Технология сооружения геотехнологических скважин

Выбор и обоснование конструкции скважин для подземного выщелачивания урана

Основные факторы, влияющие на выбор конструкции скважин подземного выщелачивания геологические и гидрогеологические условия месторождения (физико-механические свойства слагающих пород, глубина залегания продуктивного пласта, водоносность горизонта и др.); принятая система отработки месторождения и схема размещения эксплуатационных скважин; проектная производительность добычных скважин;

типоразмер обсадных труб; тип и конструкция фильтра; тип устьевого оборудования заказных и откачных скважин; тип и конструкция раствора подъемных устройств.

При выборе конструкции эксплуатационных скважин для подземного выщелачивания урана с использованием кислотных растворителей металла необходимо учитывать следующее: 1)обеспечение высокой стойкости материала обсадных труб к химически агрессивным средам; 2) обеспечение механической прочности обсадных неметаллических труб в условиях горного давления и гидродинамических нагрузок;

3)внутреннее сечение обсадных труб должно обеспечивать: производство ремонтных работ, цементирование скважин для создания гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов, проведение необходимых геофизических и гидрогеологических наблюдений за ходом процесса ПВ; 4)для предохранения затрубного пространства скважин от проникновения с поверхности рабочих растворов следует использовать специальное оборудование устья;

5)при оборудовании нижней части фильтра отстойником с окнами для облегчения освоения скважины необходимо предусматривать возможность перекрытия окон после окончания работ по освоению; 6)возможность создания надежной гидроизоляции надрудного горизонта, особенно в случае эксплуатации маломощных рудных тел, находящихся в зоне водоносных горизонтов;

7)в процессе бурения не должна нарушаться целостность нижнего водоупора, в случае перебуривания водоупора необходимо предусматривать в дальнейшем его тампонирование; 8)утяжелитель для спуска в скважину полиэтиленовых обсадных колонн необходимо изготавливать из инертных материалов или же он должен быть извлекаемым.

Конструкции эксплуатационных (откачных и нагнетательных) скважин Конструкции откачных и нагнетательных скважин отличаются только по диаметру применяемых эксплуатационных колонн: откачные скважины обычно оборудуются колоннами большего диаметра. Диаметры скважин и эксплуатационных колонн определяются размерами раствороподающих или раствора подъемных устройств (эрлифты, погружные насосы и др.)

В практике подземного выщелачивания урановых руд применяются одноколонные и двухколонные конструкции технологических скважин. При значительных глубинах залегания продуктивных горизонтов и наличии в разрезе неустойчивых пород устье скважины может быть оборудовано направляющей трубой и кондуктором.

При сооружении эксплуатационных нагнетательных и откачных скважин с гидроизоляцией рабочих и продуктивных растворов с помощью манжет до рудного пласта скважины бурят диаметром 190–243 мм, перебуривание рудного пласта осуществляется долотами меньшего диаметра. Эксплуатационная колонна диаметром 110–140 мм оборудуется отстойником, фильтром, манжетой из кислотостойкой резины и утяжелителями.

Одноколонные конструкции нагнетательных и откачных технологических скважин ПВ с гидроизоляцией с помощью манжет обладают простотой и имеют небольшие затраты на их сооружение.

Конструкция одноколонной двухступенчатой эксплуатационной скважины с гидроизоляцией при помощи манжеты 1 – эксплуатационная колонна, 2 – фильтр, 3 – отстойник, 4 – разобщающая манжета, 5 – центратор, 6 – материал гидроизоляции, 7 – продуктивный пласт 7

В месте перехода на уменьшенный диаметр скважины эксплуатационная колонна снабжается манжетой с удлиненным корпусом и впаянным в основание металлическим кольцом, которое обеспечивает необходимую прочность и жесткость. Основное назначение манжеты – создание гидроизоляции выше зоны движения продуктивных растворов. Поверх манжеты заливается гидроизоляционный материал.

Интервал гидроизоляции обычно равен высоте от манжеты до динамического уровня подземных вод. Остальная часть затрубного пространства скважины может заполняться другим материалом, а устье скважины на глубину 2–3 м цементируется.

Проектирование эксплуатационных скважин 1. Выбирают тип фильтра в соответствии с рекомендациями (табл.) в зависимости от характера пород, слагающих продуктивный горизонт. Расчет конструкции скважины производится снизу вверх

Гравий, гравелистый песок с крупностью частиц от 1 до 10 мм и преобладающей крупностью частиц (более 50 % по массе) Трубчатые фильтры с круглой и щелевой перфорацией; с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки или из штампованного стального листа. Стержневые фильтры с обмоткой проволокой из нержавеющей стали или с водоприемной поверхностью из штампованного листа Состав продуктивных пластов Рациональные типы и конструкция фильтров Полускальные неустойчивые, щебенистые и галечниковые породы с преобладающей крупностью частиц щебня и гальки от 20 до 100 мм (более 50 % по массе) Трубчатые фильтры с круглой и щелевой перфорацией. Стержневые фильтры Область применения фильтров различных типов и конструкций

Пески крупнозернистые с преобладающей крупностью частиц 1– 2 мм (более 50 % по массе) Трубчатые фильтры с щелевой перфорацией с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, штампованного листа или сетки квадратного плетения Состав продуктивных пластов Рациональные типы и конструкция фильтров Пески мелкозернистые с преобладающей крупностью частиц 0,1–0,25 мм (более 50 % по массе) Трубчатые и стержневые фильтры с однослойной, двух- или трехслойной песчаной и песчано-гравийной обсыпкой (гравийные фильтры). Блочные фильтры, щелевые фильтры и их разновидности: дисковые, тарельчатые, гофрированные, антикоррозионные с песчано- гравийной обсыпкой Пески среднезернистые с преобладающей крупностью частиц 0,25–0,5 мм (более 50 % по Трубчатые и стержневые фильтры с водоприемной поверхностью из сеток гладкого (галунного) плетения. Трубчатые и стержневые фильтры с однослойной гравийной обсыпкой

2. Рассчитывают параметры рабочей части фильтра (его рабочую площадь F) по проектному дебиту скважины Q, мощности продуктивного горизонта H и его фильтрационными свойствами, характеризуемыми коэффициентом фильтрации к ф. 3. Площадь фильтра F, определяющая его водопропускную способность при допустимой скорости фильтрации v ф жидкости, находится в зависимости от диаметра Д ф и длины l ф рабочей части фильтра.

4. Принимая раствор пропускную способность фильтра равной проектному дебиту Q, определяют необходимую площадь фильтра по формуле: где F – рабочая площадь фильтра, м 2, Q – проектный дебит, м 3 /сутки, v ф – допустимая скорость фильтрации, м/сутки. (1)

5. Скорость фильтрации определяется Выражая рабочую площадь фильтра через его диаметр и длину, формула примет следующий вид: преобразуем и выбираем на основе расчета диаметр фильтра ближайший больший для выбранного типа фильтра.

Диаметр эксплуатационной колонны закачной скважины принимают, как правило, равным диаметру фильтра Д ф. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны Д в откачной скважины должен быть достаточным для размещения выбранного насоса (по дебиту Q и высоте подъема Н раствора ) и обязательно проверяется по условию Д в =Д н +Δ, где Д н - диаметр насоса; Δ - зазор на сторону между насосом и внутренним диаметром эксплуатационной колонны, принимают Δ =5 ÷ 10 мм. Затем выбирают колонну по наружному диаметру.

В последнее время технологические скважины ПВ оборудуются фильтрами с гравийной обсыпкой. С целью создания на забое скважины уширенного контура гравийной обсыпки призабойная зона скважины может предварительно расширяться. Проведенные исследования показали, что применение гравийных фильтров способствует повышению производительности и увеличению срока службы технологических скважин.

Конструкция одноколонной эксплуатационной скважины с расширением под гравийную обсыпку 1 – эксплуатационная колонна, 2 – фильтр, 3 – отстойник, 4 – центратор, 5 – песчано–гравийная обсыпка, 6 – материал гидроизоляции, 7 – продуктивный пласт 7

Оборудование нагнетательных скважин гравийными фильтрами позволяет увеличить приемистость скважины на 20 %, при этом также увеличиваются срок службы скважины и работоспособность раствора подъемных устройств, особенно погружных насосов. Гидроизоляция зон движения рабочих и продуктивных растворов осуществляется после создания вокруг фильтра песчано- гравийной обсыпки путем заливки гидроизоляционного материала поверх слоя гравия.

Одноколонная откачная скважина с комбинированной эксплуатационной колонной и подъемом продуктивных растворов с помощью погружных насосов В глубоких скважинах при высоком динамическом уровне продуктивных растворов эксплуатационная колонна может быть комбинированной. Верхняя часть колонны выбирается большего диаметра для установки погружных насосов.

Конструкция одноколонной откачной скважины с комбинированной эксплуатационной колонной и подъемом продуктивных растворов с помощью погружных насосов 1 – эксплуатационная колонна, 2 – фильтр, 3 – отстойник, 5- утяжелитель, 6 – материал гидроизоляции, 7 –гравийная обсыпка, 8 –центратор.

Длина верхней части эксплуатационной колонны увеличенного диаметра выбирается с учетом: динамического уровня раствора в скважине, длины насоса, глубины погружения насоса ниже динамического уровня (3–5 м) и дополнительного понижения уровня в результате кольматации фильтра. Собирается эта часть колонны в большинстве случаев из полиэтиленовых труб, длина которых определяется предельной глубиной спуска труб данного типоразмера.

Нижняя же часть эксплуатационной колонны соответствует диаметру фильтра. Материал труб нижней и верхней частей колонны может различаться. В нижней части устанавливаются более прочные трубы, например, из нержавеющей стали, стеклопластиковые и др.

При применении системы отработки месторождений, в которых число откачных и нагнетательных скважин выбирается из соотношения 1:3, 1:4, 1:5, производительность откачных скважин должна быть соответственно в 3, 4 и 5 раз больше производительности нагнетательных скважин.

При сооружении высокодебитных откачных скважин, оборудованных фильтрами с песчано-гравийной обсыпкой в условиях больших глубин (свыше 300 м) при наличии неустойчивых пород в верхних интервалах скважина оборудуется для закрепление неустойчивой части ствола скважины обсадной (защитной) колонной из металлических труб с последующей цементацией затрубного пространства.

Конструкция двухколонной двухступенчатой эксплуатационной скважины с расширением под гравийную обсыпку 1 – эксплуатационная колонна, 2 – фильтр, 3 – отстойник, 4 – центратор; 5 – материал гидроизоляции, 6 – защитная металлическая колонна, 7 – глинистый раствор, 8 – гравийная обсыпка

В дальнейшем скважина оборудуется эксплуатационной колонной (1) из кислотостойких материалов, которая изолируется от обсадной (6) (защитной) колонны при помощи : манжет или пакеров (не показаны), цементных (5 а), глинистых или известковых растворов (7). 5 а

Крепление геотехнологических скважин

Обсадные трубы для оборудования геотехнологических скважин

Требования предъявляемые к обсадным трубам для крепления и оборудования геотехнологических скважин высокая механическая прочность в условиях горного давления и гидродинамических нагрузок; стойкость материала труб к химически агрессивным средам (рабочим и продуктивным растворам), а также при работе в условиях низких и высоких температур;

высокие адгезионные свойства или сцепление с различными тампонажными и гидроизоляционными материалами; простота конструкции, надежность в работе и высокая герметичность соединений труб; невысокая стоимость труб, обусловливающая рациональную конструкцию скважин.

Типы применяемых труб Для крепления и оборудования геотехнологических скважин широко применяются стальные (в том числе из нержавеющей стали) и полиэтиленовые трубы. Реже используются трубы : полипропиленовые, винипластовые, бипластмассовые, трубы из обычной стали, футерованные полиэтиленом, стеклопластиковые, металлопластовые и др.

Стальные трубы из обычной стали применяются: при обсадке и оборудовании различных вспомогательных скважин: барражных, для гидроразрыва пластов, для водопонижения и др.; в качестве обсадных, защитных колонн при добыче урана методом подземного выщелачивания с использованием кислотных растворителей.

Использование обычных стальных труб в качестве раствора подъемных возможно при повышение их коррозионной стойкости с применением покрытий поверхности труб кислотостойкими оболочками (футерование, использование лаков и т. д.).

Трубы из нержавеющей (коррозионностойкой) стали Наиболее полно соответствуют требованиям технологии оборудования скважин ( в качестве раствора подъемных) при добыче металлов методом подземного выщелачивания с использованием кислотных растворителей. Применение таких стальных труб позволяет упросить конструкции скважин, облегчить оборудование скважин.

Но при этом! Применение труб из нержавеющей стали для крепления и оборудования технологических скважин ПВ очень ограничено вследствие их значительной стоимости. В настоящее время трубы из нержавеющей стали применяют в основном для изготовления фильтров глубоких скважин и другого скважинного оборудования.

Трубы из неметаллических материалов Трубы из полимерных материалов обладают высокой химической стойкостью при работе в различных агрессивных средах, достаточной механической прочностью, возможностью механической и тепловой обработки. Используют при сооружении технологических скважин подземного выщелачивания с использованием кислотных растворителей в качестве обсадных и эксплуатационных колонн, напорных трубопроводов для подачи сжатого воздуха и рабочих растворов в скважину.

полимерные (полиэтилен, полипропилен, винипласт), стеклопластиковые, металлопластовые, бипластмассовые и др. Типы труб

Трубы полиэтиленовые Для оборудования геотехнологических скважин наиболее широко применяются трубы из полиэтилена низкой и высокой плотности. Наиболее широко применяют полиэтиленовые трубы ПЭ 32 и ПЭ 63.

Трубы из ПЭ – 32 менее прочные, но более гибкие и имеют меньшую стоимость. Применение этих труб возможно только в горнотехнических условиях с высокой устойчивостью стенок скважин. В процессе сооружения и эксплуатации недопустимы осевые нагрузки, превышающие перепады гидростатического давления более 1 МПа. Это условие ограничивает возможность применения данного типа труб в скважинах глубже 100 м.

Для оборудования геотехнологических скважин используют в основном обсадные трубы из полиэтилена марки ПЭ–63. Полиэтиленовые трубы с наружным диаметром 110 – 200 мм и толщиной стенок до 18 мм по прочности незначительно уступают некоторым типам металлических и, несмотря на более высокую стоимость, чем ПЭ-32, их широко применяют при сооружении скважин ПВ. Особенно целесообразно их внедрение там, где они заменяют дефицитные и дорогие трубы из нержавеющей стали.

Прочностные характеристики полиэтиленовых труб Марка поли– этилена Длительная прочность, МПа Допустимое напряжение, МПа ПЭ 323,20–3,992,5 ПЭ 636,30–7,995,0

Размеры труб из полиэтилена Наружный диаметр,мм Толщина стенки, мм ПЭ 3210–1602,0 –20,8 ПЭ 6316 –3552,0–32,2

Однако трубы из полиэтилена имеют существенный недостаток – низкие адгезионные свойства. Это ведет к недостаточному сцеплению цементных и других растворов с поверхностью труб.

Металлопластовые трубы (МПТ) Металлопластовая труба это полимерная труба, армированная жестким стальным каркасом, сваренным во всех точках пересечения продольных и поперечных элементов или металлическими спиралями или сетками. Каркас внутри стенки трубы изолирован от воздействия внешней и перекачиваемой среды полимером. Каркас

Рис Констукции МПТ с соединениями Образцы конструкций МПТ с соединениями

Технология изготовления МПТ Одновременно и непрерывно выполняются все необходимые операции: экструзия и подача полимера в зону формования, формирование и сварка каркаса из проволоки, погружение каркаса в полимер, Сварочная машина Сварка

формование и охлаждение армированной трубы Выход трубы. из зоны охлаждения Для повышения долговечности труб осуществлен метод резкого двухстороннего охлаждения полимерной трубы без использования охлаждающих ванн. Система быстрого охлаждения предотвращает образование крупнокристаллической структуры полимера. В результате резкого охлаждения одновременно во всей массе экструдированного расплава образуетсямелкокристаллическая структура, придающая эластичность полимеру и повышающая долговечность и стойкость к растрескиванию. Резка трубы

Трубы металлопластовые–МПТ Соединение

высокими прочностными качествами, близкие к стальным трубам (благодаря металлическому каркасу). Глубины спуска таких труб превышают 780 м. высокой коррозионной химстойкостью и износостойкостью (благодаря полимеру). На предприятиях ПВ редкоземельных металлов эксплуатируется более 1500 км труб С созданием металлопластовых труб (МПТ) и технологии их производства решена проблема обеспечения качественно новым видом труб, обладающих одновременно:

Металлопластовые трубы имеют стоимость эквивалентную трубам из черного металла и в разы дешевле нержавеющих труб. Металлопластовые трубы должны выдерживать 50 лет безаварийной работы. За весь период эксплуатации МПТ (около 30 лет) не было предъявлено претензий к их качеству. Соотношение массы полимера и металла в МПТ составляет примерно 50:50. МПТ легче металлических труб почти в 3 раза. Дополнительная информация

Глянцевая поверхность и качество материала, из которого состоит МПТ, позволяет увеличить объем транспортировки на 20-70% при том же перепаде давления по сравнению с металлическими трубами. По сравнению с обычными пластиковыми трубами МПТ позволяет увеличить рабочее давление в трубах в 4-5 раз. А увеличение рабочего давления позволит применять трубы диаметром в 2-3 раза меньше. МПТ имеют в 4 и более раз большую износостойкость по сравнению с металлическими трубами. В настоящее время «Мепос» производит МПТ более 240 км в год.

Предприятием "Мепос"(с 1977 г.) выпускает полимерно– армированные трубы (металлопластовые–МПТ), изготавливаются из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и стальной проволоки общего назначения диаметром 3 мм. Преимущества: малая масса (ρ = 1,70…1,85 г/см 3 ), при механической прочности соизмеримой с прочностью стали; высокая стойкость к воздействию кислот; сохраняют работоспособность при низких температурах; срок службы в 3-5 раз больше чем у металлических труб, что обеспечивает надежную эксплуатацию в течении десятков лет (до 50 лет) без ремонта; выдерживают горное давление на глубинах до 780 м.

Основной недостаток металлопластовых труб Различие коэффициентов температурного расширения материала арматуры и полиэтиленовой оболочки, что может привести к растрескиванию тела трубы при резком изменении температуры в скважине.

Стеклопластиковые трубы Материалом для изготовления труб служит стекловолокно и связующие вещества в виде смол. Применяются для оборудования технологических скважин глубиной более 500 м. Обладают высокой прочностью и коррозийной стойкостью при работе в агрессивных средах. Эксплуатационное давление 2,5 – 3 МПа при диаметрах труб от 100 до 200 мм. Трубы имеют хорошую адгезию к цементу, что позволяет осуществить качественную гидроизоляцию затрубного пространства.

Изготовление труб В процессе намотки, волокна ориентируются по необходимому для оптимального восприятия нагрузок направлению. Трубы воспринимают в скважине помимо внутреннего давления растягивающие нагрузки, поэтому имеют значительное количество продольных слоев в процессе намотки, волокна ориентируются по необходимому для оптимального восприятия нагрузок направлению.

Стеклопластиковые трубы

Трубы и фасонные изделия изготавливаются с резьбовыми соединениями. В резьбовом соединении «ниппель – муфта» резьба соответствует размерам и профилю треугольной резьбы металлических насосно-компрессорных и обсадных труб с шагом 8 ниток на дюйм. Основное отличие заключается в том, что общая длина резьбы стеклопластиковых труб длиннее, чем у аналогичных металлических.

Преимущества: трубы из стеклопластика не подвергаются коррозии в силу того, что материал инертен к щелочам, солям, кислотам, а также к кислород- и сероводород-содержащим соединениям, парафиновым и иным твердым осадкам; небольшая масса труб гарантирует их высокую прочность (в среднем масса труб из стеклопластика в пять раз меньше массы аналогичного металлического изделия); не подвергаются отложениям парафинов, твердых осадков и различных солей;

гладкая внутренняя поверхность обеспечивает низкое гидравлическое сопротивление; уменьшение перепада давления по высоте колонны (при этом возможно использование труб меньшего размера по сравнению с аналогами из металла); сокращение затрат на обслуживание и эксплуатацию колонн; снижение количества аварийных ситуаций; отсутствие необходимости применения ингибиторов коррозии;

даже при транспортировке агрессивных жидкостей срок службы составит более 25 лет; масса труб из стеклопластика в пять раз меньше, чем масса аналогичной трубы из стали; профессиональная и оперативная установка конструкции не требует больших затрат.

Техническая характеристика труб Параметр Величина 1Глубина погружения, м.До Коэффициент запаса прочности Не менее 2.7 3Температура транспортируемой среды, о С До 110 4Длина трубы, м до 9

Трубы из поливинилхлорида ПВХ Обсадные трубы ПВХ предназначены для строительства технологических скважин для транспортировки растворов, к которым материал ПВХ химически стоек. Преимущества обсадных труб ПВХ для скважин: Срок службы более 50 лет Коррозийная стойкость Химическая стойкость Небольшой вес в сочетании с высокой механической прочностью Абсолютная герметичность и надежность резьбового соединения Удельная плотность труб нПВХ (1,4) больше плотности воды (1). Вследствие этого труба из материала НПВХ не всплывает в воде.

Техническая характеристика труб

Монтаж и спуск эксплуатационных и обсадных колонн

Спуск металлических обсадных и эксплуатационных колонн При сооружении технологических скважин в основном применяют два вида соединений металлических обсадных колонн – резьбовое (муфтовое) и с помощью электросварки. Герметичность резьбовых соединений повышают с помощью специальных смазок типа УС-1. Для центрирования обсадных колонн через м по длине колонны устанавливают направляющие фонари - центраторы, в результате чего происходит более качественная цементация затрубного пространства.

Центратор 1 стопорное кольцо, 2 пружинная планка, 3 кольцо

Спуск металлопластовых труб (МПТ) Соединения могут быть неразъемными (термическая контактная сварка) и разъемными (фланцевое, резьбовое). Все виды соединения равнопрочны с телом МПТ. Соединение МПТ со стальной трубой или арматурой может быть фланцевым и неразъемным.

Трубы ПВХ Соединение труб -резьбовое

Стеклопластиковые трубы Два способа соединений стеклопластиковых труб – с помощью накидных металлических муфт и с помощью резьбовых соединений. Резьба нарезается на утолщенных посредством дополнительной намотки стекложгута концах труб. Соединение труб муфтово–замковое.

Трубы монтируются, смазываются резьбы, спускаются в скважины при помощи стандартного оборудования, в дополнение к которому поставляются специальные ключи динамометрические (для контролирования момента свинчивания резьбового соединения).

Спуск полиэтиленовых обсадных и эксплуатационных колонн Два вида соединений: – резьбовое, – термоконтактная сварка встык

а б б Полиэтиленовые трубы – соединение "труба в трубу"

Типовые профили трапецеидальной резьбы: а – для соединения «труба в трубу»; бдля труб замкового соединения аб

Установка для сварки 1 – стойка мачты буровой установки; 2 – ротор; 3 – лебедка; 4 – центратор; 5 – пневмоцилиндр; 6 – торцовочное приспособление; 7 – терморегулятор; 8 – нагревательный элемент; 9 – регулятор давления; 10 – переключатель; 11 – манометр; 12 – свариваемые трубы; 13 – рама крепления к мачте; 14 – платформа буровой установки

1. Их отцентрировать. 2.Отторцевать. 3. Произвести нагрев кромок до требуемой температуры и на заданную глубину. 4. Сжать их после нагрева с необходимым усилием. Минимальное давление в месте контакта свариваемых поверхностей должно быть 0,15 МПа. Для сварки полиэтиленовых труб необходимо:

Лучший способ монтажа полиэтиленовых труб при спуске их в скважину в виде полностью собранной на поверхности колонна с помощью специальных приспособлений.

В процессе спуска в скважину собранной и испытанной на поверхности полиэтиленовой колонны труб ее оборудуют специальными элементами: к ее нижнему концу подсоединяют: средства гидроизоляции (манжету), фильтр, отстойник, утяжелитель.

1–арка; 2– звенья арки; 3–направляющие ролики; 4–домкраты; 5– опорный башмак; 6– колонна полиэтиленовых труб; 7– стойка мачты; 8– крюк Устройство для спуска сваренной колонны полиэтиленовых труб в скважину

Для плавного изменения направления движения колонны из горизонтального положения в вертикальное на столе ротора устанавливают направляющее устройство в виде дуги, на которую укладываются полиэтиленовые трубы. С помощью лебедки бурового станка добиваются плавного перехода колонны в вертикальное положение.

Утяжелители для спуска полимерных труб а – съемный утяжелитель (бурильные трубы); б – стационарный утяжелитель; в – стационарный утяжелитель с распределенной массой. 1 – колонна обсадных труб; 2 – бурильные трубы; 3 – манжета; 4 – фильтр; 5 – утяжелитель; 6 – секция утяжелителя абв

Расчет обсадных труб при сооружении геотехнологических скважин Обсадные и эксплуатационные колонны труб, опущенные в скважину, испытывают следующие напряжения: растяжения от собственного веса при спуске в скважину; сжатия при установке колонны на забой скважины; смятия от сил горного давления и гидростатического давления в период цементирования и эксплуатации скважины; суммарные напряжения растяжения (сжатия) и изгиба при спуске труб в наклонные и искривленные скважины.

Разрывное усилие от веса труб можно определить по формуле: где P р - разрывное усилие, Н; L- предельно допустимая глубина спуска, м; q - масса 1 п.м гладкой части обсадных труб, кг; g - ускорение свободного падения, м/с 2 ; α- коэффициент увеличения веса колонны за счет соединений (α = 1,1 при муфтовом соединении, α = 1,05 при ниппельном и при соединении «труба в трубу» за счет высадок на концы труб); γ ж - плотность промывочной жидкости, кг/м 3 ; γ м - плотность материала обсадных труб, кг/м 3.

С другой стороны разрывное усилие определяется по формуле: P P =σ т F, где σ т - предел текучести материала труб, МПа, F - площадь сечения обсадной колонны по впадине её резьбовой части, м 2.

Приравняв правые части выражений и решив относительно L, получим зависимость для определения предельно допустимой глубины спуска обсадной колонны:

В связи с тем, что плотность полимерных труб меньше плотности воды, то глубина их спуска в обводненную скважину практически не ограничивается. Их спуск возможен только при использовании утяжелителей, которые устанавливаются : либо в нижней части колонны (съемный утяжелитель -бурильные трубы или стационарный утяжелитель ) либо в виде металлических хомутов, располагаемых на некотором расстоянии друг от друга по длине колонны (стационарный утяжелитель с распределенной массой).

Наиболее частыми причинами выхода из строя неметаллических обсадных и эксплуатационных колонн является смятие горным давлением из-за недостаточной прочности полиэтиленовых труб к внешним нагрузкам. Поэтому очень важно определение предельных сминающих давлений для полиэтиленовых труб с различной толщиной стенки. Это позволяет выбирать геометрические параметры полиэтиленовых труб и, в первую очередь, наружный диаметр и толщину стенки в зависимости от конкретных условий эксплуатации и прочностных характеристик материала труб.

При большой глубине спуска обсадных труб могут возникнуть условия, приводящие к смятию труб. Вычисление наименьшего сминающего давления Р см можно произвести по формуле где t – толщина стенки; r н – наружный радиус трубы; α = r вн / r н, r вн – внутренний радиус трубы; k д – коэффициент запаса прочности, принимают k д =0,85, β=7, опытный коэффициент

σ экв – наибольшее эквивалентное напряжение, равное для полиэтиленовых труб пределу текучести материала при одноосном растяжении, МПа Обычно в расчете для полиэтилена принимают : σ 0 = 18,2 МПа, α = 39,3 МПа

Наиболее опасными сечениями по длине колонны являются резьбовые соединения. Их механическая прочность зависит от длительности нагружения и температуры окружающей среды. Особое место занимают температурные деформации в технологических скважинах ПВ.

Величину осевой нагрузки за счет изменения температурного режима работы колонны можно определить из выражения где P t – осевая нагрузка, возникающая в колонне в результате охлаждения или нагрева; α – коэффициент линейного расширения материала труб; E – модуль продольной упругости материала труб; F – площадь поперечного сечения трубы; Δt – средняя температура охлаждения или нагрева колонны в наиболее нагруженном интервале (обычно от статического уровня раствора в скважине до нижней границы гидроизоляции).

Для повышения работоспособности колонн из неметаллических материалов на месторождениях ПВ необходимо принимать следующие меры: повышать прочность соединений труб; поддерживать стабильность температуры закачиваемых растворов; по возможности увеличивать подвижность эксплуатационных колонн, заменяя цементные растворы пластичными тампонажными пастами.

Проектирование эксплуатационных скважин 1. Выбирают тип фильтра в соответствии с рекомендациями (табл.) в зависимости от характера пород, слагающих продуктивный горизонт. Расчет конструкции скважины производится снизу вверх

Гравий, гравелистый песок с крупностью частиц от 1 до 10 мм и преобладающей крупностью частиц (более 50 % по массе) Трубчатые фильтры с круглой и щелевой перфорацией; с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки или из штампованного стального листа. Стержневые фильтры с обмоткой проволокой из нержавеющей стали или с водоприемной поверхностью из штампованного листа Состав продуктивных пластов Рациональные типы и конструкция фильтров Полускальные неустойчивые, щебенистые и галечниковые породы с преобладающей крупностью частиц щебня и гальки от 20 до 100 мм (более 50 % по массе) Трубчатые фильтры с круглой и щелевой перфорацией. Стержневые фильтры Область применения фильтров различных типов и конструкций

Пески крупнозернистые с преобладающей крупностью частиц 1– 2 мм (более 50 % по массе) Трубчатые фильтры с щелевой перфорацией с водоприемной поверхностью из проволочной обмотки, штампованного листа или сетки квадратного плетения Состав продуктивных пластов Рациональные типы и конструкция фильтров Пески мелкозернистые с преобладающей крупностью частиц 0,1–0,25 мм (более 50 % по массе) Трубчатые и стержневые фильтры с однослойной, двух- или трехслойной песчаной и песчано-гравийной обсыпкой (гравийные фильтры). Блочные фильтры, щелевые фильтры и их разновидности: дисковые, тарельчатые, гофрированные, антикоррозионные с песчано- гравийной обсыпкой Пески среднезернистые с преобладающей крупностью частиц 0,25–0,5 мм (более 50 % по Трубчатые и стержневые фильтры с водоприемной поверхностью из сеток гладкого (галунного) плетения. Трубчатые и стержневые фильтры с однослойной гравийной обсыпкой

2. Рассчитывают параметры рабочей части фильтра (его рабочую площадь F) по проектному дебиту скважины Q, мощности продуктивного горизонта H и его фильтрационными свойствами, характеризуемыми коэффициентом фильтрации к ф. 3. Площадь фильтра F, определяющая его водопропускную способность при допустимой скорости фильтрации v ф жидкости, находится в зависимости от диаметра Д ф и длины l ф рабочей части фильтра.

4. Принимая раствор пропускную способность фильтра равной проектному дебиту Q, определяют необходимую площадь фильтра по формуле: где F – рабочая площадь фильтра, м 2, Q – проектный дебит, м 3 /сутки, v ф – допустимая скорость фильтрации, м/сутки. (1)

5. Скорость фильтрации определяется Выражая рабочую площадь фильтра через его диаметр и длину, формула примет следующий вид: преобразуем и выбираем на основе расчета диаметр фильтра ближайший больший для выбранного типа фильтра.

Диаметр эксплуатационной колонны закачной скважины принимают, как правило, равным диаметру фильтра Д ф. Внутренний диаметр эксплуатационной колонны Д в откачной скважины должен быть достаточным для размещения выбранного насоса (по дебиту Q и высоте подъема Н раствора ) и обязательно проверяется по условию Д в =Д н +Δ, где Д н - диаметр насоса; Δ - зазор на сторону между насосом и внутренним диаметром эксплуатационной колонны, принимают Δ =5 ÷ 10 мм. Затем выбирают колонну по наружному диаметру.

Конструкция откачной и закачной скважин по данным менеджера ГХД АО «НАК «Казатомпром» Важинского Ю.Н.