Вскрытие и освоение продуктивных горизонтов при подземном выщелачивании

Технология вскрытия продуктивного горизонта

Процессы вскрытия продуктивного пласта и его освоения при сооружении технологических скважин подземного выщелачивания урана являются решающими для получения высокопроизводительной и долговечной технологической скважины. Применение оптимальной технологии в процессе проведения этих работ значительно повышает эффективность бурения таких скважин. Основным условием повышения эффективности буровых работ является применение таких методов вскрытия и освоения продуктивного пласта, которые обеспечивают сохранение естественной его пористости и проницаемости или способствуют их увеличению в призабойной части скважины.

Многолетний опыт применения глинистых растворов для вскрытия водоносных пластов показывает, что проникновение раствора и шлама в пласт снижает проницаемость и водоотдачу пласта в 10–20 раз и требует дорогостоящих и длительных мероприятий по разглинизации в период освоения скважины. Вскрытие продуктивного пласта – это технологический процесс, при котором в пласте образуется выработка для раствора приемной части скважины. Освоение пласта – это технологические операции, обеспечивающие оборудование раствора приемной части скважины и восстановление естественной водоотдачи пласта или искусственное увеличение ее для достижения максимального дебита скважины.

Современный уровень развития буровой техники и технологии бурения позволяет совмещать технологические операции по вскрытию и освоению продуктивных пластов, при этом часто достигается положительный эффект. Решающим фактором при выборе способов вскрытия и освоения продуктивного пласта является характеристика устойчивости пород, слагающих вскрываемые пласты. Неустойчивые пласты, обычно сложенные рыхлыми песками или подобными горными породами, весьма склонны к обрушению и деформациям при вскрытии их скважиной.

Структура скелета пористого коллектора таких пород может разрушаться : при воздействии бурового породоразрушающего инструмента, под воздействием гидродинамического, гидростатического давлениях на продуктивный пласт, представленный песками, в 1,5–2 раза превышающих пластовое давление. Это приводит к переукладке зерен песка, к его уплотнению и снижению проницаемости пласта..

В процессе вскрытия проницаемого пласта бурением чаще всего используется глинистый раствор для повышения устойчивости стенок скважины и предотвращения поглощения промывочной жидкости пластом. При этом происходит закупорка пор и трещин коллектора пласта, снижающая его проницаемость. Основным фактором, снижающим проницаемость пласта, является кольматация, которая проявляется в проникновении в поры и трещины пласта шлама, выбуренной породы, дисперсной фазы (глинистых частиц) и фильтрата промывочной жидкости и образовании слабопроницаемой глинистой корки на стенках скважины – (кольматация-процесс искусственного проникновения частиц в поры и трещины горных пород).

Выделяют две зоны кольматации: зону, примыкающую к приствольной части скважины, обусловленную проникновением частиц бурового шлама и промывочной жидкости, зону фильтрата промывочной жидкости, чаще всего глинистого раствора, проникающего в породы продуктивного горизонта. Интенсивность кольматации увеличивается вследствие набухания глинистых частиц и выпадения в осадок ряда веществ. При этом интенсивность закупорки пор пласта и прочность глинистой корки также зависят от величины перепада давления столба промывочной жидкости на пласт, от свойств раствора и времени нахождения глинистых частиц в порах пласта.

Зависомость глубины проникновения глинистого раствора в пески (размер зерен 1÷1,25 мм) от вязкости раствора Глубина проникновение глинистого раствора от и явления в поры пласта зависит в основном от его вязкости и статического напряжения сдвига. Чем выше вязкость глинистого раствора, тем на меньшее расстояние проникает глинистый раствор внутрь пласта.

Глубину проникновения глинистого раствора в поры водоносного пласта, представленного мелкозернистыми песками, рекомендуется определять по формуле где l – глубина проникновения раствора в пласт; k – коэффициент сопротивления, учитывающий сопротивление движению раствора в порах пласта; m – поправка на кривизну обтекающих струй; d – диаметр зерен; Δр – разность давлений между пластом и скважиной; τ 0 – сопротивление раствора сдвигу.

Для крупнозернистых и гравелистых песков и других высокопроницаемых пород глубину проникновения раствора следует рассчитывать по формуле где R 0 – радиус скважины; остальные обозначения те же, что и в предыдущем выражении.

Воздействие фильтрата промывочной жидкости на пласт вызывает следующие изменения в породах продуктивных горизонтов: наличие химических веществ, содержащихся в фильтрате жидкости, приводит к уменьшению эффективных сечений пор и каналов продуктивных пластов, а также их проницаемости за счет увеличения гидрофильности пород и толщины гидратных оболочек; ГИДРОФИЛЬНОСТЬ - способность пород смачиваться водой. К гидрофильным веществам относятся, напр., глины, силикаты.

глинистые минералы, содержащиеся в продуктивных пластах, гидратируют под влиянием водного фильтрата и увеличиваются в объеме, что также способствует снижению проницаемости; наличие в фильтрате промывочной жидкости растворенных химических элементов способствует при взаимодействии с веществами продуктивного пласта образованию нерастворимых осадков.

Способы бурения при вскрытии продуктивных горизонтов для подземного выщелачивания урана Применяется вращательное бурение: с прямой промывкой, с обратной промывкой, с продувкой воздухом. Вращательное бурение с прямой промывкой является наиболее распространенным способом при вскрытии продуктивных горизонтов.

При вскрытии применяются следующие очистные агенты Её применение предотвращает загрязнение пород продуктивных горизонтов, способствует резкому уменьшению их кольматации. Применение воды способствует повышению скоростей бурения и снижению стоимости сооружения скважин, т.к. техническая вода - самый дешевый очистной агент. Техническая вода.

Однако вода является по отношению к породам приствольной зоны скважин самой агрессивной промывочной жидкостью и приводит к размыву песчано-глинистых пород, набуханию и обвалам скважин. Применение воды возможно только когда обеспечивается устойчивость разбуриваемых пород, их высокая сопротивляемость размывающему действию потока промывочной жидкости. Критерием применения воды для вскрытия пород продуктивных горизонтов может служить коэффициент обвалообразований в стволе скважин, который определяется как K = ΣV/V T, где ΣV – суммарный объем ствола скважины; V T – теоретический объем ствола скважины после его вскрытия долотом определенного диаметра.

Бурение с использованием технической воды возможно, если коэффициент обвалообразований в глинах находится в пределах 1 < K < 3 Если K > 3, то применение технической воды в качестве промывочной жидкости нерационально из-за обрушений в стволе скважины.

Высокие технико-экономические показатели вскрытия продуктивных горизонтов, сложенных песками различной зернистости, могут быть получены при вращательном бурении с прямой промывкой скважин технической водой путем поддержания на пласт постоянного противодавления. Основным условием безаварийной работы при вскрытии пласта с промывкой водой, является тщательное наблюдение за уровнем воды в скважине, уровень воды у устья скважины должен быть постоянным. Чем выше статический уровень воды в скважине, тем тщательнее необходимо следить за уровнем и доливом воды при проведении различных работ.

Глинистые растворы Обеспечивают высокую устойчивость стенок скважин, сложенных неустойчивыми породами. Однако содержащиеся в глинистом растворе твердые частицы, а зачастую и химические реагенты, способствуют кольматации пород продуктивных горизонтов и резкому снижению их проницаемости.

Требования к глинистым растворам обеспечивать минимальное проникновение раствора в породы продуктивного пласта; предотвращать образование осадков (механических, химических), закупоривающих поры пласта и отверстия в рабочей части фильтра; способствовать быстрому удалению продуктов кольматации из зоны пласта полезного ископаемого; обеспечивать необходимую стабильность при изменении температуры и давления в скважине.

Типы глинистых растворов для вскрытия продуктивных горизонтов

Получают такие растворы путем замены глинистых растворов, используемых для разбуривания вышележащих пород и имеющих обычно плотность, величина которой достигает значительных величин, более 1200 кг/м 3. При этом гидростатическое давление столба жидкости в стволе скважины во многих случаях превышает пластовое давление, и глинистый раствор может проникнуть в продуктивный пласт, образуя глинистую корку толщиной 5–8 мм, освободиться от которой в процессе освоения скважины бывает очень трудно. 1. Малоглинистые промывочные жидкости плотностью 1050 – 1090 кг/м 3.

Для получения малоглинистых промывочных жидкостей к глинистому раствору с большей плотностью добавляется вода. Применение малоглинистых промывочных жидкостей низкой плотности способствует уменьшению кольматации продуктивных пластов. Однако такие жидкости обладают большой водоотдачей и их применение приводит во многих случаях к уменьшению устойчивости стенок скважин.

К глинистому раствору плотностью 1100–1150 кг/м 3 и с водоотдачей 20–25 см 3 /30 мин добавляются две части технической воды и из расчета 20–30 кг полиакриламида на 1 м 3 малоглинистого раствора. Водоотдача полученной промывочной жидкости снижается до 10 см 3 /30 мин, а вязкость – повышается. Низкая водоотдача и малая плотность таких промывочных жидкостей способствуют резкому уменьшению кольматации продуктивных пластов при образовании глинистой корки толщиной не более 0,5 – 1,0 мм. Наличие добавок полиакриламида также способствует повышению устойчивости стенок скважин в зоне. продуктивного пласта. 2. Малоглинистые промывочные жидкости ПЖ с полиакриламидом.

При приготовлении ПЖ в глинистый раствор, имеющий обычно высокую плотность, вводится ВЖС из расчета 5– 6 л на 1 м 3 глинистого раствора (0,5–0,6 %), после чего раствор интенсивно перемешивается в течение 5–10 мин путем перекачивания его насосом через насадку на отводном шланге. Плотность такой промывочной жидкости снижается до 1000 – 1100 кг/м 3. Уменьшается кольматация пластов. Значительно (до 2,7 раз) повышает приемистость нагнетательных скважин по сравнению со скважинами, пробуренными с применением нормальных глинистых растворов. 3. Малоглинистые промывочные жидкости, аэрированные омыленными и высокомолекулярными жирными спиртами (ВЖС).

Перед вскрытием продуктивного пласта готовят малоглинистую промывочную жидкость. Для повышения вязкости и снижения водоотдачи в нее добавляются нерастворимые в воде высокодисперсные вещества (гидроокись железа, гидроокись алюминия или их смеси), растворяющиеся при последующей кислотной обработке пластов, осуществляемой в процессе подготовки скважин и эксплуатации. 4. Малоглинистые промывочные жидкости, обработанные веществами, легко растворимыми в кислоте.

Наиболее эффективной добавкой является гидроокись двух– и трехвалентного железа, обладающая высокой дисперсностью и плотностью 3400–3900 кг/м 3. Гидроокись железа вводят в раствор в количестве 1 м 3 раствора гидроокиси на 2–5 м 3 малоглинистого раствора или технической воды. Применение жидкостей с добавками гидроокиси железа способствует образованию плотной, практически непроницаемой корки, которая препятствует проникновению в пласт механических примесей и фильтрата промывочных жидкостей. При обработке зоны продуктивного пласта растворами кислот происходит растворение корки гидроокиси и трехвалентного железа и полное восстановление проницаемости пласта.

В процессе подготовки скважины к эксплуатации при обработке зоны продуктивного пласта растворами серной или соляной кислот восстановление проницаемости продуктивных пластов производится путем промывки закольматированной прифильтровой зоны растворами кислот, перевода продуктов кольматации в раствор и выноса на поверхность. Опыт применения промывочных жидкостей на основе порошка трехвалентного железа позволяет увеличить приемистость скважин в 2–3 раза по сравнению со скважинами, пробуренными с применением глинистых растворов.

Водогипановые промывочные жидкости для вскрытия продуктивных горизонтов Гипан - гидролизованный полиакрилонитрил - реагент, получаемый методом статической полимеризации нитрила акриловой кислоты. Гипан приводит к повышению вязкости промывочной жидкости, если твердая фаза составляет более %.

Водогипановые промывочные жидкости обладают повышенной вязкостью, что способствует улучшению условий выноса шлама при бурении скважин большого диаметра с использованием буровых насосов с небольшой подачей. Их применение позволяет предотвратить аварии и осложнения при бурении в поглощающих и неустойчивых, склонных к обрушениям пластах, что объясняется их способностью коагулировать при контакте с электролитами, содержащими ионы железа, кальция и магния и с выделением нерастворимого осадка.

Водогипановые промывочные жидкости, применяемые для условий вскрытия водоносных пластов, обладают кольматирующими свойствами. Наличие слоя кольматации в виде корки небольшой толщины способствует при сооружении технологических скважин ПВ повышению устойчивости пород продуктивных пластов, обычно сложенных мелкозернистыми песками, что является положительным фактором. В процессе освоения скважин слой кольматации легко и быстро разрушается зафильтровой промывкой или откачкой, а проницаемость продуктивных пластов и приемистость нагнетательных скважин восстанавливаются. При этом затраты времени на освоение пласта минимальные.

Выносная способность водогипановых промывочных жидкостей повышается в результате увеличения вязкости раствора. Расход водогипановой промывочной жидкости для вскрытия водоносного пласта в 2–3 раза ниже по сравнению с объемом воды, применяемой при вскрытии в аналогичных условиях, а выносная её увеличивается в 3–10 раза.

Глино–водогипановые промывочные жидкости

Глино–водогипановые промывочные жидкости обладают: минимальной фильтрацией, надежной и быстрой изоляцией зон поглощения, высокой выносной способностью, легким удалением глинистой корки, содержащей примесь гипана, методом размыва. Характерная особенность глино–водогипановой промывочной жидкости – быстрый размыв глинистой корки струей чистой воды при давлении 0,2 МПа (время размыва до 3 мин), в то время как глинистая корка исходного глинистого раствора при таком же давлении струи воды практически не размывается.

Аэрированные промывочные жидкости

К ним относятся: Все типы глинистых, безглинистых и других буровых промывочных жидкостей, аэрированных воздухом или другим газообразным агентом. Их свойства: аэрированные воздухом буровые промывочные жидкости обладают пониженной плотностью (800 – 900 кг/м 3 ), повышенной текучестью. Для эффективного выноса выбуренной породы скорость восходящего потока воздушно-водяной смеси должна составлять более 10 м/с.

Важнейшей характеристикой аэрированных промывочных жидкостей является степень аэрации α α = Qв/Qж, где: Qв и Qж – соответственно, расход воздуха и жидкости при атмосферном давлении. Степень аэрации изменяется в широких пределах и для буровых промывочных жидкостей должна находиться в пределах от 10 до 50. Применение аэрированных промывочных жидкостей обеспечивает высокие показатели вскрытия продуктивных пластов за счет сохранения естественного состояния призабойной зоны скважин, исключения проникновения в пласт воды и твердой фазы.

Сжатый воздух

Применение воздуха рекомендуется для вскрытия продуктивных пластов, представленных трещиноватыми или устойчивыми пористыми породами. При вскрытии продуктивных пластов с продувкой воздухом одновременно происходит и их освоение. Дебиты скважин, продуктивный пласт которых вскрывается с продувкой воздухом, значительно выше, чем дебиты скважин, вскрытых с промывкой водой, за счет низкого гидростатического давления воздуха на продуктивный пласт и обеспечения сохранения естественной проницаемости пластов. Обеспечивается снижение затрат на освоение скважин и поддержание их в работоспособном состоянии в период эксплуатации.

При вскрытии продуктивных горизонтов с использованием сжатого воздуха необходимо, чтобы пластовое давление водоносных горизонтов р п было меньше давления сжатого воздуха на пласт р к или давления, развиваемого компрессором. Обычно принимают р п 0,8 p к. Однако применение сжатого воздуха для бурения скважин различного целевого назначения ограничено устойчивыми породами, в которых водопритоки отсутствуют или незначительны. Важным условием применения сжатого воздуха является герметизация устья скважин.

Не рекомендуется применять продувку воздуха при вскрытии продуктивных пластов, сложенных сланцами или подобными породами, шлам которых при смачивании может слипаться. На забое образуется вязкая пульпа, не поддающаяся выдуванию и образуются сальники, затяжки инструмента и др.

Вскрытие продуктивных горизонтов с помощью обратной промывки

Применение обратной промывки – важный фактор повышения эффективности вскрытия пластов и производительности скважин. При этом способе бурения в качестве промывочной жидкости может быть использована вода, которая поступает на забой по зазору между стенками скважины и бурильными трубами, а образовавшаяся в процессе бурения пульпа поднимается на поверхность по бурильным трубам с помощью эрлифтов или гидроэлеваторов (эжекторов). Вскрытие водоносных пластов с обратной промывкой водой дает наибольший эффект по сравнению с другими методами; при этом сохраняются естественные условия пористости и проницаемости пласта.

Схема бурения с обратной промывкой при использовании для создания циркуляции эрлифта 1 долото; 2 смеситель; 3 воздушные трубы; 4 бурильная колонна; 5 компрессор; 6 ротор; 7 вертлюг; 8 рукав; 9 емкость для жидкости; 10 буровой шлам; 11 перемычка; 12 желоб для соединения емкость для жидкости. со скважиной Пульпа Вода Воздух

Наличие столба жидкости в скважине обеспечивает необходимую устойчивость стенок скважины. В процессе вскрытия продуктивных пластов вследствие всасывания пульпы с забоя скважины сохраняются их естественные условия пористости и проницаемости. Из всех современных способов этот способ позволяет вскрывать продуктивные пласты скважинами большого диаметра (до 500 мм и более). Дебиты скважин при вскрытии пласта с обратной промывкой в песках в 1,5–2 раза превышают дебиты аналогичных скважин, где пласты вскрыты бурением скважин с прямой промывкой.

Для применения обратной промывки при вскрытии пласта должны соблюдаться следующие основные условия: пластовое давление при бурении неустойчивых и слабоустойчивых пластов должно быть на 0,02– 0,03 МПа меньше, чем полное гидростатическое давление столба жидкости в скважине; запас воды должен быть достаточным, чтобы компенсировать ее поглощение при избыточном давлении на пласт не менее 0,03 МПа; глубина залегания продуктивного пласта должна быть в пределах 200 м (в отдельных случаях и более).

ОАО "Геомаш" разработал установку УБВ-215, являющуюся единственной отечественной установкой и технологию бурения с гидро- и пневмотранспортом разрушенной породы обратным потоком очистного агента по центральному каналу двойной концентрической бурильной колонны при диаметре скважин мм на глубину м.

Схемы вскрытия водоносного пласта с обратной промывкой а – образование каверны гидрорасширителем; б – образование каверны механическим расширителем; в – вскрытие шарошечным расширителем; г – посадка фильтра эрлифтом: 1 – расширители и долота, 2 – бурильная и водоподъемная колонны, 3 – колонна воздухоподводящих труб, 4 – эксплуатационная колонна обсадных труб, 5 – фильтр

Схемы технологических операций по устройству гравийной обсыпки при вскрытии продуктивного пласта с обратной циркуляцией промывочной жидкости Первый этап (I)завершается бурением с естественным или глинистым раствором с обратной промывкой до кровли продуктивного пласта с последующим креплением и цементированием обсадными трубами 1. На втором этапе(II) продуктивный пласт вскрывается с противодавлением на пласт с обратной промывкой водой и доливом воды при подъеме бурильных труб 2. На третьем этапе (III) в скважину спускают фильтровую колонну 3 на муфтовом переводнике 7 с левой резьбой и центрирующими фонарями 4. На четвертом этапе (IV) в надфильтровую часть спускают раствороподъемные 5 и воздушные 6 трубы и одновременно с откачкой в зафильтровое пространство загружают гравий часто с доливом воды в нисходящем потоке для обеспечения равномерного намыва гравия в раствороприемную часть скважины. Пятый этап (V) - откачка и заканчивание скважины с гравийным фильтром 9 и уплотнителем 8.

Отсутствуют серийно выпускаемый специальный инструмент и приспособления для бурения с обратной промывкой; небольшие диаметры технологических скважин; значительная глубина и наличие зон поглощения промывочной жидкости по длине ствола скважины. Однако при сооружении технологических скважин ПВ способ вскрытия продуктивных пластов с обратной промывкой пока не нашел широкого применения по следующим причинам:

Освоение технологических скважин подземного выщелачивания металлов Основной объем работ по освоению скважин связан с разглинизацией пород продуктивных горизонтов, разрушением зон кольматации продуктивных пластов и фильтров.

«Кольматаж» – это процесс заполнения порового пространства грунта (пород) более мелкими пылеватыми или глинистыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии в фильтрующейся жидкости, результатом которого является уменьшение активной пористости грунтов и резкое снижение скорости фильтрации.

Кольматация фильтра и прифильтровой зоны заключается: в образовании слабопроницаемой глинистой корки на стенках скважины, вскрывшей продуктивный пласт, и слабопроницаемого экрана из глинистого раствора, шлама и обрушенной породы между стенками скважины и рабочей частью фильтра, в закупоривании рабочей поверхности фильтра глинистыми продуктами, зернами песка и шлама.

Способы декомальтожа (разглинизации) и их параметры Сущность декольматажа заключается в удалении (предотвращении накопления) кольматанта, осаждающегося в эффективном поровом пространстве прифильтровой зоны скважины и на поверхности фильтра в процессе сооружения и эксплуатации скважины.

гидродинамические, гидрофизические, химические комбинированные Существующие способы декольматажа условно разделяются на 4 группы:

К основным относятся: гидравлический разрыв пласта (ГРП); возбуждение гидродинамических колебаний гидродинамическими кавитаторами с целью ГРП; возбуждение гидродинамических колебаний механическими вибраторами; пульсирующая прокачка скважин эрлифтами

Гидравлический разрыв пласта (ГРП) ГРП предназначен для повышения проницаемости пластов за счет создания искусственных и расширения естественных трещин. Одним из основных параметров ГРП является давление разрыва горных пород (Р р ), которое зависит как от горного давления (Р г ), так и от прочности горных пород. В зависимости от соотношения Р р /Р г в определенной степени зависит и ориентация в пространстве образующихся трещин. При традиционном ГРП происходит в основном раскрытие техногенных трещин и магистральных трещин тектонического заложения.

При традиционном ГРП происходит раскрытие техногенных трещин и магистральных трещин тектонического заложения в результате: нагнетания под давлением жидкости в зону продуктивного пласта скважины, и последующего заполнения образовавшихся трещин песком и др. материалами, предотвращающими их смыкание.

1 – продуктивный пласт ; 2 –непродуктивный пласт; 3 - трещина; 4 – отверстия; 5 - пакер; 6 – подающие водо – песчаные трубы; 7 - обсадная колонна (стенки скважины); 8 - устьевое оборудование; 9 – жидкость разрыва; 10 жидкость-песконоситель; 11 - манометр Схема вскрытия продуктивного горизонта гидроразывом пласта

Выполняемые при гидроразрыве операции: 1. Подготовка скважины – исследование на приток или приемистость, что позволяет получить данные для оценки давления разрыва, объема жидкости разрыва и других характеристик. 2. Промывка скважины жидкостью с добавкой в нее определенных химических реагентов. 3. Закачка жидкости разрыва. В зависимости от свойств призабойной зоны скважины и других параметров используют либо фильтрующиеся, либо слабофильтрующиеся жидкости;.

4. Закачка жидкости-песконосителя Основными требованиями к жидкости–песконосителю являются высокая пескоудерживающая способность и низкая фильтруемость. Это–вязкие жидкости, загущенная соляная кислота и др. Наполнитель должен быть инертным по отношению к продукции пласта и длительное время не изменять своих свойств. 5. Закачка продавочной жидкости, в качестве которой используются жидкости с минимальной вязкостью. 6. Вызов притока, освоение скважины и ее гидродинамическое исследование.

Гидродинамические скважинные кавитаторы для гидравлического разрыв пласта Весьма перспективным для повышения эффективности гидроразрыва является применение специальных гидродинамических устройств – кавитаторов. Термин «кавитация» означает процесс образования полостей (пузырьков) в жидкости и последующее их захлопывание, которое порождает ударные волны. Гидродинамическая кавитация возникает в потоке жидкости при обтекании неподвижной преграды (тела). При этом происходит разрыв сплошности жидкой среды с образованием полостей в виде пузырьков, заполненных парами окружающей жидкости.

Гидродинамический скважинный кавитатор: 1 –корпус; 2 – резьбы; 3 – шар; 4 – гнездо кавитационное В конце 1980-х годов созданы гидродинамические кавитаторы, основанные на разрыве потока и формировании в нем больших полостей (каверн).

Генерирование ударных волн в окружающую жидкость в скважине В результате разрыва движущейся жидкости в кавитационном гнезде на выходе из кавитатора формируется своеобразный факел, внутри которого находятся пузыри. Они сжимаются и захлопываются на границе факела, за счет чего факел генерирует ударные волны в окружающую жидкость и через нее на горную породу в стенке скважины. 1 – гидродинамический кавитатор; 2 – зона кавитации; 3 – фильтр; 4 – отверстия фильтра

Исследования параметров давления, создаваемые кавитаторм с выводом показаний на осциллограф, показали, что нижняя кривая переходит через нулевую линию, что свидетельствует о разрыве жидкости и существовании кавитационной пульсирующей каверны. Давления в импульсе более 7 МПа. Осциллограмма рабочих давлении в верхней (1) и нижней (2) полостях гидродинамического скважинного кавитатора

Кавитационный гидроразрыв, в отличие от обычного гидроразрыва, дает определенное новое качество. Если при обычном гидроразрыве происходит в основном раскрытие техногенных трещин и магистральных трещин тектонического заложения, то воздействие ударных волн, созданных кавитатором, порождает многочисленные разрывы матрицы породы и таким образом создает в пласте сеть микро- и макротрещин.

При обычном гидроразрыве раскрытые трещины необходимо закреплять, для чего осуществляют закачку песка и вводят деструкторы геленесущей среды для удаления жидкости разрыва. При кавитационном разрыве пласта после прекращения ударного воздействия часть горизонтально ориентированных трещин сомкнётся, а трещины, ориентированные вертикально и под углом более 45°, останутся открытыми, поэтому их закрепление необязательно.

Это дает возможность намного удешевить процесс гидроразрыва и улучшить его результативность. Дополнительные преимущества кавитационного гидроразрыва состоят в том, что можно производить разрыв пласта в любой заданной точке и таким образом осуществлять увеличивать приемистость скважины. Кроме того технология кавитационного. гидроразрыва: производится без пакеровки межтрубного пространства, как обычная промывка скважины водой.

К гидрофизическим способам декольматажа фильтров относятся: взрыв твердых взрывчатых веществ (Торпеды с Детонирующим Шнуром -ТДШ) электровзрыв; гидродинамический удар, возбуждаемый ударом по свободной поверхности жидкости

Одним из наиболее перспективных методов регенерации скважин является взрывной, использующий энергию детонационного превращения твердых ВВ. При взрыве в скважине небольшого заряда ударная волна распространяется со скоростью, близкой к скорости звука, вызывая при этом перемещение жидкости в направлении своего движения. Взрыв твердых взрывчатых веществ (Торпеды с Детонирующим Шнуром -ТДШ)

Торпеды из детонирующего шнура. а ТДШ-25; б ТДШ-В: 1 головка, 2 взрывной патрон, 3 детонирую- щий шнур, 4 трос, 5 центраторы, 6 натяжной груз; в ТДШ для обработки малопрочных фильтров 1 кабель, 2 головка, 3 взрывной патрон, 4 детонирующий шнур, 5 центраторы, 6 стальные стержни, 7 натяжной груз, 8 отверстия, 9 полый цилиндр, 10 газовыделяющий реагент

Встречаясь с преградой (фильтром), ударная волна частично отражается, а частично уходит в затрубное пространство. Давление на фронте волны на границе с преградой при взрыве торпеды из детонирующего шнура в скважине достигает десятков мегапаскалей при времени действия тысячные доли секунды. Благодаря кратковременности действия, давление не разрушает преграды из материалов с высокими пластичными свойствами (стальные трубы и каркасы фильтров, фильтрующие покрытия из латунной и стальной сетки и т. п.). Но резкий, сильный удар, наносимый ударной волной разрушает хрупкие, имеющие относительно малую прочность осадки. Схема действия взрыва при очистке фильтра. 1 – детонирующий шнур в момент взрыва;

Вторая фаза действия взрыва заключается в «расшатывании» разрушенного осадка при пульсации образовавшихся продуктов взрыва. Высокое в момент взрыва давление Р 1 при расширении газового пузыря резко падает сначала до гидростатического Ро, затем по инерции до Р 3, меньшего Ро. Схема действия взрыва при очистке фильтра 1 – детонирующий шнур в момент взрыва; 2 – расширение газового пузыря; Схема пульсации газового пузыря при взрыве; Р– давление в газовом пузыре; R – радиус газового пузыря; t – время;

При этом на участке Р 1 Р 3 расширяющиеся газы отжимают жидкость из скважины в пласт. Затем на газовый пузырь начинает действовать гидростатическое давление, сжимая его сначала до Р 0, а затем по инерции до Р 2, большего, чем Р 0. Схема действия взрыва при очистке фильтра 1 – детонирующий шнур в момент взрыва; 2 – расширение газового пузыря; 3 – сжатие газового пузыря. Схема пульсации газового пузыря при взрыве; Р– давление в газовом пузыре; R – радиус газового пузыря; t – время; На участке Р 3 -Р 2 сжимающая газовый пузырь жидкость будет стремиться из пласта в скважину. Пульсация с затухающими амплитудами повторяется несколько раз, способствуя удалению осадка из отверстий фильтра.

Действие взрыва при очистке фильтра а– схема пульсации газового пузыря при взрыве; б– схема действия взрыва при очистке фильтра. Р– давление в газовом пузыре; R – радиус газового пузыря; t – время; 1 – детонирующий шнур в момент взрыва; 2 – расширение газового пузыря; 3 – сжатие газового пузыря. Специальные работы в скважинах

Электровзрывной способ для очистки фильтров Но метод взрыва Детонирующего Шнура имеет ряд недостатков, в частности, его нельзя применять : в добычных скважинах ПВ для очистки фильтров из полиэтиленовых труб в виде перфорированного каркаса и фильтрующих сеток из пластмасс из-за малой прочности сетки из–за их возможного разрушения мощной ударной волной; Для этой цели более эффективен электровзрывной (электрогидравлический) способ (ЭГС) обработки скважин, основанный на импульсном выделении электрической энергии при пробое искрового промежутка в воде.

Для реализации этого метода используют генераторы импульса тока с напряжением 100 кВ с накопителем электрической энергии в виде конденсаторной батареи. При создании электрического разряда внутри фильтровой трубы ударная волна, распространяясь в радиальном направлении, производит разрушение и диспергирование осадков, кольматирующих внутреннюю и наружную поверхность фильтра и прифильтровую область, а последующее интенсивное движение воды при расширении и захлопывании парогазового пузыря вызывает отделение разрушенных осадков от поверхности фильтра и вынос их в затрубное пространство и в ствол скважины.

По сравнению с взрывом твердых ВВ ударные нагрузки электрического разряда значительно ниже, что позволяет использовать способ в фильтрах из пластиковых труб. Кроме того электровзрывной способ очистки фильтров скважины имеет существенные преимущества по сравнению со способом восстановления проницаемости фильтров взрывом ВВ (ТДШ) в возможности многократного воспроизведения электрических разрядов и регулирования гидродинамических параметров энергии разряда (взрыва). При очистке фильтров скважин ЭВ-способом электрический разряд инициируется высоковольтным пробоем воды, находящейся внутри скважин.

Электровзрывной способ для очистки фильтров (Эффект Юткина Л.А.) ПУ–пульт управления, РТр– автотрансформатор, ВТр – высоковольт ный трансформатор, R – зарядное сопротивление, В – выпрямитель С–конденсатор, ИРФ–формирующий искровой разрядник, ИРР– искровой рабочий разрядник; 1–высоковольтный электрод, 2–заземленный электрод Электрическая схема электровзрывной установки для очистки фильтров Схема электрогидравлического разрядника (для пробоя жидкости)

Однако данный способ не применим в добычных скважинах, так рабочий орган находится в проводящем продуктивном растворе и происходит растекание токов без формирования канала разряда, т.е. без взрыва. Способ очистки фильтров с использованием взрыва проволочки (разработка Томского политехнического университета) также основан на импульсном выделении электрической энергии в канале искрового разряда (взрывающейся проволочке). Но имеет преимущества перед (ЭГ) тем, что может использоваться в растворах с различными, примесями, так как ток проходить не через рабочую среду, а по проволочке, вызывая её взрыв.

Схема электрическогоразрядника при взрыве проволочки 1 - токопроводная шина; 2 - магазин; 3 - пробка; 4 - электромагнитный механизм 5 - корпус; 6 - ниппель; 7 - верхний электрод; 8 - изолятор; 9 - проволочка; 10 - нижний электрод.

Эффективность преобразования энергии в электродной системе увеличивается в 1,52,0 раза при вводе в разрядный промежуток взрывающегося проводника. Проводник представляет собой искусственный канал проводимости, обеспечивающий принудительное инициирование электрического разряда, благодаря чему основная часть запасаемой энергии расходуется на расширение канала разряда и создание ударной волны и гидропотока. Этим достигается эффективная очистка фильтра при меньших значениях запасаемой энергии.

Результаты испытаний по очистке фильтров с использованием взрывающихся проволочек Произведен 1 взрыв проволочки в средней части фильтра. Сетка в два слоя Фильтр с нанесением на его поверхность слоя глинистого раствора толщиной 5 см.

К химическим относятся: кислотные обработки, обработка призабойной зоны скважины ингибиторами солеотложений.

Химический способ декольматажа

Комбинированные методы регенерация фильтров торпедами ТДШ с последующей реагентной обработкой; реагентная обработка фильтров электровзрывом в реагенте; метод электровибрационной обработки; одновременная обработка и очистка призабойной зоны скважины тандемной установкой "пульсатор– забойный эжектор" с реагентными добавками в рабочую жидкость; термокислотная обработка фильтровых зон скважин; термогазохимическое воздействие.

Освоение технологических скважин

Процесс освоения технологических скважин в основном включает две операции: промывку прифильтровой зоны водой до полного осветления прокачку скважин с помощью эрлифтов или гидроэлеваторов.

Способы освоения технологических скважин: а – прямая промывка внутренней поверхности фильтра; б – прямая промывка при посадке фильтров «впотай»; в – прямая промывка при сооружении скважин с гравийными фильтрами; г – обратная поинтервальная промывка прифильтровой зоны; д – обратная промывка через фильтр: 1 – эксплуатационная колонна, 2 – бурильные трубы, 3 – фильтр, 4 – манжета, 5 – переходник, 6 – пакер, 7 – крышка, 8 – разделитель, 9 – пульпоподъемные трубы эрлифта, 10 – воздухоподающий шланг, 11 – смеситель эрлифта, 12 – хвостовик, 13 – окна в хвостовике, 14 – окна в эксплуатационной колонне, 15 – пакер

Расширение фильтровой зоны скважин является одним из наиболее эффективных способов вскрытия и освоения геотехнологических скважин ПВ, повышения их производительности, снижения стоимости бурения и добычи полезных ископаемых. При сооружении геотехнологических скважин в конструкции зачастую предусматривается создание гравийной обсыпки вокруг фильтровой колонны. Толщина гравийной обсыпки должнасоставлять до 100 мм. Поэтому в интервале посадки фильтровой колонны диаметр скважины должен быть больше основного диаметра, т.е. этот интервал должен быть расширен.

При определении величины расширения призабойной зоны технологических скважин ПВ необходимо учитывать: размеры добычного оборудования, опускаемого в скважину (фильтры, эрлифты, погружные насосы); эффективное разрушение зон интенсивной кольматации продуктивных горизонтов; создание гравийных обсыпок необходимой толщины; устойчивость кровли пласта над зоной расширения.

механический, гидродинамический, комбинированный. Предпочтение отдают механическому и комбинированному способам, основанным на механическом разрушении горных пород с использованием энергии струи промывочной жидкости. В практике сооружения технологических скважин наиболее широко применяют три способа расширения призабойной зоны:

При сооружении технологических скважин ПВ применяют механические расширители 1 – режущие лопасти; 2 – втулка; 3 – корпус расширителя; 4 – нажимное устройство; 5 – корпус поршня; 6 – резиновые манжеты; 7– гайка; 8 – переходник Режущие лопасти расширителя выводятся в рабочее положение посредством поршня, приводимого в движение потоком жидкости, нагнетаемой буровым насосом. Основное достоинство таких расширителей – высокая надежность в работе благодаря незначительному числу подвижных элементов. Приведение лопастей расширителя в транспортное положение по окончании расширения производится в процессе подъема бурового инструмента при движении расширителя по стволу скважины.

Для расширения фильтровой части скважин под гравийную обсыпку на предприятиях Казатомпрома используют в настоящее время лопастные расширители РЗ 260/ – корпус; 2 – резцедержатель; 3 – цилиндровая полость; 4 – поршень; 5 – шток; 6 – возвратная пружина; 7 – кольцо регулировочное; 8 – обратный клапан; 9 – дроссель; 10 –переходник; 11 – подшипники; 12 – пальцы; 13 – шплинты; 14 – манжета; 15 – проволока фиксирующая; 16–отверстия в резцедержателях; 17–чехол;18– предохранительный стержень; 19 – пропускной канал.

3. Над поршнем 4 создается зона повышенного давления по сравнению с давлением жидкости в затрубном пространстве, вследствие чего поршень 4 начинает перемещаться вниз, одновременно поджимая возвратную пружину 6 и воздействуя наконечником штока 5 на внутренние грани резцедержателей 2. Работа расширителя 1. Предварительно закрепляют резцедержатели 2 проволокой 16 или чехлом 17 и опускают расширитель до нижней границы интервала расширения скважины. 2. Включают подачу промывочной жидкости и вращение

Происходит разрыв проволоки 16 или материала чехла 17, а затем резцедержатели 2 начинают расходиться, воздействуя своими резцами на стенки скважины, постепенно разрушая их и расширяя скважину. Резцедержатели 2 принимают рабочее положение, то есть внутренние грани резцедержателей займут положения, параллельные наружной поверхности штока 5. Извлекая инструмент из скважины осуществляют расширение скважины на величину заданного интервала, после чего прекращают вращение бурового инструмента и подачу промывочной жидкости. Под воздействием сжатой при расширении пружины 6 поршень со штоком 5 переместятся вверх, а детали расширителя займут вертикальное положение.

Расширитель механический с промежуточными тягами: 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – тяга; 4 – лопасти; 5 породоразрушающий наконечник Эффективной разновидностью механических расширителей, применяемых при сооружении технологических скважин ПВ, являются расширители с промежуточными тягами. Режущие лопасти 4 расширителя с промежуточными тягами 3 выводятся в рабочее положение с помощью поршня 2, приводимого в действие потоком жидкости, нагнетаемой буровым насосом и промежуточных тяг 3.

Усиление резания регулируют изменением давления, развиваемого буровым насосом. Диаметр камеры может достигать 300–400 мм при первоначальном диаметре скважины 190 мм. Режущие лопасти занимают исходное положение при подъеме бурового инструмента и прекращении подачи жидкости буровым насосом. 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – тяга; 4 – лопасти; 5 породоразрушающий наконечник

Расширитель гидромеханический эксцентриковый: Расширитель эксцентриковый отличается простотой конструкции, высокой надежностью в работе (из-за отсутствия подвижных элементов). Процесс разрушения породы стенок буровых скважин этим расширителем основан на использовании момента инерции расширителя относительно оси вращения. Расширение скважин происходит кроме использования возникающих центробежных сил частично за счет гидромонитор- ного эффекта струи жидкости. 1 – бурильная труба; 2 – муфта замка для бурильных труб; 3 – лопасть; 4 – насадка; 5 – втулка; 6 – верхняя крышка; 7 – нижняя крышка; 8 – корпус расширителя

Важной проблемой при расширении скважин с помощью механи-ческих и гидромеханических расширителей является очистка расширителя и расширенной призабойной зоны от разрушенной породы. В расширенной части скважины возникают неблагоприятные условия для выноса шлама из- за уменьшения скорости восходящего потока промывочной жидкости. Повышение качества очистки расширяемой части скважины и режущих элементов долота от разрушенной породы и шлама является применение обратновсасывающей промывки при использовании инерционного раcширителя.

Расширитель инерционный 1 – корпус; 2 – породоразрушающий наконечник; 3 – лопасть - расширитель; 4 – тяга Режущие лопасти расширителя выводятся в рабочее положение в начальный период их работы за счет центробежных сил, возникающих при вращении долот. Закончив расширение, осуществляют интенсивную промывку ствола скважины, а затем инструмент вместе с расширителем поднимают на поверхность.

Расширение призабойной зоны технологических скважин способствует уменьшению диаметра основного ствола скважины. Это дает возможность : повысить скорости бурения, уменьшить материально-технические затраты, снизить стоимость сооружения скважин. Кроме того, при сооружении скважин для подземного выщелачивания легко создается уширенный контур гравийной обсыпки, что способствует повышению производительности скважин и увеличению их срока службы.