника и технол. геол.-развед. работ; орг. пр-ва. Обзор/ВНИИ экон. минер. сырья и геол.-развед. работ (ВИЭМС). Вып. 2)

5. Калиниченко О.И., Каракозов А.А. Забойные буровые машины и механизмы. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - 125 с.

6. Русанов В.А. Обоснование рациональных технологических режимов ударно-вибрационного бурения подводных скважин.- Дис.... канд. техн. наук. - Днепропетровск, 1999. - 150 с.

7. Калиниченко О.И., Каракозов А.А. Исходные данные для проектирования оптимального сочетания конструктивных и рабочих параметров ударно-вибрационных буровых механизмов // В сб. "Бурение скважин в осложненных условиях". - Донецк: ДонГТУ, 1996.- С.32-37.

8. Шелковников И.Г. Использование энергии удара в процессах бурения. - Л.: Недра, 1977. - 159 с.

9. Членов В.А., Михайлов Н.В. Виброкипящий слой. - М.: Недра, 1972, - 254 с.

10. Блехман И.И., Джанелидзе Г.Ю. Вибрационное перемещение. - М.: Наука, 1964. - 412 с.

11. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1980, 270 с.