9.Вскрытие продуктивного горизонта
advertisement
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 раствороприемной части скважины. • Освоение пласта – это технологические операции, обеспечивающие оборудование раствороприемной 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. Глубина проникновение глинистого раствораотивления в поры пласта зависит в основном от его вязкости и статического напряжения сдвига. Зависомость глубины проникновения глинистого раствора в пески (размер зерен 1÷1,25 мм) от вязкости раствора 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; τ0 – сопротивление раствора сдвигу. • Для крупнозернистых и гравелистых песков и других высокопроницаемых пород глубину проникновения раствора следует рассчитывать по формуле • где R0 – 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 Техническая вода. • 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. • 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/VT, • где ΣV – суммарный объем ствола скважины; VT – 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 1. Малоглинистые промывочные жидкости плотностью 1050 – 1090 кг/м3. • Получают такие растворы путем замены глинистых растворов, используемых для разбуривания вышележащих пород и имеющих обычно плотность, величина которой достигает значительных величин, более 1200 кг/м3. • 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. • 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. 2.Малоглинистые промывочные жидкости ПЖ с полиакриламидом. • • • • К глинистому раствору плотностью 1100–1150 кг/м3 и с водоотдачей 20–25 см3/30 мин добавляются две части технической воды и из расчета 20–30 кг полиакриламида на 1 м3 малоглинистого раствора. Водоотдача полученной промывочной жидкости снижается до 10 см3/30 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. 3.Малоглинистые промывочные жидкости, аэрированные омыленными и высокомолекулярными жирными спиртами (ВЖС). •При приготовлении ПЖ в глинистый раствор, имеющий обычно высокую плотность, вводится ВЖС из расчета 5– 6 л на 1 м3 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/м3. •Уменьшается кольматация пластов . •Значительно (до 2,7 раз) повышает приемистость нагнетательных скважин по сравнению со скважинами, пробуренными с применением нормальных глинистых растворов. 4.Малоглинистые промывочные жидкости, обработанные веществами, легко растворимыми в кислоте. • 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. • Наиболее эффективной добавкой является гидроокись двух– и трехвалентного железа, обладающая высокой дисперсностью и плотностью 3400–3900 кг/м3. Гидроокись железа вводят в раствор в количестве 1м3 раствора гидроокиси на 2–5м3 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 15 - 20 %. • 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/м3), • 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 рп было меньше давления сжатого воздуха на пласт рк или давления, развиваемого компрессором. • Обычно принимают рп ≤ 0,8 pк. • 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. Схема расположения оборудования для бурения с продувкой • 1 — компрессор; 4 — влагомаслоотделитель; 16 — нагнетательный шланг; 18–бурильная труба; 20 — труба для отвода воздуха со шламом 21 — герметизатор устья скважины 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 200-250 мм на глубину 200—300 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. Однако при сооружении технологических скважин ПВ способ вскрытия продуктивных пластов с обратной промывкой пока не нашел широкого применения по следующим причинам: •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. 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. Существующие способы декольматажа условно разделяются на 4 группы: • • • • гидродинамические, гидрофизические, химические комбинированные 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 (Рр), которое зависит как от горного давления (Рг), так и от прочности горных пород. • В зависимости от соотношения Рр/Рг 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. Схема вскрытия продуктивного горизонта гидроразывом пласта 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 ; 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: В конце 1980-х годов созданы гидродинамические кавитаторы, основанные на разрыве потока и формировании в нем больших полостей (каверн). 1 –корпус; 2 – резьбы; 3 – шар; 4 – гнездо кавитационное 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 Взрыв твердых взрывчатых веществ (Торпеды с Детонирующим Шнуром -ТДШ) • 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. Торпеды из детонирующего шнура. в — ТДШ для обработки малопрочных фильтров а — ТДШ-25; 1 — кабель, б — ТДШ-В: 2 — головка, 1 — головка, 3 — взрывной патрон, 2 — взрывной патрон, 4 — детонирующий шнур, 3 — детонирую- 5 — центраторы, щий шнур, 6 — стальные стержни, 4 — трос, 7 — натяжной груз, 5 — центраторы, 8 — отверстия, 6 — натяжной 9 — полый цилиндр, груз; 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 Р1 при расширении газового пузыря резко падает сначала до гидростатического Ро, затем по инерции до Р3, меньшего Ро. Схема пульсации газового пузыря при взрыве; Р– давление в газовом пузыре; R – радиус газового пузыря; t – время; Схема действия взрыва при очистке фильтра 1 – детонирующий шнур в момент взрыва; 2 – расширение газового пузыря; • При этом на участке Р1 — Р3 расширяющиеся газы отжимают жидкость из скважины в пласт. • Затем на газовый пузырь начинает действовать гидростатическое давление, сжимая его сначала до Р0, а затем по инерции до Р2, большего, чем Р0. На участке Р3-Р2 сжимающая газовый пузырь жидкость будет стремиться из пласта в скважину . Пульсация с затухающими амплитудами повторяется несколько раз, способствуя удалению осадка из отверстий фильтра. Схема пульсации газового пузыря при взрыве; Р– давление в газовом пузыре; R – радиус газового пузыря; t – время; Схема действия взрыва при очистке фильтра 1 – детонирующий шнур в момент взрыва; 2 – расширение газового пузыря; 3 – сжатие газового пузыря. 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.) • • • • • • • • Электрическая схема электровзрывной установки для очистки фильтров ПУ–пульт управления, РТр– автотрансформатор, ВТр – высоковольт ный трансформатор, R – зарядное Схема электрогидравлического сопротивление, разрядника (для пробоя жидкости) В – выпрямитель С–конденсатор, ИРФ–формирующий 1–высоковольтный искровой разрядник, электрод, ИРР– искровой рабочий 2–заземленный разрядник; электрод • 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 1,5—2,0 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 Фильтр с нанесением на его поверхность слоя глинистого раствора толщиной 5 см. Произведен 1 взрыв проволочки в средней части фильтра. Сетка в два слоя 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: 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 • • • • • 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: 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. В практике сооружения технологических скважин наиболее широко применяют три способа расширения призабойной зоны: • • • • механический, гидродинамический, комбинированный. Предпочтение отдают механическому и комбинированному способам, основанным на механическом разрушении горных пород с использованием энергии струи промывочной жидкости. При сооружении технологических скважин ПВ применяют механические расширители 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. 1 – режущие лопасти; 2 – втулка; 3 – корпус расширителя; 4 – нажимное устройство; 5 – корпус поршня; 6 – резиновые манжеты; 7– гайка; 8 – переходник • Для расширения фильтровой части скважин под гравийную обсыпку на предприятиях Казатомпрома используют в настоящее время лопастные расширители РЗ 260/320. 1 – 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. 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 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. • 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 2принимают 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: • 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. 1 – корпус; 2 – поршень; 3 – тяга; 4 – лопасти; 5 — породоразрушающий наконечник • 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 гидромониторного 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 изза 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 • 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. • 1 – корпус; 2 – породоразрушающий наконечник; 3 – лопасть - расширитель; 4 – тяга • • • • • 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.
