Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Б. М. Ребрик

Расчетное обоснование создаваемой буровой техники и оптималь­ных технологических режимов бурения, определение параметров различных технических средств в свете задач ускорения научно­технического прогресса в разведочном бурении приобретают все возрастающее значение. Подавляющее большинство соответствующих расчетов осуществляется на базе закономерностей и теорем те­оретической механики.

Акад. А. Ю. Ишлинский пишет: «Механика занимает одно из центральных мест среди наук, непосредственно обеспечивающих ускорение научно-техниче<:кого прогресса. Ей принадлежит ведущая роль в разработке научной базы инженерного дела на основе полного использования арсенала методов физического исследования и мате­матического анализа. Выдающиеся достижения космической техники, авиации, гидротехники, машино — и приборостроения, строительной индустрии, судостроения опираются на глубокое понимание законов механики и точный расчет, основанный на данных экспериментов и теоретических исследований» [9].

Известно, что новые технические средства становятся все более сложными и дорогими. Их изготовление без должных обоснований, в том числе расчетных, может привести к напрасной трате трудовых и материальных ресурсов. Нередки случаи, когда буровые станки и другие технические средства не получали широкого распространения в результате определенных просчетов в оценке их возможностей и области применения.

Важно отметить, что проведение теоретических и расчетных обоснований—один из наиболее дешевых элементов во всем комп­лексе научно-исследовательских и опытйо-конструкторских работ по созданию новой техники. Они не требуют ни сложного аппаратурного обеспечения (за исключением, может быть, вычислительных машин), ни значительных затрат времени, ни привлечения большого числа работников. Квалификация лиц, занимающихся теоретическими раз­работками, однако, должна быть достаточно высокой, поскольку для такой- деятельности требуется знание основ теории из области механики, математики и других фундаментальных наук. Наряду с этим расчету могут выполнять специалисты, работающие на производстве. Но они должны быть обеспечены соответствующей научно-технической и справочной литературой.

При решении различных теоретических задач в бурении специалист почти всегда сталкивается с необходимостью их первоначальной формулировки, т. е. «перевода» с языка практики и опыта на язык, например, теоретической механики, сопротивления материалов и т. д.

Такой перевод не всегда прост и очевиден и подчас требует большого умственного напряжения. В большинстве случаев он сводится к опре­делению того, что дано и что требуется определить. Сложность состоит в том, что на любой реальный процесс (особенно в раз­ведочном бурении) влияет большое число факторов и неизвестных оказывается намного больше, чем возможностей для их отыскания.

Среди исследователей существует мнение, что правильная постанов­ка задачи составляет 90% ее успешного решения. Действительно, если, задача сформулирована, она тем или иным способом решается. Помочь в решении задачи могут компьютеры. Но самые совершенные из них пока не могут оказать инженеру или исследователю почти никакой помощи в формулировании самой задачи. Здесь большое значение имеют научная интуиция, хорошее понимание существа изучаемого процесса, владение теоретическими методами исследований и т. д.

Творческий элемент при решении различных задач прежде всего связан с построением каких-то идеализированных моделей процесса или явления. Модель в упрощенном понимании — это мыслительный аналог реального объекта. Идеализация объекта, процесса, явления состоит главным образом в освобождении его от влияния несущест­венных факторов. Важнейшее требование к модели—соответствие результатов ее исследования опыту (с большей или меньшей степенью приближения). Отметим, что одно и. то же явление может быть правильно отражено принципиально различными моделями. Степень правильности модели есть степень совпадения закономерностей и ко­личественных характеристик (получаемых с помощью модели) с опыт­ными данными. Если две разные, модели одного и того же процесса дают одинаковые или близкие результаты, то обе они с полным основанием могут считаться правильными.

Нередко те или иные задачи в разведочном бурении теоретически оказывается столь трудно сформулировать, что, исследователи пред­почитают применять экспериментальный метод с последующей эм­пирической аппроксимацией опытных наблюдений (например, при исследовании затрат мощности, изучении работы бурильной колонны в скважине и др.). Экспериментальные исследования, безусловно, являются чрезвычайно эффективным методом изучения тех или иных закономерностей в бурении, однако без теоретических исследований они во многих случаях становятся формальными и не позволяют раскрыть физическую сущность происходящих процессов.

Если теоретические исследования предшествуют эксперименталь­ным, то, с одной стороны, они дают возможность ставить эксперимент целенаправленно, а с другой —исключают необходимость кропот­ливой статистической обработки экспериментальных данных, посколь­ку задача отыскания эмпирической аппроксимации последних уже не возникает (теоретическая зависимость имеется и остается лишь. сопоставить ее с результатами эксперимента). ■

Практически любой достаточно представительный расчет из об­ласти разведочного бурения сопряжен со значительными трудностями, 4 которые прежде всего связаны с отсутствием точных исходных данных. Поэтому полученные результаты в большинстве случаев следует рассматривать как приближенные, справедливые лишь в из­вестных пределах, ограниченных принятыми допущениями и возмож­ными областями изменения исходных данных.

Остановимся еще на одном важном вопросе — конечной цели решения любой задачи. Эта цель может рассматриваться в узком и широком смысле. В широком смысле цель состоит в отыскании в данном решении возможно большего числа практических приложе­ний, т. е. максимальное использование полученного решения на практике для улучшения и рационализации производства (сокращение стоимости работ, снижение затрат времени, уменьшение трудоемкости, повышение безопасности, /создание лучших предпосылок для охраны окружающей среды и т. д.). ‘

В узком смысле цель состоит в решении данной конкретной задачи, т. е. в получении математических зависимостей, связывающих между собой величины, характеризующие изучаемый процесс. Для успешного. достижения цели в рассматриваемом случае не следует сразу стремиться одновременно достигнуть цель и в широком смысле. Иными словами, при теоретическом решении задачи желательно, чтобы вопросы ее практического использования первоначально вообще не ставились. Практическая сторона проблемы в данном случае будет не только не способствовать, а даже мешать успешному решению задачи. Иное дело, когда задача теоретически уже решена. Здесь сразу же вопросы практических приложений выдвигаются на первый план. И нельзя одобрить деятельность того исследователя, который ограничивается лишь теоретическими изысканиями, отказыва­ясь от поисков практических приложений выявленных зависимостей и соотношений. Совершенно очевидно, что ценность любого ис­следования состоит в возможностях его использования для решения практических задач. .

Существует достаточно обширная литература расчетно-теоретичес­кого характера, посвященная обоснованию различных параметров и процессов разведочного бурения. Это работы Е. А. Козловского, В. Г. Кардыша, А. Т. Киселева, А. Г. Калинина, Д. Н. Башкатова, JI. Г. Грабчака, В. М. Питерского, В. С. Владиславлева, Б. Б. Кудря­шова, С. С. Сулакшина, J1. А. Лачиняна, А. М. Яковлева, И. Г. Шел- ковникова, А. Н. Кирсанова, В. П. Зиненко, Г. Д. Полякова, Е. С. Бул­гакова, В. Н. Алексеева, Г. А. Воробьева и др. Тем не менее справоч­ное пособие по использованию методов механики в бурении (за исключением, может быть, работы [24]) отсутствует, а издание

такого пособия ‘давно необходимо. К сожалению, задач в бурении,

требующих своего решения, намного больше, чем решенных, а многие из таких задач даже еще не сформулированы.

Предлагаемое вниманию читателя справочное пособие должно частично восполнить имеющийся в отечественной литературе по

бурению пробел.

С учетом характера приводимого в пособии материала изложение дается в трех видах; конкретно-справочном, рекомендательном (в виде методических указаний) и информационном. Первый вид включа­ет в себя различные конкретные цифровые данные, проверенные многолетним опытом методики, расчетные и проверочные формулы, зависимости, необходимые инженеру в повседневной работе. Второй вид изложения охватывает некоторые методики расчета, позволяющие решать технико-технологические задачи (определение параметров бу­ровых станков, инструментов, технологии бурения и т. д.). Наконец, третий вид относится к материалу, подробное изложение которого потребовало бы обьема, равного всему пособию, но представление о котором должен иметь любой квалифицированный инженер по буренищ (это — основы создания робототехники и автоматизированных систем, автоматизации и компьютеризации механических устройств и др.). Естественно, степень детальности этих трех изложений различна. В одном случае — это подробные систематизированные сведения, которые можно широко использовать в любых случаях для различных целей с твердой уверенностью в их надежности, во втором—детальность достаточна для практической реализации только данной методики технико-технологического расчета, в третьем — сведе­ния имеют чисто информационный смысл.

Круг рассматриваемых в пособии задач автор намеренно ограничил такими, которые могут быть сведены к моделям, используемым в традиционных курсах теоретической механики. Эти модели основаны на двух фундаментальных понятиях: материальной точки и абсолютно твердого тела. Однако при решении некоторых задач использованы и модели теории упругости (сопротивления материалов). Приведенные справочные данные относятся ко многим областям знаний, в том числе математике, физике, механике, сопротивлению материалов.

Автор выражает благодарность за помощь, поддержку, ценные указания и замечания Е. А. Козловскому, Л. Г. Грабчаку, В. Г. Кар — дышу и А. П. Полежаеву.

Комментарии запрещены.