2411-3336 2541-9404 Записки Горного института Journal of Mining Institute Санкт-Петербургский горный университет императрицы Екатерины ΙΙ Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University 10.31897/PMI.2020.6.2 pmi-13384 https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/13384 Горное дело Mining Technological aspects of cased wells construction with cyclical-flow transportation of rock Технологические аспекты проходки обсаженных скважин с циклично-поточным транспортированием керна Kondratenko Andrei S. Кондратенко А. С. Kondratenko Andrei S. kondratenko@misd.ru Институт горного дела им. Н.А.Чинакала Сибирского отделения Российской академии наук (Новосибирск, Россия) N.A.Chinakal Institute of Mining of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences (Novosibirsk, Russia) 29 12 2020 2020 246 610 616 25 05 2020 11 06 2020 29 12 2020 © 2020 А. С. Кондратенко © 2020 Andrei S. Kondratenko 2020 А. С. Кондратенко Andrei S. Kondratenko Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC BY 4.0) https://pmi.spmi.ru/pmi/article/view/13384

Предложена высокопроизводительная технология бурения обсаженных скважин, сущность которой заключается в опережающем погружении обсадной трубы в массив осадочных горных пород и циклично-поточном транспортированием порций грунтового керна с помощью давления сжатого воздуха, подводимого к открытому забойному торцу трубы по отдельной магистрали. Рассмотрены результаты математического моделирования методом конечных элементов в программном комплексе ANSYS Mechanical процесса ударного погружения полой трубы в грунтовый массив в горизонтальной и вертикальной постановках для реализации технологии. Определены параметры погружения трубы в массив осадочных горных пород – величина шага очистки и энергия удара, необходимая для погружения трубы на заданную глубину. Расчеты выполнялись для труб диаметром от 325 до 730 мм. Введен коэффициент погружения, характеризующий сопротивление горных пород разрушению при динамическом внедрении обсадной трубы за один удар пневмомолота. Представлен обзор перспектив применения предлагаемой технологии в геологоразведке, при проведении горизонтальных выработок малого сечения бестраншейным способом в строительстве и скважинных способах добычи полезных ископаемых. Предложен вариант применения технологии для определения прочностных свойств горных пород. Рассмотрены некоторые особенности применения технологии на промышленных объектах строительной и горной отрасли: для бестраншейной прокладки подземных коммуникаций и для установки стартовых кондукторов при бурении с поверхности дегазационных скважин на угольных месторождениях. Представлены результаты технико-экономической оценки эффективности предлагаемой технологии при установке стартовых кондукторов в осадочных породах на горных отводах угольных шахт.

A high-performance technology for constructing cased wells is proposed. Essence of the technology is the advance insertion of the casing pipe into the sedimentary rock mass and the cyclical-flow transportation of the soil rock portions using the compressed air pressure supplied to the open bottomhole end of the pipe through a separate line. Results of mathematical modeling for the process of impact insertion of a hollow pipe into a soil mass in horizontal and vertical settings are considered. Modeling of the technology is implemented by the finite element method in the ANSYS Mechanical software. Parameters of the pipe insertion in the sedimentary rock mass are determined - value of the cleaning step and the impact energy required to insert the pipe at a given depth. Calculations were performed for pipes with a diameter from 325 to 730 mm. Insertion coefficient is introduced, which characterizes the resistance of rocks to destruction during the dynamic penetration of the casing pipe in one impact blow of the pneumatic hammer. An overview of the prospects for the application of the proposed technology in geological exploration, when conducting horizontal wells of a small cross-section using a trenchless method of construction and borehole methods of mining, is presented. A variant of using the technology for determining the strength properties of rocks is proposed. Some features of the technology application at industrial facilities of the construction and mining industry are considered: for trenchless laying of underground utilities and for installing starting conductors when constructing degassing wells from the surface in coal deposits. Results of a technical and economic assessment of the proposed technology efficiency when installing starting conductors in sedimentary rocks at mining allotments of coal mines are presented.

 Ключевые слова ударное погружение трубы грунтовый керн численный метод обсаженная скважина циклично-поточное транспортирование Keywords impact insertion of pipe soil rock numerical method cased well cyclical-flow transportation Александрова Н.И. О влиянии внутренней грунтовой пробки на процесс ударного забивания трубы // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2017. № 6. С. 114-126. DOI: 10.15372/FTPRPI20170611 Aleksandrova N.I. Influence of soil plug on pipe ramming process. Journal of Mining Science. 2017. Vol. 53. N 6, p. 1073-1084. DOI: 10.1134/S1062739117063138 Бурение скважин увеличенного диаметра в крилаптозонах Севера / В.В.Тимонин, С.Е.Алексеев, В.Н.Карпов, Ю.П.Харламов // Политранспортные системы: Материалы IX Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия – ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке», 17-18 ноября 2016, Новосибирск, Россия. Новосибирск: СГУПС, 2017. С. 9-13. Timonin V.V., Alekseev S.E., Karpov V.N., Kharlamov Yu.P. Drilling of wells with increased diameter in the cryalit zones of the North. Politransportnye sistemy: Materialy IX Mezhdunarodnoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii v ramkakh goda nauki Rossiya – ES «Nauchnye problemy realizatsii transportnykh proektov v Sibiri i na Dalnem Vostoke», 17-18 noyabrya 2016, Novosibirsk, Rossiya. Novosibirsk: SGUPS, 2017, p. 9-13 (in Russian). Гилета В.П. Повышение эффективности проходки скважин методом виброударного продавливания / В.П.Гилета, Ю.В.Ванаг, И.В.Тищенко // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2016. № 6. С. 82-89. Gileta V.P., Tishchenko I.V., Vanag Yu.V. Increase in efficiency of the driving of wells by method of vibro-impact pushing. Bulletin of the Kuzbass State Technical University. 2016. N 6, p. 82-88. (in Russian). Двойников М.В. Исследования технико-технологических параметров бурения наклонных скважин // Записки Горного института. 2017. Т. 223. С. 86-92. DOI: 10.18454/PMI.2017.1.86 Dvoinikov M.V. Research on technical and technological parameters of inclined drilling. Journal of Mining Institute. 2017. Vol 223, p. 86. DOI: 10.18454/PMI.2017.1.86 Исаков А.Л. Моделирование процесса забивания металлической трубы в грунт с порционным удалением грунтового керна / А.Л.Исаков, А.С.Кондратенко, А.М.Петреев // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 2019. Т. 55. № 4. С. 36-45. DOI: 10.15372/FTPRPI20190405 Isakov A.L., Kondratenko A.S., Petreev A.M. Simulation of metal pipe driving in soil with batchwise removal of plug. Journal of Mining Science. 2019. Vol. 55. N 4, p. 547-555. DOI: 10.1134/S1062739119045892 Литвиненко В.С. Методика определения параметров режима бурения наклонно прямолинейных участков скважины винтовыми забойными двигателями / В.С.Литвиненко, М.В.Двойников // Записки Горного института. Т. 241. 2020. С. 105-112. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.105 Litvinenko V.S., Dvoinikov M.V. Methodology for determining the parameters of drilling mode for directional straight sec-tions of well using screw downhole motors. Journal of Mining Institute. 2020. Vol 241, p. 105. DOI: 10.31897/PMI.2020.1.105 Минеев Г.Г. Кучное выщелачивание золотосодержащих руд. / А.А.Васильев, А.Г.Никитенко // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 4 (123). С. 147-156. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-147-156 Mineev G.G., Vasiliev A.A., Nikitenko A.G. Heap leaching of gold ores. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017. Vol. 21. N 4 (123), p. 147-156. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-4-147-156 Опыт установки кондукторов в грунтах при сооружении дегазационных скважин с поверхности / А.С.Кондратенко, В.Н.Карпов, А.С.Смоленцев, А.Т.Сырямин // Фундаментальные и прикладные вопросы горных наук. 2019. Т. 6. № 2. С.135-143. DOI: 10.15372/FPVGN201906224 Kondratenko A.S., Karpov V.N., Smolentsev A.S., Syryamin A.T. Experience of installing conductors in soils during the construction of degassing wells from the surface. Fundamentalnye i prikladnye voprosy gornykh nauk. 2019. Vol. 6. N 2, p.135-143. DOI: 10.15372/FPVGN2019060224 (in Russian). Патент № 2501913 РФ Способ бестраншейной прокладки труб в грунте / А.М.Петреев, А.С.Кондратенко. Опубл. 20.12.2013. Бюл. 35. Petreev A.M., Kondratenko A.S. Patent № 2501913 RF. Method of trenchless pipe laying in the soil. Published. 20.12.2013. Byul. 35. Перспективы развития технологии и техники горизонтально-направленного бурения пилотных скважин для бестраншейной прокладки трубопроводов / Л.А.Саруев, А.В.Шадрина, А.Л.Саруев, С.С.Васенин, А.В.Пахарев // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2019. Т. 330. № 4. С. 89-97. DOI: 10.18799/24131830/2019/4/232 Saruev L.A., Shadrina A.V., Saruev A.L., Vasenin S.S., Pakharev A.V. Prospects for development of technology and fa-cilities of pilot bores horizontal directional drilling for trenchless laying of pipelines. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering. 2019. Vol. 330. N 4, p. 89-97. DOI: 10.18799/24131830/2019/4/232 (in Russian). Перспективы ударного погружения стальной трубы-кондуктора при бурении дегазационных скважин с поверхности / А.А.Мешков, А.П.Садов, И.Л.Харитонов, А.С.Кондратенко, В.Н.Карпов // Уголь. 2019. № 10. С. 50-55. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-10-50-55 Meshkov A.A., Sadov A.P., Kharitonov I.L., Kondratenko A.S., Karpov V.N. Prospects for impact driving of steel hollow section pipes while drilling degasification holes from surface. Ugol – Russian Coal Journal. 2019. N 10, p. 50-55. DOI: 10.18796/0041-5790-2019-10-50-55 Рыбаков А. П. Основы бестраншейных технологий М.: Пресс Бюро, 2005. 304 с. Rybakov A. P. Basics of trenchless technology. Moscow: Press Byuro, 2005, p. 304 (in Russian). Скрябин Р.М. Разработка бурового снаряда для бурения скважин большого диаметра (ø 500 мм и более) на разведке россыпных месторождений Севера / Р.М.Скрябин, Н.Г.Тимофеев // Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2012. Т. 9. № 1. С. 85-89. Skryabin R.M., Timofeev N.G. Development of auger system for wells of large diameter (Ø 500 mm or more) in exploration of placer deposits in the North. Vestnik of North-Eastern Federal University. 2012. Vol. 9. N 1, p. 85-89 (in Russian). Современные технологии сооружения протяженных скважин в грунтовых массивах и технические средства контроля их траектории / Б.Н.Смоляницкий, В.Н.Опарин, Е.В.Денисова. Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения РАН, 2016. 237 с. Smolyanitskii B.N., Oparin V.N., Denisova E.V. Modern technologies for the construction of extended wells in soil masses and technical means of monitoring their trajectory. Novosibirsk: Izd-vo Sibirskogo otdeleniya RAN, 2016, p. 237 (in Russian). Технология установки стартовых кондукторов / А.С.Кондратенко, В.Н.Карпов, А.И.Конурин, А.П.Хмелинин // Нефть. Газ. Новации. 2019. № 11 (228). С. 42-47. Kondratenko A.S., Karpov V.N., Konurin A.I., Khmelinin A.P. Тechnology for installation of starting conductors. Oil. Gaz. Novation. 2019. N 11 (228), p. 42-47 (in Russian). Трофимов В.И. Геотехнология и строительство на мерзлых органоминеральных грунтах: монография. Тверь: Изд-во Тверского государственного технического университета, 2014. 268 с. Trofimov V.I. Geotechnology and construction on frozen organic-mineral soils: monograph. Tver: Izd-vo Tverskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, p. 268 (in Russian). Denisova E.V. Geomechanical model of the pneumatic bore and soil interaction / E.V.Denisova, A.I.Konurin // Journal of Mining Science. 2013. Vol. 49. Iss. 5. P.724-730. DOI: 10.1134/S1062739149050055 Denisova E.V., Konurin A.I. Geomechanical model of the pneumatic borer and soil interaction. Journal of Mining Science. 2013. Vol. 49. Iss. 5, p.724-730. DOI: 10.1134/S1062739149050055 Ghaseminejad V. Numerical studies on soil-skirt roughness and sand plug impact in bearing capacity prediction of caisson foundations subjected to the uniaxial loads / V.Ghaseminejad, A.Barari, M.A.Rowshanzamir // Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2018. Vol. 10. Iss. 5. P. 053308. DOI: 10.1063/1.502669814 Ghaseminejad V., Barari A., Rowshanzamir M.A. Numerical studies on soil-skirt roughness and sand plug impact in bearing capacity prediction of caisson foundations subjected to the uniaxial loads. Journal of Renewable and Sustainable Energy. 2018. Vol. 10. Iss. 5, p. 053308. DOI: 10.1063/1.502669814 Gio Y. Soil plugging mechanism on large diameter pipe piles: Insight from discrete element simulations / Y.Guo, X.B.Yu // IFCEE 2015, March 17-21 2015, San Antonio, Texas, USA. ASCE, 2015. P. 1075-1086. DOI: 10.1061/9780784479087.096 Guo Y., Yu X.B. Soil plugging mechanism on large diameter pipe piles: Insight from discrete element simulations. IFCEE 2015, March 17-21 2015, San Antonio, Texas, USA. ASCE, 2015, p. 1075-1086. DOI: 10.1061/9780784479087.096 Isakov A.L. Classification of soils without stiff structural bonds by their strength characteristic // Journal of Mining Science. 2000. Vol. 36. P. 541-544. DOI: 10.1023/A:1016629330008 Isakov A.L. Classification of soils without stiff structural bonds by their strength characteristic. Journal of Mining Science. 2000. Vol. 36, p. 541-544. DOI: 10.1023/A:1016629330008 Labenski J. Numerical simulation of the lateral bearing behavior of open steel pipe piles with regard to their installation method / J.Labenski, C.Moormann // 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ICSMGE 2017), 17-21 September 2017, Seoul, South Korea. ISSMGE, 2017. P. 2305-2308. Labenski J., Moormann C. Numerical simulation of the lateral bearing behavior of open steel pipe piles with regard to their installation method. 19th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering (ICSMGE 2017), 17-21 September 2017, Seoul, South Korea. ISSMGE, 2017. P. 2305-2308. Moormann C. Numerical simulation of open ended pile installation in saturated sand / C.Moormann, S.Gowda, S.Giridharan // International Symposium on Energy Geotechnics. 25-28 September 2018, Lausanne, Switzerland. Energy Geotechnics, Springer, Cham, 2019. P. 459-466. DOI: 10.1007/978-3-319-99670-7_57 Moormann C., Gowda S., Giridharan S. Numerical simulation of open ended pile installation in saturated sand. International Symposium on Energy Geotechnics. 25-28 September 2018, Lausanne, Switzerland. Energy Geotechnics, Springer, Cham, 2019, p. 459-466. DOI: 10.1007/978-3-319-99670-7_57 Polukoshko S. Analyses of effect of soil plugging during driving of open-ended pipe piles / S.Polukoshko, V.Zagulins // 18th International Multidisciplinary Scientific Geoconference. 2-8 July 2018, Sofia, Bulgaria. SGEM, 2018. P. 3-10. DOI: 10.5593/sgem2018/1.2/S02.001 Polukoshko S., Zagulins V. Analyses of effect of soil plugging during driving of open-ended pipe piles. 18th International Multidisciplinary Scientific Geoconference. 2-8 July 2018, Sofia, Bulgaria. SGEM, 2018, p. 3-10. DOI: 10.5593/sgem2018/1.2/S02.001