Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Цементирование и гидроизоляцию геотехнологических скважин, являющиеся важнейшими факторами эффективности и качества работ, связанных с добычей твердых полезных ископаемых, осуществляют с целью решения следующих основных задач:

— предотвращения растекания рабочих и продуктивных растворов из отрабатываемых продуктивных пластов через затрубное простран­ство скважин в выше — и нижележащие водоносные горизонты;

— разобщения пространства между эксплуатационной и обсадной колоннами. Применяют в основном тогда, когда обсадная колонна выполнена из корродирующего материала, а рабочие и продуктивные растворы обладают высокой агрессивностью;

— защиты эксплуатационной колонны от сминающих усилий, вы­званных горным давлением слабоустойчивых пород, вскрытых в процес­се бурения скважин. Такая защита особенно необходима, когда сква­жиной вскрываются мощные пласты несцементированных, неустойчи­вых пород и в качестве обсадных колонн применяют неметаллические трубы;

— предотвращения утечек рабочих растворов через соединения (чаще всего резьбовые) эксплуатационных колонн, особенно при вы­соконапорном режиме нагнетания;

— удержания и изоляции обсадных и эксплуатационных колонн в скважине, когда ствол скважины в призабойной зоне представлен камерой (полостью) значительных размеров. Это необходимо учиты­вать при сооружении эксплуатационных скважин для СГД, бесфиль- тровых скважин ПВ, подземной выплавки серы, подземного раство­рения солей и др. Расширение призабойной зоны скважин с целью повышения их производительности также широко практикуется при сооружении технологических скважин подземного выщелачивания металлов;

— локализации рудных тел и отдельных залежей для предотвра­щения растекания выщелачивающих и продуктивных растворов в от­дельных блоках при подземном выщелачивании металлов путем за­качки в специально оборудованные трещины гидроразрыва цемент­ных и других растворов;

— упрочнения стенок скважин при сооружении эксплуатацион­ных скважин ПВ в раздробленных породах и в подготовительных скальных блоках;

— создания искусственных целиков для предупреждения размыва породы в зоне башмака обсадной колонны. Это мероприятие находит применение при оборудовании эксплуатационных скважин при под­земном растворении солей.

Для обеспечения качественной гидроизоляции и разобщения пород, вскрытых скважинами, тампонажные и гидроизоляционные материа­лы должны удовлетворять следующим основным требованиям:

✓ образовывать легкоподвижные системы, которые можно прока­чать буровыми насосами;

сохранять свою начальную консистенцию как в статических (без перемешивания), так и в динамических (при непрерывном пере­мешивании) условиях;

✓ иметь определенные пределы плотности: облегченные системы плотностью ниже 1700 кг/м3 применяют для цементирования пород с низким пластовым давлением, обычные системы — 1700—2000 кг/м3; утяжеленные — выше 2000 кг/м3 применяют для цементирования пла­стов с высоким давлением пластов жидкости;

^ иметь достаточную прочность и обеспечивать хорошую водо — и газонепроницаемость, а также достаточную устойчивость при воздей­ствии агрессивных сред.

Разнообразие и специфика геотехнологических методов разработ­ки месторождений твердых полезных ископаемых требуют примене­ния различных тампонажных и гидроизоляционных материалов.

При разработке полезных ископаемых методом подземного выще­лачивания применяют кислотостойкие тампонажные материалы. Со­став большинства кислостойких цементов основан на образовании стойкого против кислотной агрессии геля кремневой кислоты 51(ОН)4. Кислостойкие цементы имеют ряд недостатков, затрудняющих их при­менение при цементировании скважин: высокую консистенцию и плот­ность, большую усадку образующегося камня. Поэтому при разработ­ке составов кислостойких тампонажных цементов необходимо учиты­вать перечисленные выше особенности.

С целью снижения усадки кислостойких цементных растворов при их застывании необходимо придавать им способность к расширению. Применение расширяющихся цементных растворов способствует по­вышению качества цементирования и гидроизоляции, но при этом не­обходимо учитывать прочность обсадной колонны, так как при силь­ном расширении цементов возможно смятие обсадных труб и выход скважины из строя.

При сооружении геотехнологических скважин наиболее широкое применение находят облегченные цементные растворы, а также тер­мостойкие, низкогигроскопичные и др. Облегченные цементные раст­воры чаще всего используют при сооружении технологических сква­жин подземного выщелачивания металлов, оборудованных пластмас­совыми и другими неметаллическими трубами.

Термостойкие шлакопесчаные цементы могут использоваться в ос­новном при цементировании эксплуатационных скважин для подзем­ной выплавки серы и подземного растворения солей. Тампонажные це­менты, затворенные на насыщенном растворе хлористого натрия №С1 с концентрацией не менее 310 г/л, применяют для цементирования об­садных колонн при сооружении технологических скважин подземного растворения солей. При разработке легкорастворимых высокопластич­ных калийно-магниевых солей применяют магнезиальные растворы.

С целью снижения нарушений целостности обсадных и эксплуа­тационных колонн, сокращения затрат на сооружение технологических скважин и возможности извлечения обсадных труб после окончания эксплуатации скважин используют тампонажные материалы на осно­ве битума. Закачку битума осуществляют под давлением 0,5—1 МПа при температуре 184 °С. Извлечение обсадной колонны можно осу­ществлять путем предварительного разогрева битума горячей водой с температурой 100 °С. Битумы в качестве тампонажных материалов целесообразно использовать для сооружения эксплуатационных скважин для подземной выплавки серы, подземного растворения солей и сква­жинной гидродобычи, когда скважины оборудуются металлическими или стеклопластиковыми обсадными и эксплуатационными колоннами.

Наличие высоких температур при расплавлении битумов не по­зволяет использовать их в качестве тампонажного материала при со­оружении скважин, оборудованных полиэтиленовыми, полипропиле­новыми, винипластовыми и металлопластовыми трубами.

Недостаточная адгезия (сила сцепления) цементного раствора с по­верхностью пластмассовых или металлопластовых труб не всегда обес­печивает надежную гидроизоляцию зон движения рабочих и продук­тивных растворов. Сцепление цементного камня с полиэтиленовыми трубами в среднем составляет 0,02—0,09 МПа. При добавлении в це­ментный раствор 7—12 % извести или гипса сцепление увеличивается на 60—80 %. Росту сцепления цементного камня с поверхностью поли­этиленовых труб на 50—70 % способствует также увеличение ОЗЦ с 2 до 8 сут.

Другим направлением повышения адгезионной прочности поли­мерных труб к цементным растворам является изменение физико-ме — ханических свойств поверхности труб с помощью механических, фи­зических и химических методов.

Механическими способами обработки полимерных труб являются очистка их поверхности щетками и обработка труб пескоструйными аппаратами для придания им шероховатости.

К физическим способам относят обработку поверхности полиэти­леновых труб тлеющим или коронным разрядами, которые ведут к из­менению химических свойств обрабатываемой поверхности.

Химическую подготовку поверхности труб производят с примене­нием растворителей, например растворов марганцовистого калия, ми­неральных кислот и т. п. В этом случае прочность адгезионных связей может быть повышена в 1,5—2 раза (ксилол-полиэтилен).

При сооружении технологических скважин для подземной выплав­ки серы, подземного растворения солей и подземной газификации возможно применение способов одно — и двухступенчатого цементиро­вания с одной или двумя разделительными пробками, а также закачка тампонажного раствора через башмак обсадной колонны, оборудован­ной обратным клапаном. В скважинах для СГД эти способы цементи­рования применения не находят, так как не предотвращают попадание тампонажных растворов внутрь обсадных труб и не исключают воз­можности цементирования пакеров, предназначенных для посадки внут­ренней трубы добычного снаряда. Сложным и трудоемким процессом является также цементирование скважин ПВ, оборудованных неметал­лическими обсадными и эксплуатационными колоннами.

В практике сооружения скважин ПВ и СГД широко применяют способы цементирования через заливочные трубки, по которым и по­дается цементный раствор. В зависимости от размещения заливочных трубок различают два варианта доставки тампонажных материалов в за — трубное пространство скважины. При первом варианте цементирования заливочные трубки опускают в затрубное пространство цементируемой колонны, при втором — внутрь обсадной или эксплуатационной колонны.

Вариант доставки тампонажных материалов при размещении зали­вочных трубок в затрубном пространстве колонны показан на рис. 12.14.

Нижний конец заливочных трубок опускают выше башмака ко­лонны или разобщающей манжеты на 0,5—2 м и по ним в затрубное пространство закачивают цементный раствор в требуемом объеме. В качестве заливочных трубок возможно применение бурильных труб ниппельного соединения, насосно-компрессорных труб или полиэти­леновых шлангов. В связи с трудностью спуска в скважину полиэтиле­новых шлангов предусмотрено их крепление к обсадным или эксплуа­тационным трубам и одновременный спуск.

При цементировании обсадных колонн из полимерных материалов с целью предупреждения смятия предусматривается полное заполне­ние их внутренней полости глинистым раствором (см. рис. 12.14, а), причем по мере заполнения затрубного пространства тампонажным раствором заливочные трубки приподнимают. Для предупреждения перетекания цементного раствора в полость обсадной колонны ее башмак оборудован диафрагмой, изготовленной из чугуна, стекла и других материалов, либо предусмотрена заливка полости обсадной колонны глинистым раствором с плотностью, близкой к плотности цементного раствора.

При цементировании колонн, оборудованных в нижней части фильтром, предусматривается постановка разобщающей манжеты, за­крепленной на колонне выше фильтра (см. рис. 12.14,6), которая предотвращает поступление тампонажных растворов в прифильтровую

Рис. 12.14. Схемы цементирования скважин с применением заливочных трубок: а, б— путем спуска заливочных трубок в затрубное пространство обсадной колонны; в, г —путем спуска заливочных трубок в полость обсадной колонны, / — ствол скважины, 2—обсадная (экс­плуатационная) колонна, 3 — заливочные трубки, 4 — разобщающая манжета; 5— пакер; 6 — обратный клапан, 7—цементирующее устройство, 8—диафрагма, 9— центратор

зону скважины. Манжета выполнена из эластичного материала, в ос­новном из кислотостойкой резины и имеет форму усеченного конуса, широкая часть которого больше диаметра скважины на 20—50 мм. Для лучшей герметизации прифильтровой зоны скважины посадку ман­жеты обычно производят на уступ, образованный при переходе ствола скважины на уменьшенный диаметр.

Основные недостатки цементирования при размещении заливочных трубок в затрубном пространстве:

— затруднено использование при цементировании глубоких сква­жин в связи с трудностью спуска заливочных трубок;

— необходимость увеличения диаметра скважин для размещения заливочного става в пространстве между стенкой скважины и обсад­ной колонной. Для цементирования обсадной колонны из полиэти­леновых труб диаметром 110 мм и применения в качестве заливочно­го става бурильных труб диаметром 42 мм диаметр скважины должен быть не менее 190—214 мм, что приводит к увеличению стоимости ее сооружения;

— при использовании в качестве заливочных трубок бурильных, насосно-компрессорных и других металлических труб увеличивается вероятность повреждения цементируемых труб и их соединений, что приводит к аварийным ситуациям и выходу скважины из строя;

— невозможность оборудования цементируемой колонны центри­рующими фонарями, скребками и другими приспособлениями вслед­ствие того, что они являются препятствием для спуска заливочного става;

— не обеспечивается высокое качество цементирования в связи с неравномерным распределением цементного раствора за колонной и разбавлением его глинистым раствором.

=№

»Ж

Рис. 12.15. Схема це­ментирования неме­таллических колонн с применением разде­лительных пробок:

Более совершенным способом подачи тампо — нажных растворов является подача через заливоч­ные трубки, опущенные в полость цементируемой колонны (см. рис. 12.14, в, г).

При цементировании неметаллических обсадных колонн через заливочные трубки, опущенные внутрь колонны, по схеме, показанной на рис. 12.14, в, нижний конец заливочных трубок снабжается об­ратным клапаном 6 и пакером 5, устанавливаемым в зоне башмака обсадной колонны на расстоянии не более 0,5 м от низа с целью предупреждения заполнения полости колонны цементным раство­ром. После установки пакера в обсадную колонну до устья скважины заливают глинистый раствор с плотностью не ниже 1200 кг/м3. Верх колонны оставляют открытым. После закачки цементного раствора и ОЗЦ пакер срывают и вместе с зали­вочным ставом извлекают из скважины. Высота цементного стакана в обсадной колонне при такой схеме цементирования не превышает 0,5 м и не затрудняет дальнейшего углубления скважины.

/ — ствол скважины; 2 — обсадная неметалличе­ская колонна; 3 — защит­ная металлическая ко­лонна; 4 —- центратор; 5—цементировочная го­ловка; 6— разделительные пробки; 7—продавочная жидкость; <?—цементный раствор; 9—глинистый раствор

Цементирование неметаллических обсадных ко­лонн можно производить и с помощью тради­ционных методов, например по схеме с одной или двумя разделительными пробками. Для этого с це­лью предохранения обсадной колонны от разруше­ния при движении пробок применяют дополнитель­ную защитную металлическую колонну, опущен­ную внутрь цементируемой колонны (см. рис. 12.15). Верх обеих колонн герметизируют, а пространство между ними заполняют глинистым раствором. За­качку цементного раствора производят только че­рез внутреннюю защитную колонну. Тампонаж — ный раствор с помощью продавочной жидкости вытесняется за неметаллическую колонну. После ОЗЦ цементный стакан и разделительные пробки разбуривают, а защитную металлическую колонну извлекают из скважины. В дальнейшем осуществ­ляют вскрытие продуктивного горизонта и обору­дование скважины фильтровой колонной.

Выбор зоны цементирования обсадных и эксплуатационных ко­лонн определяют с учетом материала труб, глубины и конструкции скважин, их назначения, устойчивости пород приствольной зоны.

В практике сооружения геотехнологических скважин применяют полную и частичную цементацию. При полном цементировании про­странство за эксплуатационной (обсадной) колонной заполняется це­ментным (тампонажным) раствором от фильтра или башмака обсад­ной колонны до устья скважины. Полную цементацию затрубного пространства применяют, когда геологический разрез месторождения сложен неустойчивыми и перемежающимися породами при сооруже­нии технологических скважин; для подземной выплавки серы, под­земного растворения солей, подземной газификации, а также нагне­тательных скважин подземного выщелачивания металлов.

В откачных и наблюдательных скважинах ПВ обязательным явля­ется цементирование интервалов от фильтра до пьезометрического уровня подземных вод, а также зон ниже фильтра в случае вскрытия данной скважиной нижележащих водоносных горизонтов.

При сооружении технологических скважин СГД обязательным яв­ляется цементирование низа эксплуатационной колонны с целью удер­жания в затрубном пространстве столба жидкости во время работы добычных устройств.

В остальных случаях при сооружении откачных и наблюдательных скважин ПВ, а также при сооружении скважин другого целевого на­значения высоту цементной оболочки при частичном цементировании определяют мощностью неустойчивых пластов или интервалом сква­жины, при котором обеспечивается надежная гидроизоляция продук­тивного горизонта.

К оборудованию технологических скважин ПВ предъявляют спе­цифические требования, связанные с необходимостью гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов. Надежная изоля­ция зон движения растворов повышает технико-экономические пока­затели добычи и является важным мероприятием охраны природы и, в частности, подземных вод.

Осуществляют гидроизоляцию по самым разнообразным схемам с применением различных материалов. Одним из самых распростра­ненных способов гидроизоляции рабочих и продуктивных растворов при отработке месторождений методом ПВ является способ с исполь­зованием кислотостойких резиновых манжет. Для обеспечения необ­ходимой прочности в основание манжеты впаивают металлическое кольцо, которое с помощью специальных кислотостойких штифтов при­соединяется к телу трубы, изготовленной обычно из полиэтилена или другого кислотостойкого материала. Место установки манжеты соот­ветствует переходу ствола скважины на уменьшенный диаметр буре­ния. Схема гидроизоляции показана на рис. 12.6, а.

Гидроизоляционный материал заливают в этом случае обычно по­верх манжеты через заливочные трубки, которые опускают в затруб — ное пространство или внутрь эксплуатационной (обсадной) колонны.

В последнее время технологические скважины ПВ оборудованы фильтрами с гравийной обсыпкой, очень часто с предварительным рас­ширением призабойной зоны. Применение гравийных фильтров спо­собствует повышению производительности технологических скважин и увеличению срока службы. Гидроизоляционный материал при соору­жении таких скважин заливают поверх слоя гравия (см. рис. 12.6,6).

Интервал гидроизоляции, кроме специально оговариваемых случаев, как правило, равен высоте от манжеты или верхнего уровня гравийного слоя до статического (откачных скважин) или динамического (для на­гнетательных скважин) уровня подземных вод. Остальную часть сква­жины обычно заполняют инертным (очень часто песчаным) материа­лом, а устье скважин на глубину 2—3 м цементируют, что предотвра­щает попадание растворов с поверхности в затрубное пространство.

Гидроизоляция с помощью манжет требует небольших затрат средств и обеспечивает при качественной посадке манжеты достаточ­но высокую надежность перекрытия зон движения растворов. Основ­ным недостатком гидроизоляции с использованием манжет является проникновение цементных растворов или других гидроизоляционных материалов под манжету, что приводит иногда к цементированию фильтров. В большинстве случаев это обусловливается отсутствием достаточного уступа при переходе на меньший диаметр скважины и его размывом при промывке скважин через фильтр.

При заливе гидроизоляционного материала поверх гравийного слоя также не всегда обеспечивается надежная изоляция, так как возмож­ны перетоки растворов вверх по стволу скважины и проникновение материала гидроизоляции в слой гравия. Перетоки растворов по ство­лу скважины могут быть обусловлены двумя обстоятельствами:

✓" недостаточным сцеплением цементных и других растворов, ис­пользуемых в качестве гидроизоляционного материала, с поверхностью полиэтиленовых труб и стенками скважины;

✓" разрушением материала гидроизоляции в результате длительно­го воздействия агрессивных выщелачивающих растворов и образова­нием в гидроизоляционном материале каналов, пор, по которым могут циркулировать выщелачивающие растворы.

При применении одноколонных конструкций скважин, в том числе и с гравийной обсыпкой, гидроизоляцию затрубного пространства можно производить с помощью гидравлических пакеров, которые по­зволяют разобщить зону продуктивного пласта от вышележащих пород (см. рис. 12.16). Привод пакера в рабочее состояние производят путем закачки воды в его полость через обратный клапан по бурильным трубам, опускаемым в эксплуатационную колонну.

После разобщения зафильтрового пространства затрубное простран­ство поверх пакера заполняют гидроизоляционным материалом. Такая схема гидроизоляции позволяет применять одноколонные конструк­ции скважин и оборудовать их фильтрами с гравийной обсыпкой, что позволяет повысить производительность и срок службы технологиче­ских скважин. Материал гидроизоляции в этом случае заливают в зону
выше пакера после засыпки гравия в прифиль — тровую зону скважины. Существуют некоторые особенности сооружения таких скважин. Буре­ние их обычно осуществляется долотами умень­шенных диаметров — 151—243 мм. При при­менении фильтров с гравийной обсыпкой при необходимости производят расширение приза­бойной зоны скважин с целью получения уши­ренного контура гравийной обсыпки.

Рис. 12.16. Гидроизоляция растворов с помощью гидравлических пакеров:

Предложенный способ оборудования техно­логических скважин и создание гидроизоляции имеет следующие преимущества:

уменьшается диаметр скважин;

•/ сокращается время на их сооружение;

•/ не требуется производить дорогостоя­щие и трудоемкие работы по цементированию скважин;

•/ уменьшается стоимость оборудования скважин.

У —цементное кольцо; 2 — тампонажный слой глины; 3 — глиноизвестковый раствор; «/—полиэтиленовая колонна; 5 — гидравлический пакер; 6 — клапан; 7—фильтр; 8— от­стойник; 9 — направляющий фонарь

В настоящее время при сооружении эксп­луатационных скважин ПВ наиболее широкое применение в качестве гидроизоляционного ма­териала получили различные тампонажные пас­ты, которые представлены специально обрабо­танными глинистыми растворами с плотностью 1150—1200 кг/м3, имеющими высокую вязкость (состояние «не течет»), с различными коагули­рующими и твердофазными добавками. Они удовлетворительно прокачиваются буровыми на­сосами и имеют высокую водоотдачу. В сква­жине вода, входящая в состав пасты, отфильтро­вывается в пористые породы и песчано-гравий­ную обсыпку (при ее наличии), а твердеющая фаза, уплотняясь под действием гидростатиче­ского давления, превращается в вязкопластич­ную массу, обладающую некоторой упругостью.

Эта масса обеспечивает надежную гидроизоляцию прифильтровой зоны скважин и в то же время за счет высокой вязкости не проникает в песчано-гравийную обсыпку, а также не препятствует деформациям полиэтиленовой колонны, возникающим вследствие перепада темпе­ратур, действия гидростатического и горного давлений.

Недостатком при изоляции затрубного пространства указанными пастами является отсутствие жесткого кольца вокруг полиэтиленовых труб, компенсирующего горное давление и предотвращающего смятие колонны при резком понижении уровня раствора в колонне.

Для гидроизоляции и ликвидации скважин широко используют также гель-цементные пасты, представляющие собой смесь глинистого
раствора, цемента и жидкого стекла. При закачке в скважину тампо — нажных паст их объем должен превышать объем затрубного простран­ства в интервале гидроизоляции в 1,2—1,3 раза вследствие того, что с течением времени возможно отделение жидкой фазы и фильтрация ее в пористые породы стенок скважины.

При создании гидроизоляционных оболочек важным условием является также доставка гидроизоляционных материалов в зону скважины. Доставку этих материалов в скважину, оборудованную неметаллическими колоннами, осуществляют заливкой материала по трубам или шлангам, опущенным в зазор между стенками скважины и эксплуатационной (обсадной) колонной или опущен­ными внутрь колонны, по аналогии с технологией цементирова­ния скважин.

Комментарии запрещены.