Жаров, Алексей Сергеевич. Методы комплексной оценки эффективности и качества технологии бурения глубоких разведочных скважин

Краткое описание

Жаров, Алексей Сергеевич. Методы комплексной оценки эффективности и качества технологии бурения глубоких разведочных скважин : диссертация ... кандидата технических наук : 25.00.14 / Жаров Алексей Сергеевич; [Место защиты: Рос. гос. геологоразведоч. ун-т им. С. Орджоникидзе (РГГРУ)].- Москва, 2010.- 146 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/3346

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ»

На правах рукописи

04.2.0 1 0 6 3 7 0 2 "

ЖАРОВ АЛЕКСЕИ СЕРГЕЕВИЧ
МЕТОДЫ КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ И КАЧЕСТВА ТЕХНОЛОГИИ БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ РАЗВЕДОЧНЫХ СКВАЖИН
Специальность 25.00.14 - Технология и техника геологоразведочных работ
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель
д. т. н., профессор Б. М. Ребрик
Москва-2010
Оглавление
Введение 5
Глава 1. Существующие методы оценки эффективности технических средств и технологий бурения скважин 10
1.1. Общие сведения о технико-экономических показателях
или критериях эффективности 10
1.2. Существующие системы оценки эффективности технико-технологического обеспечения буровых работ 12
1.3. Обоснование задач, требующих дальнейшего решения 16
1.4. Цель и задачи исследований 19
Глава 2. Предпосылки комплексной оценки эффективности технических средств и технологий бурения глубоких разведочных скважин 21
2.1. Объекты и элементы эффективности процесса бурения 21
2.2. Подразделение объектов и элементов эффективности процесса бурения 22
2.3. Выводы по главе 28
Глава 3. Теоретические основы оценки уровня качества бурения глубоких разведочных скважин 29
3.1. Исходные предпосылки 29
3.2. Определение уровня качества бурения по точности попадания забоя в заданную область 30
3.3. Угол пересечения скважины с пластом полезного ископаемого как элемент уровня качества бурения 33
3.4. Оценка уровня качества бурения по степеии соответствия трассы скважины простиранию пласта 36
3.5. Прогнозирование и контроль ожидаемого качества бурения скважин 39
3.6. Выводы по главе 44
Глава 4. Опытно-производственные исследования оценки показателя эффективности с привлечением производительности - объем бурения за сутки 45
, 4.1. Исходный материал 45
> 4.2. Анализ полученных данных 47
4.3. Выводы по главе 50
Глава 5. Технико-технологическая оценка бурения глубоких скважин 52
5.1. Исходные данные 52
5.2. Баланс времени при бурении скважин 55
5.3. Влияние глубины скважины, осевой нагрузки и частоты вращения бурового снаряда на скорость бурения 55
5.4. Приближенная оценка механического критерия технической эффективности 65
5.5. Выводы по главе 81
Глава 6. Возможная оценка технико-экономической эффективности результатов исследований 83
6.1. Оценка качества бурения 83
6.2. Оценка показателя эффективности по расходу топлива 86
. 6.3. Величина убытка как показатель оценки достигнутого
качества 89
6.4. Выводы по главе 93
Защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность 94
і
> Выводы и рекомендации 96
■ Список литературы 98
Приложение 1 110
і
I
' Приложение 2 118
Приложение 3 125
Приложение 4 128
Приложение 5 130
Приложение 6 134
Введение
Бурение скважин, особенно большой глубины, представляет собой достаточно сложный производственный процесс, включающий в себя совокупность отдельных частных процессов, отличающихся друг от друга как технологическими особенностями, так и применяемыми техническими средствами.
Всё возрастающая стоимость 1 м скважины диктует необходимость приведения технологических процессов бурения скважин к более высоким техническим и качественным характеристикам, а также к разработке, в дополнение к имеющимся; новых методов оценки и контроля ведения буровых работ.
В настоящее время для бурения скважин применяется широкая номенклатура различных способов бурения и технических средств. В этих условиях принятие решения по выбору технологических решений* и целесообразности их сочетания, в зависимости от поставленных задач, представляет довольно сложную научную задачу. И здесь особую актуальность приобретает вопрос разработки достаточно простых, сравнительно- надежных и, главное, объективных методов оценки эффективности существующих технических средств и технологий в их совокупности.
Изучение и анализ литературных источников и фондовых материалов показал, что данный вопрос изучен недостаточно, по отношению к бурению глубоких геологоразведочных скважин на твердые полезные ископаемые. Необходимы новые исследования в этой области.
Таким образом, разработка методов комплексной оценки эффективности и качества технологии бурения* глубоких разведочных скважин является актуальной задачей требующей решения.
Поскольку методики определения обобщенных критериев технической эффективности, качества и экономической эффективности (в безразмерных единицах) применительно к бурению разведочных и инженерно¬геологических скважин уже разработаны [8, 54, 77], имеется возможность привлечь эти материалы для данной диссертационной работы.
Однако осуществление новых разработок наталкивается на определенные трудности, связанные, главным образом, с недостатком материальных средств. Это особенно ощущают ВУЗы и ВУЗовская наука в целом. Исследователям приходится большее внимание уделять теоретическим разработкам, а для их обоснования и подтверждения привлекать опытно-производственный материал, полученный непосредственно в производственных организациях. В силу данных обстоятельств настоящая диссертация построена именно таким образом.
В диссертационной работе рассматриваются и решаются теоретические, экспериментальные, методические и опытно¬производственные задачи, связанные с развитием существующих и разработкой новых понятий, методов и подходов к вопросам оценки эффективности существующих технических средств и технологий бурения, как частным, так и комплексным образом, с оценкой проведённых исследований с точки зрения их технической и экономической эффективности.
Диссертационная работа, отчасти, имеет комплексный методологический характер. За довольно короткий период обучения автор не успел рассмотреть вопросы внедрения результатов работ в производство, поэтому в работе они занимают подчиненное положение, но при этом могут быть использованы производственными . предприятиями, которые занимаются бурением глубоких скважин. Основное внимание автор сосредоточил на исследовании и анализе опытно-производственного материала и получении на его основе имеющих для практики значение новых зависимостей и разработке методов комплексной оценки эффективности технических средств и технологий бурения глубоких разведочных скважин.
Постановленные задачи решались путем обобщения и анализа фондовых и литературных источников, проведения теоретических исследований, постановкой и проведением опытно-производственных работ. Автором, естественно, были привлечены методы и разработки, освещенные в работах основоположников теории и практики разведочного бурения: Б.И. Воздвиженского [19-21], Е.А. Козловского [49 - 55], А.Г. Калинина [40
- 45], В.Г. Кардыша [46 - 48], Д.Н. Башкатова [7 - 10], Л.Г. Грабчака [27]. Использовались также работы А.М. Лимитовского [61], В.В. Алексеева [3],
О.С. Брюховецкого [3], Н.В. Соловьева [85], Р.А. Ганджумяна [24], С.Ю. Некоза [16 - 18, 54, 55, 66], Ж. Лагранжа [58, 59], В.Н. Калиничева [72
- 74], В.П. Зиненко [38] и др. _
Опытно-производственные работы проводились в течение 2008 - 2009 гг. на Северо-Селияровском месторождении, расположенном в Ханты- Мансийском районе Ханты-Мансийского автономного округа Тюменской области и на Средне-Пальюской площади России (республика Коми). Были также использованы данные бурения глубокой разведочной скважины, пробуренной в районе Норильского рудного узла. Проведены серии опытных наблюдений и исследований по бурению глубоких скважин. В процессе этих работ собран значительный экспериментальный материал. В научный оборот вовлечено, проанализировано и обработано более 2000 точечных значений различных параметров бурения для различных категорий пород и геологических условий. Изучено бурение нескольких вертикальных глубоких скважин различного назначения, в том числе с использованием комплекса КССК-76.
При проведении исследований широко использовалась современная измерительная техника и новые автоматические электронные системы записи выходных параметров. Обработка результатов наблюдений, расчеты полученных теоретических зависимостей и их анализ проводились с использованием методов математической статистики с помощью современных технических и программных средств.
Исследования явились продолжением, развитием и дополнением работ, начатых сотрудниками кафедры механики РГГРУ (Б.М. Ребриком,
B. Н. Калиничевым, Н.В. Смирновым, А.П. Полежаевым, А.П. Назаровым,
C. Ю. Некозом и др.) и были начаты автором во время обучения в аспирантуре. За период обучения автором опубликовано 14 статей.
Основные положения, разработанные в диссертации, неоднократно докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе с 2008 года, а также отражались в научно-исследовательских отчетах кафедры механики и освещались в печатных работах (в том числе рецензируемых). Автор награжден дипломом I степени в номинации за лучшую научно¬исследовательскую работу: «Цикл научно-исследовательских статей по общей теме «Исследование и разработка системы комплексной оценки эффективности технических средств и технологий бурения глубоких разведочных скважин».
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность сотрудникам ОАО «Тверьгеофизика» за содействие в проведении наблюдений и исследований по бурению глубоких скважин и кандидату технических наук В.И. Склянову, приславшего не менее ценный материал по глубокой разведочной скважине. Без такого материала и искренней поддержки написание диссертации вряд ли могло быть осуществлено.
В целом работа выполнена под научным руководством заслуженного изобретателя РСФСР, заслуженного деятеля науки и техники РФ, доктора технических наук, профессора Б.М. Ребрика, которому автор искренне
і
признателен за помощь и поддержку.
Отдельно автор благодарит и выражает свою признательность профессору В.Н. Калиничеву, профессору С.Ю. Некозу и профессору А.Г. Калинину, а также всем без исключения преподавателям кафедры механики и кафедры разведочного бурения за консультации и помощь в отдельных вопросах, касающихся данной работы.
Прошу также принять мою благодарность Д.А. Ахапкина и А.Е. Самбурга за помощь, а также ответственного секретаря редакции журнала «Известия высших учебных заведений. Геология и разведка» Е.Н. Щурову за бескорыстную помощь и проявленное терпение в подготовке статей к печати.

Список литературы

6.1. Выводы по главе
1. Для реального объекта, получаемые по методикам количественной оценки качества бурения показатели позволят судить о степени соответствия пробуренной скважины ее проектному направлению.
2. Увеличение механической скорости бурения автоматически приводит к снижению удельного механического критерия технической эффективности процесса проходки скважин, поэтому необходимо использовать такие режимные параметры, которые однозначно приводили бы к увеличению механической скорости.
3. В качестве меры затрат энергии при бурении использованы затраты топлива.
4. Показана возможность использования расхода топлива при бурении для оценки показателя технической эффективности.
5. Предложен вариант оценки отдельных элементов достигнутого качества разведочного бурения с помощью такого экономического показателя как величина убытка.
Защищаемые положения, научная новизна и практическая ценность
На основании проведенных исследований в диссертации выносятся следующие защищаемые положения:
1. Использование введенной терминологии и предложенного перечня объектов и элементов эффективности позволяет обоснованно подходить к выбору «элементов эффективности» при оценке эффективности «объекта эффективности».
2. Для оценки показателя технической эффективности бурения скважин возможно использовать такие показатели как расход топлива при бурении и один из укрупненных показателей производительности бурения - объем бурения за сутки.
3. При оценке уровня качества бурения на твердые полезные ископаемые следует учитывать такие параметры как точность попадания забоя в заданную зону, угол встречи забоя скважины с выдержанным по падению и простиранию пластом полезного ископаемого и степень соответствия трассы скважины простиранию пласта.
Научная новизна представленной работы заключается в следующем:
1. Установлены зависимости уровня качества бурения на твердые полезные ископаемые:
- от величины отклонения забоя скважины от заданной зоны,
- от угла встречи-забоя скважины с выдержанным по падению и простиранию пластом полезного ископаемого,
- от величины отклонения трассы скважины от проектной (заданной) зоны проводки при бурении вдоль продуктивной части пласта.
2. Выявлены зависимости удельного механического критерия эффективности, рассчитываемого через объем потребленного топлива:
- от глубины скважины,
- от механической скорости бурения.
3. Установлены зависимости предложенного экономического показателя
- величины убытка: '
!
- от величины отклонения забоя скважины от заданной зоны,
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
1. Новые термины, разработанные методы, подходы и программные средства оценки эффективности и качества технологии бурения являются базой для дальнейших исследований, а также могут быть использованы производственными предприятиями, которые занимаются бурением глубоких скважин.
2. Разработана приближенная методика оценки механического критерия технической эффективности как процесса бурения в целом, так и технологий, с помощью которых реализуется буровой процесс.
3. Предложен вариант оценки отдельных элементов достигнутого качества разведочного бурения с помощью такого экономического показателя как величина убытка.
4. Разработано программное средство позволяющее осуществлять прогнозирование и контроль ожидаемого качества бурения скважин.
5. Разработанные методики, приведенный в работе теоретический материал и результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе, например, при изложении курсов «Бурение скважин на твердые полезные ископаемые».
Решение теоретических, экспериментальных, методических и опытно-производственных задач, в результате проведенных исследований, и анализ опытно-производственного материала позволяют сформулировать наиболее важные выводы и дать ряд практических рекомендаций:
1. В отечественную литературу по бурению введены понятия «объект» и «элемент» эффективности и даны их однозначные определения.
2. Предложен перечень объектов и элементов эффективности процесса бурения скважин. Предложенный перечень позволяет обоснованно подходить к выбору элементов эффективности для оценки уровня эффективности объектов.
3. Разработаны методики оценки уровня качества бурения для таких элементов эффективности, как точность попадания забоя в заданную точку, угол встречи забоя скважины с выдержанным по падению и простиранию пластом полезного ископаемого и степень соответствия трассы скважины простиранию пласта. Для реального объекта получаемые по данным методикам количественные показатели позволят судить о степени соответствия реальной трассы скважины проектной.
4. В качестве меры затрат энергии при бурении использованы затраты топлива. Показана возможность использования расхода топлива при бурении для оценки показателя технической эффективности.
5. Обобщенные и укрупненные показатели бурения, например, такие, как объем бурения за сутки, могут быть использованы для изучения процесса бурения, оценки его технической эффективности и рационализации.
6. Эффективность процесса бурения, определяемая критерием qi позволяет оценить возможные пределы эффективного использования
комплексов КССК-76 по глубине скважины и особенно по производительности. Бурить скважины с производительностью менее 10 м/сутки нерационально.
7. Создана приближенная методика оценки комплексного критерия эффективности бурения отдельно взятой скважины.
8. Разработан подход, основанный на методах математической статистики, который дает возможность «оценивать» опытные данные (случайные величины), не подчиняющиеся нормальному закону распределения, путем преобразования их к распределению в 0,5 степени или к логнормальному распределению.
9. Предложенные методики можно использовать при расчете комплексного критерия эффективности бурения скважины [32].
10. Уточнено влияние глубины скважины, осевой нагрузки и давления промывочной жидкости на скорость роторного бурения.
11. Перед началом бурения скважин необходимо всесторонне оценить все возможности для рациональной организации процесса проходки, с целью исключить случаи неоправданных простоев и неэффективного использования бурового оборудования.
12. С самого начала бурения следует стремиться к использованию рациональных режимов бурения, в частности, создавая необходимую осевую нагрузку на породоразрушающий инструмент.
13. Увеличение механической скорости бурения автоматически приводит к снижению удельного механического критерия технической эффективности процесса проходки скважин, поэтому необходимо использовать такие режимные параметры, которые однозначно приводили бы к увеличению механической скорости.
14. Предложен вариант оценки отдельных элементов достигнутого качества разведочного бурения с помощью такого экономического показателя как величина убытка.