Инновационные технологии сооружения геологоразведочных скважин в сложных геологических условиях на основе водорастворимых полимеров

В настоящее время во всём мире всё более актуальное значение имеет использование подземных вод для нужд промышленности, сельского хозяйства, коммунального хозяйства и, прежде всего, питьевого водоснабжения.

Особая роль в этом ряду принадлежит удовлетворению питьевых потребностей населения. Это обусловлено всё более нарастающим отрицательным воздействием техногенного и антропогенного факторов на поверхностные ресурсы пресных вод. Никакие современные технологии неспособны очистить весь спектр загрязнений, содержащихся в поверхностных водах. Кроме того, вода эта — «мёртвая», потерявшая свои особые структурные свойства.

Сейчас ни у кого нет сомнений, что подземная вода является ценнейшим полезным ископаемым, значение которого стремительно нарастает.

Поэтому в Российской Федерации в настоящее время осуществляется особая политика по развитию водоснабжения населения на основе пресных подземных вод.

В 2006 году вышло Постановление Правительства РФ «Об утверждении правил резервирования источников питьевого водоснабжения» № 703, в котором декларируется необходимость обеспечения подземной водой (именно — защищенными источниками водоснабжения!) крупных и средних городов России.

В Приволжском федеральном округе Коллегией аппарата Уполномоченного представителя Президента РФ 26.12.2008 г. принято Постановление «О состоянии экологической безопасности на территории субъектов РФ, находящихся в пределах ПФО», где также констатируется острая необходимость обеспечения больших и средних городов защищенной от внешнего воздействия подземной водой.

Аналогичные решения приняты и руководителями других федеральных округов России, а также руководством большинства субъектов Российской Федерации. Например, г. Москва осуществляет большую программу по расширению объёма водоснабжения из подземных источников.

Наконец, в 2010 г. по инициативе партии «Единая Россия» принята программа «Чистая вода». /?*%.

Буровые скважины являются основным элементом систем добычи подземных вод.

Таким образом, актуальность разработки рациональных, эффективных технологий сооружения скважин на воду приобретает особое значение.

Известно, что более половины (по некоторым данным — до 60%) используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения подземных вод приурочено к рыхлым неустойчивым песчано-гравийным отложениям.

Вместе с тем, существующие технологии сооружения скважин, вскрытия и освоения водоносных горизонтов в таких условиях с применением глинистых промывочных жидкостей, технической воды, ударно-канатного способа либо не обеспечивали надлежащего уровня освоения водоносных горизонтов, либо отличались высокой аварийностью и металлоёмкостью, либо низкой производительностью буровых работ.

Поэтому различным проблемам и аспектам сооружения скважин в таких условиях уделялось большое внимание, именно на них автор сосредоточил направление своих исследований. При этом он опирался на фундаментальные разработки в области теории и технологии бурения скважин, выполненные в разные годы Н. И. Куличихиным, Б. И. Воздвиженским, Ф. Н. Шамшевым, С. А. Волковым, Е. Д. Эпштейном, К. Г. Володченко, С. С. Сулакшиным, Е. А. Козловским, А. Г. Калининым, Б. Б. Кудряшовым, Б. М. Ребриком, А. Г. Грабчаком, В. Г. Кардышем, В. М. Питерским, А. Т. Киселёвым, Л. К. Горшковым, М. А. Комаровым, О. В. Ошкординым, В. П. Онищиным и др. ,.

Если иметь в виду исследование, разработку и внедрение высокоэффективных технологий сооружения именно скважин на воду, то большой вклад внесли В. С. Алексеев, А. Д. Башкатов, Д. Н. Башкатов, В. М. Беляков, Ю. Е. Будюков, И. Ф. Володысо, Э. М. Вольницкая, В. М. Гаврилко, В. Г. Гребенщиков, С.М. Гуль-янц, C.JI. Драхлис, А. И. Деревянных, A.C. Дерман, E.H. Дрягалин, В. М. Касаткин, Г. П. Квашнин, М. Н. Клементов, A.M. Магурдумов, Ю. М. Носовский, Ю. А. Олоновский, М. Т. Оноприенко, A.B. Панков, Ю. М. Парийский, В. А. Роговой, Н. И. Сердюк, Н. В. Соловьёв, В. М. Сутягин, А. Г. Тесля, В. П. Ткаченко, А .Я. Третьяк, М. И. Фазлуллин и др.

Необходимо отметить, что автором значительнее внимание было уделено анализу и научной разработке различных проблем и задач, касающихся очистных агентов, созданию эффективных типов буровых растворов и технологий их применения.

При этом им использовались основополагающие исследования К.Ф. Жига-ча, С. Н. Ятрова, Б. И. Есьмана, Р. И. Шищенко, Б. С. Филатова, С. Ю. Жуховицкого, O.K. Ангелопуло, Н. С. Пауса, А. Х. Мирзаджанзаде, А. И. Булатова, А. К. Козодоя, Э. Г. Кистера, А. Я. Рязанова, H.A. Гукасова, В. И. Рябченко, A.M. Яковлева, Л. М. Ивачёва, В. В. Куликова, Л. В. Макарова, Е. Г. Леонова, Б. И. Мительмана, Н. Ф. Семенко.

Одна из главных задач, которую поставил перед собой автор, это разработка эффективных технологий бурения гидрогеологических скважин в сложных условиях рыхлых неустойчивых песчано-гравийных отложений на базе создания, исследования свойств и применения безглинистых полимерных промывочных жидкостей, которые, с одной стороны, обеспечивали бы устойчивость стенок скважин, невысокий фильтрационный расход и-простоту ведения технологических процессов сооружения скважин, а, с другой стороны, простоту и надёжность декольматации этих скважин с целью обеспечения высокой и достоверной геолого-гидрогеологической информативности при освоении водоносных горизонтов.

Другим направлением исследований по теме настоящей работы является разработка инновационных эффективных технологий бурения скважин на твёрдые полезные ископаемые, прежде всего, нерудные, для месторождений, локализующихся в сложных горно-геологических условиях.

В настоящее время в мировой практике тенденция развития отрасли строительных материалов из природного минерального сырья бурно развивается в связи с интенсификацией строительной индустрии.

В России также существенно нарастает интерес к развитию отрасли производства нерудных строительных материалов, а кроме того, к поискам и разведке дефицитных для российской экономики полезных ископаемых, приуроченных к россыпям.

При разведке твёрдых полезные ископаемых решающее место тоже отводится буровым работам.

Технология сооружения скважин такого назначения, проходимых в сложных горно-геологических условиях, связана с серьёзными трудностями по отбору кондиционного керна, борьбой с осложнениями и авариями.

По существу, таких технологий, которые позволяли бы осуществлять полный отбор кондиционного незагрязнённого глинистым раствором песчано-гра-вийного материала в сухих и обводнённых разрезах при поисково-разведочных работах на стекольные, формовочные и другие пески, при сохранении устойчивости ствола скважин, просто не существовало. Бурение осуществлялось, в основном, ударно-канатным способом.

Кроме того, весьма значительные объёмы геологоразведочных работ в Поволжье ведутся на другие виды нерудного сырья — каменную соль, каменностроительные материалы и др. также в весьма сложных горно-геологических условиях (обвалообразование, полные и катастрофические поглощения промывочной жидкости и связанные с этим высокая аварийность и металлоёмкость скважин, а также низкий выход керна). Разработка рациональных технологий сооружения скважин в таких условиях, целевого выбора параметров промывочных жидкостей по интервалам осложнений также является актуальной задачей.

Поэтому автором рассматривается и эта задача, связанная с теоретической разработкой и созданием новых рациональных технологий, принципиально новых промывочных жидкостей, технологии и технических средств их эффективного применения.

Важное место в данной работе отводится вопросам экологической и технологической чистоты применяемых промывочных жидкостей и технологий бурения, прежде всего, для предупреждения загрязнения подземных вод и гарантии полноты и качества опробования месторождений подземных вод и нерудного сырья.

Настоящая диссертация базируется на результатах теоретических и технологических исследований, выполненных отечественными и зарубежными исследователями, а также на основе теоретических разработок, лабораторных и производственных экспериментов, выполнелны> автором и под его руководством в ФГУГП «Волгагеология», ФГУГП «Цент эгеология», «Гидроспецгеоло гия», «Востокбурводе», в Болгарии, Монголии, Эф юиии, Мавритании.

Как значимый результат выполненных нами исследований необходимо отметить то, что ФГУГП «Волгагеология» в течение последних десятилетий конца XX века и начала XXI века является базовой организацией по изучению и внедрению передового опыта по сооружению гидрогеологических скважин последовательно Министерства геологии РСФСР, Роскомнедр, Министерства геологии РФ и Министерства природных ресурсов РФ.

Наши технологические разработки входили в планы внедрения новой техники Министерства геологии СССР, а затем, вплоть до начала XXI века включительно — в планы научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Роскомнедр, МГ РФ и МПР РФ.

По нашим разработкам неоднократно проводились школы передового опыта — Всесоюзные, Всероссийские и внутриведомственные, в том числе и в 2000;е годы как в рыхлых неустойчивых песчано-гравийных отложениях по сооружению гидрогеологических скважин с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей, так и на нерудное сырьё в сложных условиях.

Выводы по главе четвёртой.

1. Нами предложена, обоснована и широко внедрена в производство инновационная технология бурения на пески и песчано-гравийные смеси как нерудное полезное ископаемое с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей ВГР и ВКГР и использованием усовершенствованных нами двойных эжекторных колонковых снарядов ДЭКС, позволившая обеспечить безаварийную проходку скважин в сложных условиях неустойчивых обводнённых песчано-гравийных отложений, гарантировать возможность отбора кондиционного керна песков и ПГС в этих условиях, снизить металлоёмкость скважин, обеспечить высокую геологическую информативность.

2. Нами предложена, обоснована и внедрена в производство инновационная технология бурения скважин в сложных условиях неустойчивых разрезов с чередованием литологических разностей от III до XI категорий по буримости с применением ГЖС, позволившая весьма значительно увеличить производительность буровых работ, снизить аварийность, повысить геологическую информативность за счёт полноты отбора кернового материала.

В процессе производственных испытаний нами обнаружено возникновение при определённых условиях бурения явление мощной эрозии прослоев крепких и твёрдых пород на забое скважины, зафиксировать условия их возникновения, предположить кавитационную её природу, что может явиться предметом дальнейших исследований.

Нами была создана оригинальная установка МПП (модуль пеноообразую-щий передвижной) для бурения с очисткой забоя скважин ГЖС, в которой ряд основных узлов выполнен по нашим разработкам.

Применение указанной технологии позволило резко повысить производительность буровых работ при бурении на каменно-строительные материалы в сложных условиях, снизить аварийность и значительно улучшить геологическую информативность.

3. Нами обоснована и разработана инновационная технология приготовления полимер-глино-цементной тампонажной смеси для надёжного тампонажа зон геологических осложнений, а также надёжной изоляции водотоков от потерь воды и изоляции источников загрязнения, хранящихся в земляных хранилищах, от растепления.

4. Нами создана инновационная технология целевого регулирования параметров промывочной жидкости в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий при бурении глубоких скважин на каменную соль, позволившая резко увеличить производительность работ, в разы снизить металлоёмкость таких скважин и существенно улучшить их геологическую информативность.

Глава ПЯТАЯ.

Технико-экономическая и геологическая оценка эффективности внедрения в производство результатов выполненных исследований.

Как уже указывалось, научные, опытно-экспериментальные разработки автора, а затем и широкое производственное внедрение их осуществлялось как в подразделениях ФГУГП «Волтагеология», так и других предприятиях геологоразведочной отрасли. До 1991 г. эти разработки внедрялись как мероприятия по созданию передовой технологии в МГ РСФСР и МГ СССР, за что автор награждён званием «Лауреат премии МИНГЕО СССР».

Технико-экономический эффект от внедрения указанных разработок в сторонних организациях нами не анализируется, так как большие объёмы их внедрения в ФГУГП «Волгагеология» позволяют дать необходимые оценки.

1. Эффективность способа вскрытия водоносных горизонтов с промывкой ВГР, ВКГР и промывочной жидкостью на основе ВПРГ следует рассматривать в двух аспектах. С одной стороны, способ обеспечивает экономическую эффективность конкретного геологоразведочного производства, которая достигается сокращением затрат материальных и трудовых ресурсов. Повышение производительности бурения и опытно-фильтрационных работ достигается за счёт снижения затрат времени и средств на приготовление глинистого раствора, уменьшение продолжительности работ по декольматации скважин и продолжительности опытно-фильтрационных работ, упрощения методики гидрогеологических работ, снижения транспортных расходов и т. п.

Эта экономическая эффективность поддаётся прямому расчёту.

С другой стороны, имеет место весьма высокая геолого — гидрогеологическая эффективность этого способа. Как известно, при проведении гидрогеологического и инженерно-мелиоративного картирования различного масштаба, при осуществлении поисково-оценочных и геологоразведочных на воду работ в рыхлых песчаных комплексах пород основным способом, за редким исключением (бурение с прямой и обратно-всасывающей промывкой технической водой), являлся вращательный способ бурения с промывкой глинистым раствором. Его недостатки, связанные с искажением информативности гидрогеологических скважин и невозможностью, в подавляющем большинстве случаев, получения истинных характеристик водоносных горизонтов, общеизвестны.

Технологическая несложность и надёжность вскрытия водоносных горизонтов в песчано-гравийных отложениях с промывкой безглинистыми полимерными промывочными жидкостями позволила широко внедрить этот способ при проведении гидрогеологических работ различного назначения. Это позволило получать надёжную и достоверную информацию о ресурсах и запасах подземных вод исследуемых территорий.

Эти перечисленные возможности безглииистых полимерных промывочных жидкостей не могут быть прямо обсчитаны с точки зрения экономической выгоды, но высокая эффективность их в сложных условиях несомненна.

В ФГУГП «Волгагеология» до 2000 г. экономическая эффективность этого способа вскрытия водоносных горизонтов в сложных разрезах рассчитывалась подразделениями новой техники (Средне-Волжский технологический отряд и Инновационный центр «Волгагеологии») и составила по отчётным данным 136,2 млн. рублей (122 871 пог. м) в ценах 2010 г., а с 2001 по 2010 гг. она составила, по прямым расчётам, 98,0 млн руб. (87 897 пог. м) в ценах 2010 г.

2. Бурение скважин на пески и песчано-гравийные смеси с применением безглинистых полимерных промывочных жидкостей и ДЭКС’ов также необходимо оценивать в двух аспектах.

Во-первых, это минимизация прямых затрат — на приготовление глинистых растворов, снижение металлоёмкости, снижение аварийности — прихватов и частых перебурок в связи с недостаточным выходом керна и др., что поддаётся прямому расчёту.

Во-вторых, получение незаглинизированного неразрушенного кондиционного керна песчано-гравийных пород позволяет получать достоверную и полную геологическую информацию, а таюке высокое качество других параметров полезного ископаемого (структурные и текстурные особенности, минералогические характеристики и др.).

Учтённая экономическая эффективность, полученная от повышения производительности труда, в соответствии с данными годовых производственноэкономических отчётов составила по этому мероприятию 11,25 млн. рублей в ценах 2010 г. (21 927 пог. м бурения).

3. Бурение скважин с очисткой забоя ГЖС с использованием модуля МПП, по данным производственно-экономических отчётов, создало экономическую эффективность 6,8 млн. рублей в ценах 2010 г. (17 367 пог. м).

1 4. Технология целевого регулирования параметров промывочных жидкостей при бурении скважин на каменную соль, по данным годовых производственно-экономических отчётов, составила за период детальной разведки Белбаж-ского месторождения более 15 млн. рублей в ценах 2010 г.

5. Технология ликвидации катастрофических и полных поглощений промывочных жидкостей с использованием полимер-глино-цементных смесей (ПГЦС), применённая на 2810 пог. м бурения, создала экономическую эффективность 1,25 млн. рублей в ценах 2010 г.

Общая экономическая эффективность (расчётная) по внедрению всех разработок автора, защищаемых в данной диссертации составила за период внедрения только в ФГУГП «Волгагеология» 267,25 млн руб.

Экономическая эффективность от применения предложенных нами технико-технологических разработок в других организациях СССР, РФ и за рубежом — не просчитывалась, однако данные о значительных объёмах их успешного применения позволяют судить и о их высокой экономической и геолого — гидрогеологической значимости.

Заключение

.

Выполненные в результате теоретических, лабораторных, полигонных и научно-производственных исследований работы определили следующую научную новизну.

1 .Выявлены зависимости ряда технологических свойств безглинистых полимерных промывочных жидкостей (условной вязкости, фильтрационного расхода, несущей способности, замерзаемости) от различных факторов (содержания компонентов, гранулометрического давления, температур). Это позволило создать эффективные рецептуры растворов и рекомендовать, а затем широко внедрить их в практику бурения в сложных условиях.

2. Определены закономерности взаимодействия ряда водорастворимых полимеров (гипан, КМЦ, ВПРГ) с ионами поливалентных металлов, характерных для пресных подземных вод, а также между собой, которые позволили распознать механизм гелеобразования, являющийся наиболее существенным фактором надёжной кольматации песчаных водоносных горизонтов при вскрытии их безглинистыми полимерными промывочными жидкостями, а также выработать рекомендации по технологии декольматации этих горизонтов при их освоении.

3. Установлены закономерности формирования устойчивости рыхлых песчаных стенок скважин в зависимости от гранулометрического состава песков, параметров промывочных жидкостей, фильтрационного расхода и избыточного гидростатического давления.

4. Установлены граничные условия применения инновационных технологий эффективного вскрытия и освоения водоносных горизонтов в сложных геологических условиях с использованием безглинистых полимерных промывочных жидкостей — по статическому уровню и коэффициенту фильтрации породводоносного горизонта.

5. Установлены зависимости свойств безглинистых полимерных промывочных жидкостей от отрицательных температур, на основе чего разработана технология их применения в зонах многолетнемёрзлых пород для вскрытия и освоения подмерзлотных вод в сложных условиях.

6. Разработана методология оценки информативности применяемых технологий гидрогеологического бурения на основе энтропийного анализа для оценки и выбора базовых технологий для конкретных геолого — гидрогеологических условий.

7. Выявлена зависимость упрочнения во времени в условиях скважины предложенных нами гель-цементов — от свойства содержащихся в них полимеров взаимодействовать с ионами поливалентных металлов подземных вод.

Кроме того, выполнены следующие научно-практические исследования, осуществлены следующие разработки.

8. Выполнены совместно с Московском институтом им. Ф. Ф. Эрисмана работы по оценке санитарно-гигиенических и токсикологических свойств рекомендованных нами полимеров с целью их использования для гидрогеологического бурения.

9. Разработаны инновационные технологии гидрогеологического бурения в сложных условиях с применением БППЖ — в обводнённых песках и ПГСна подмерзлотные водыв многослойных коллекторах, которые эффективно использованы многими геологическими организациями.

10. Разработаны критерии выбора и целевого регулирования параметров безглинистых полимерных промывочных жидкостей в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий в скважинах.

11. Исследованы и созданы инновационные технологии бурения скважин на нерудное сырьё и россыпи с использованием БППЖ, позволившие обеспечить получение кондиционного керна, устойчивость ствола и высокие коммерческие скорости бурения.

12. Разработана и успешно внедрена технология бурения на каменностроительное сырьё в сложных условиях с использованием ГЖС со стабилизирующей полимерной добавкой, позволившей использовать выявленный эффект предполагаемой кавитационной эрозии забоя для интенсивного разрушения пропластков твёрдых и крепких пород.

13. Создан оригинальный комплекс модуль передвижной пенообразующий (МПП) для бурения с ГЖС.

14. Разработана методика целевого регулирования параметров промывочных жидкостей в зависимости от характера осложнений в скважинах на каменную соль.

Автор глубоко признателен за участие в проведении исследований и подготовке данной работы инженерам Зайцеву Б. И., Балашову А. И., Вагину H.A.,.

Говорюткину В.Д., Земскову В. Н., Кирюшкину В. Т., [Кулагину А.С.|, Лапшину.

В.Е., Ляховичу В. В., [Рыбину С.П., Шалапаеву М. И., а также Бакулиной В. А., Курмаз М. Е., Хапчику Е. М., Долбунову В. И. Мигуновой A.M., Ильчук Е.П.