Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Буровые скважины при геотехнологических методах добычи служат не только для вскрытия пластов полезных ископаемых, но и для спуска и подъема добычных устройств, подачи рабочих агентов в зону про­дуктивного пласта и подъема технологических растворов или газа на поверхность. С помощью буровых скважин осуществляют контроль пол­ноты извлечения полезного компонента и охраны окружающей среды от возможного физико-химического загрязнения и проводят ремонт — но-восстановительные работы. Кроме того, с помощью буровых сква­жин уточняют данные геологической разведки (положение рудного пласта, условия залегания и др.), физико-механические и физико-химические свойства пород, создают противофильтрационные завесы, осуществля­ют водоотлив и др.

По своему назначению, составу и объему выполняемых функций буровые скважины, используемые для добычи твердых полезных ис­копаемых геотехнологическими методами (геотехнологические сква­жины), подразделяют на две основные группы: эксплуатационные и вспомогательные.

Эксплуатационные скважины предназначены для осуществления не­посредственного процесса добычи — подачи рабочего агента на забой скважины и подъема образующейся пульпы или раствора из скважи­ны на поверхность.

При подземной выплавке серы, растворении солей, а также при скважинной гидродобыче руд эксплуатационные буровые скважины позволяют осуществлять все процессы, связанные с добычей, через один ствол, который обсаживается трубами и оборудуется рядом кон­центрически расположенных колонн.

Эксплуатационные скважины для подземного выщелачивания ме­таллов с использованием кислотных или других растворителей подраз­деляют на нагнетательные и откачные.

Нагнетательные скважины предназначены для подачи в продуктив­ный пласт рабочих растворов, откачные — для подъема продуктивных растворов на поверхность.

Подземную газификацию полезных ископаемых также осуществля­ют через два эксплуатационных ствола скважин. Один ряд эксплуата­ционных скважин предназначен для воспламенения полезного иско­паемого и отвода продуктов горения, другой — для подачи окислителя в пласт под давлением 0,3—0,4 МПа.

Вспомогательные скважины подразделяют на разведочные, наблю­дательные, контрольные, барражные, для гидроразрыва пластов, водо­отливные, анкерные и др.

Разведочные скважины используют для уточнения положения пла­ста полезного ископаемого, его мощности, условий залегания и др. Бурение разведочных скважин проводят с отбором керна только в зоне рудного интервала. Их закладывают в основном на месте эксплуата­ционных скважин и после выполнения поставленных задач применя­ют в дальнейшем для ведения процесса добычи.

Наблюдательные скважины предназначены для наблюдений и кон­троля за условиями формирования продуктивных растворов или камер в пределах эксплуатационных блоков, гидродинамическим состоянием продуктивного горизонта, растеканием технологических растворов за пределы эксплуатационных участков и их возможным перетеканием в выше или нижележащие горизонты.

Контрольные скважины бурят на отработанных участках для конт­роля полноты извлечения полезного компонента из недр, а также для решения других задач (исследование изменений рудовмещающих пород, контроль возможного загрязнения подземных вод и окружающей сре­ды и др.).

Барражные скважины предназначены для создания вертикальных и горизонтальных противофильтрационных гидравлических завес, огра­ничивающих растекание выщелачивающих растворов за пределы экс­плуатационного блока, а также для уменьшения охвата этими раство­рами пород, вмещающих рудную залежь.

Скважины для гидроразрыва пластов предназначены для увеличения поверхности контакта растворителя с породами продуктивных гори­

зонтов путем образования искусственной пористости. При подземном выщелачивании гидроразрыв пластов используют также для создания механических противофильтрационных завес — экранов с целью лока­лизации потока технологических растворов в зоне продуктивного пла­ста и предотвращения растекания растворов за контуры отрабатывае­мой залежи.

Водоотливные скважины применяют для удаления избыточного количества воды, закачанной в продуктивный пласт при подземной выплавке серы. Их бурят на расстоянии до 1 км от действующих тех­нологических скважин. Очень часто водоотлив осуществляется само — изливом из рядов отработанных серодобычных скважин, удаленных от находящихся в работе технологических скважин на расстояние 200— 250 м.

Анкерные скважины предназначены для закрепления неустойчи­вых пород кровли продуктивных горизонтов при скважинной гидро­добыче полезных ископаемых и сооружении бесфильтровых скважин при подземном выщелачивании металлов. Закрепление пород анкер­ными скважинами обычно осуществляют перед добычей полезного ископаемого.

В зависимости от назначения геотехнологические скважины имеют существенные различия в конструкции, технике и технологии бурения и оборудования. К ним также предъявляют различные требования. Наиболее высокие требования к качеству сооружения предъявляют к эксплуатационным скважинам, оказывающим наиболее существен­ное влияние на технико-экономические показатели добычи полезных ископаемых.

Способы бурения. Для сооружения геотехнологических скважин применяют также вращательное бурение с прямой и обратной про­мывками, вращательное бурение с продувкой воздухом, гидродинами­ческое бурение, ударно-вращательное и ударное бурение.

Вращательное бурение с прямой промывкой является в настоящее время основным способом сооружения геотехнологических скважин. Этот способ бурения можно применять в различных по твердости по­родах, особенно при проходке устойчивых пород. Основные достоинства данного способа — простота реализации системы циркуляции и очист­ки промывочной жидкости. При разработке россыпных месторожде­ний из-за недостаточной устойчивости стенок скважин и наличия раз­личной величины валунов этот способ бурения имеет значительные недостатки, так как требует применения специальной технологии ве­дения работ, а также большого расхода промывочной жидкости при бурении скважин больших диаметров.

Вращательное бурение с обратной промывкой — прогрессивный спо­соб сооружения геотехнологических скважин, внедрение которого яв­ляется одним из направлений повышения производительности и улуч­шения качества сооружения геотехнологических скважин. Особенно эффективным может быть применение обратной промывки при со­оружении технологических скважин для подземного выщелачивания металлов, что позволит уменьшить кольматацию продуктивных пла­стов, увеличить диаметры скважин и создать фильтры с уширенным контуром гравийной обсыпки.

Применение обратно всасывающей промывки при проходке сква­жин для СГД позволяет повысить производительность бурения. Подъем пульпы по трубам в процессе проходки скважин можно производить центробежными насосами, эрлифтами и водоструйными насосами (гидроэлеваторами).

Вращательное бурение с продувкой воздухом при сооружении техно­логических скважин повышает качество вскрытия продуктивных гори­зонтов, уменьшает затраты времени на освоение скважин и повышает технико-экономические показатели, особенно при сооружении техно­логических скважин ПВ.

Недостатком данного способа является его неприменимость при бурении глинистых, песчано-глинистых и сыпучих пород, которые при­сутствуют на подавляющем большинстве месторождений, где проводят бурение геотехнологических скважин. Осложнения при бурении с про­дувкой возникают и при встрече подземных вод.

Ударно-вращательное бурение имеет ту же область применения, что и бурение с продувкой воздухом. Этот способ может быть ре­ализован за счет включения пневмоударника в состав бурового сна­ряда и отличается существенным повышением механической скоро­сти бурения.

Гидродинамическое бурение осуществляют высоконапорными струя­ми жидкости, истекающими из гидромониторных насадок. Такой вид бурения находит широкое применение при скважинной гидродобыче руд благодаря относительно небольшой глубине скважин, наличию высокопроизводительного насосного оборудования и совмещению опе­раций по бурению скважин со спуском добычного оборудования. Со­вмещение оборудования для бурения скважин и добычи уменьшает затраты времени на бурение скважины и монтаж оборудования для добычи.

Гидродинамическое бурение может быть использовано для повы­шения эффективности добычи металлов методом ПВ (расширение призабойной части скважины, создание гидромеханических завес и др.).

Ударное бурение с его разновидностями (ударно-канатное, удар­но-забивное, виброударное и т. п.) наиболее эффективно при со­оружении скважин на россыпях или в валунно-галечных отложе­ниях.

Конструкции эксплуатационных скважин для подземного растворе­ния солей. Вскрытие соляных залежей производят вертикальными и наклонно направленными скважинами. Последние применяют при маломощных пластах (до 2—4 м) как одиночно работающие, так и в сочетании с вертикальными скважинами с предварительной сбойкой их забоев.

Основные требования к конструкциям скважин при подземном растворении солей:

^ вскрытие соляной залежи необходимо осуществлять на необхо­димую глубину;

ствол скважин и камеры растворения должны быть надежно изолированы от проникновения в них как поверхностных, так и под­земных вод из надсолевой и околосолевой толщи пород;

утечки нерастворителя, растворителя и рассола недопустимы; ■/ сечение ствола скважин должно позволять установку эксплуа­тационных колонн труб для осуществления раздельной подачи раст­ворителя и нерастворителя, а также извлечения рассолов;

У должна обеспечиваться нобходимая надежность и долговечность скважин в период эксплуатации.

На рис. 12.1 даны конструкции эксплуатационных скважин для подземного растворения солей.

При камерных системах разработки месторождений наибольшее распространение получила трехколонная конструкция скважин, обес­печивающая производительность добычи рассола по одной скважине

а б Рис. 12.1. Конструкции эксплуатационных скважин для подземного растворения солей:

а — трехколонная конструкция: / — обсадная колонна, 2~ цементное кольцо, 3, 6— эксплуатационные колонны, 4 — нерастворитель, 5—камера; б — двухколонная конструкция при противоточном растворении: / — цементное кольцо, 2 — труба для подачи нерастворителя, 3 — обсадная колонна, 4 — эксплуатационная колонна; 5— нераствори­тель, 6 — камера

от 40 до 100 м3/ч при глубине разработки залежи до 1200—1400 м (рис. 12.1, а). При противоточном растворении применяют двухко­лонную конструкцию скважин (см. рис. 12.1,6).

Разработку соляных залежей сплошным растворением пласта по всей площади или разработку системой спаренных скважин проводят скважинами одноколонной конструкции.

Конструкция одиночных как вертикальных, так и наклонных сква­жин включает обсадную или основную колонну труб, которая цемен­тируется на всю ее длину, и эксплуатационные колонны труб. Вели­чина заглубления обсадной колонны в соляной пласт для простых геологических условий составляет 5—10 м, а при неблагоприятных условиях (наличие трещиноватости или неоднородности кровли соля­ной залежи, карстов в пласте соли и др.) она может быть увеличена до пределов, допускающих рентабельность отработки пласта на остав­шуюся его мощность до 15—25 м.

Для многослойной соляной залежи с помощью обсадной колонны труб производится перекрытие первого (сверху) пласта соли при не­большой его мощности или части пласта при мощности от 10 до 50 м и более с учетом оставления предохранительного целика и необходи­мости перекрытия некондиционных пластов залежи в кровле.

Мощность потолочного целика определяется глубиной залегания соляной залежи и физико-механическими свойствами пород: чем выше прочность надсолевых пород, тем меньше принимается мощность це­лика. Для одиночных камер мощность целика 5—20 м, для спарен­ных — 10—60 м.

Диаметр обсадной колонны выбирают с учетом обеспечения уста­новки внутри нее эксплуатационных (водоподающей и рассоло-подъем — ной) колонн труб и возможности подачи растворителя в количествах, позволяющих получить заданную производительность скважин по рассолу. Для вертикальных скважин диаметр обсадных колонн ко­леблется в пределах 324—273 мм, для наклонных он не превышает 168—219 мм. При этом диаметр ствола технологических скважин для подземного растворения солей колеблется в пределах 250—500 мм.

Глубину скважин определяют глубиной залегания соляной зале­жи, вскрытие которой производят буровой скважиной не на полную мощность, а с оставлением целика в нижней части (до 5 м) с целью предотвращения утечки рассолов в подстилающие породы и разгер­метизацию камеры.

При сооружении глубоких (более 1200 м) технологических сква­жин для ПРС и при наличии сложных геологических условий с це­лью перекрытия неустойчивых пород предусматривается спуск кондук­тора и промежуточных обсадных колонн, которые полностью цемен­тируют.

Для оборудования скважин применяют стальные обсадные трубы. Максимальная толщина стенок обсадных труб—12 мм для скважин со сроком эксплуатации более 25 лет и минимальной — 8 мм при сроке эксплуатации скважин до 10 лет.

Диаметры водоподающей и рассолоподъемной колонн выбирают с учетом минимальных потерь напора, чтобы сечение межтрубного пространства между водоподающей и рассолоподъемной колоннами было приблизительно равно сечению рассолоподъемной трубы. Это до­стигается при соотношении величин диаметров указанных труб, рав­ном 0,69. Например, при использовании обсадных колонн диаметром 324 мм водоподающая и рассолоподъемная колонны труб имеют диа­метры соответственно 219 и 146 мм, а при диаметре обсадной колон­ны 219 мм диаметры этих труб могут быть приняты соответственно 146 и 89 мм. Устье технологических скважин для подземного растворения солей оборудуется специальными оголовками для регулирования пода­чи растворителя и нерастворителя, а также извлечения рассолов.

В процессе сооружения скважин ПРС и их эксплуатации преду­смотрен целый комплекс различных исследований, который включает регулирование и контроль формообразования камер, положение уров­ня нерастворителя в камере, контроль глубины установки эксплуата­ционных колонн (водоподающей и рассолоподъемной), а также осу­ществление контроля количественных и качественных показателей потоков (растворителя, рассола и нерастворителя).

Конструкции эксплуатационных скважин для скважинной гидро­добычи.

Характерной особенностью конструкции эксплуатационных сква­жин для скважинной гидродобычи является относительно небольшая глубина (до 200 м) при значительном диаметре (350—400 мм). Основ­ной критерий при выборе проектной конструкции скважин СГД — сокращение сроков разработки месторождений при минимальных ка­питальных затратах.

Проектная конструкция скважин СГД должна обеспечивать:

V высокие скорости бурения и оборудования скважин, что обус­ловлено в первую очередь временем нахождения стенок скважин в устойчивом состоянии и эффективностью метода СГД;

•/ нормальные условия спуска и работы добычных устройств (гид­ромониторов и гидроэлеваторов);

V наименьшую трудоемкость выполняемых спуско-подъемных и других вспомогательных операций в процессе бурения и оборудова­ния скважин;

V минимальную стоимость бурения и оборудования скважин.

Конструкции эксплуатационных скважин для скважинной гидро­добычи зависят от конструктивных особенностей добычных снарядов, которые могут создаваться по двум основным направлениям.

Первый тип добычного снаряда предусматривает монтаж и спуск гидромониторного узла совместно с корпусом снаряда. Гидромони­торный узел с гидроэлеваторами находится в нижней части добычно­го снаряда и может перемещаться относительно наружной трубы на длину, превышающую мощность рудного пласта. При этом наружный диаметр гидромониторного узла равен наружному диаметру корпуса снаряда.

Рис. 12.2. Схема снаряда для гидродинамического бурения и скважинной гидродобычи: / — гидробур; 2— гидроэлеватор; 3 — золотник; 4 — гидромонитор; 5—отсек промежуточный; 6 —корпус снаряда; 7—механизм поворота

К добычным снарядам первого типа относят также комбинирован­ный снаряд для гидродинамического бурения и скважинной гидродо­бычи, схема которого приведена на рис 12.2. Низ добычного снаряда снабжается гидробуром и гидромонитором, имеющими поочередное раздельное включение. С помощью гидробура осуществляют бурение скважины, одновременно с углублением которой производят монтаж оборудования для последующих работ по добыче. По завершении про­водки скважины гидробур отключают и начинает работать гидромони­тор, осуществляющий добычу полезного ископаемого.

Сравнительно небольшой срок службы скважин СГД при исполь­зовании первого типа добычных снарядов позволяет не производить крепление ствола скважин обсадными трубами. Как правило, первый тип добычного снаряда применяют при разработке пластов полезного ископаемого, залегающих на небольшой глубине (10—30 м).

Второй тип добычного снаряда предусматривает раздельный спуск и монтаж гидромониторного узла и корпуса снаряда. В качестве об­садных труб используется корпус добычного снаряда. Гидромонитор­ный узел вместе с внутренней трубой, по которой подают воду для размыва породы и подъема пульпы, опускают на забой внутри на­ружной трубы и устанавливают на специальный упор (металлический пакер). При необходимости гидромониторный узел можно извлечь без подъема наружной трубы. Пульпа выдается на поверхность по меж — трубному зазору. После завершения отработки скважины и выемки рудного пласта необходимо предусмотреть извлечение эксплуатацион­ной колонны с целью ее повторного использования.

Сооружению скважины СГД предшествует бурение разведочной скважины. После определения условий залегания полезного ископае­мого ствол разведочной скважины расширяют до кровли рудного пласта. В скважину спускают эксплуатационную колонну, башмак которой надежно закреплен. После вскрытия рудного пласта и перебуривания нижележащих пород на глубину до 6—8 м производят расширение нижней части скважины до диаметра 1000—1200 мм. Это обусловлено тем, что требуется обеспечить нормальные условия работы гидромони­торов и подъемных устройств (гидроэлеваторов) в начальный период размыва камеры. Типовая конструкция эксплуатационных скважин и основные этапы ее сооружения для добычных снарядов второго типа приведена на рис. 12.3.

Предлагаемый тип конструкции скважин СГД имеет ряд преимуществ:

— снижается разубоживание пульпы из-за предотвращения попа­дания пород со стенок скважины в отрабатываемую камеру;

— снижаются требования к качеству глинистого раствора и появ­ляется возможность применения для бурения основного ствола (по глинам) более прогрессивных способов проходки скважин, связанных с применением воды в качестве промывочной жидкости;

— облегчаются работы по спуску и подъему добычного агрегата;

— улучшаются условия добычи благодаря более точному центри­рованию низа добычного снаряда по отношению к оси пробуренной скважины.

Недостатками данной конструкции скважин являются:

— меньшие поперечные размеры добычного снаряда, что может привести к сокращению радиуса размыва камеры и снижению эф­фективности добычи;

— сложность извлечения обсадных труб, нижний конец которых зацементирован;

— увеличение объема бурения по образованию камеры, так как расширение производится от меньшего начального диаметра скважины.

Конструкции эксплуатационных скважин для подземной газифика­ции по своему назначению подразделяют на две основные группы. Первая группа — скважины, предназначенные для спуска в скважину

Рис. 12.3. Типовая конструкция и основные этапы сооружения эксплуатационных скважин для скважинной гидродобычи: о — разведочная скважина; б— этап при сооружении эксплуатационной скважины; в— подго­товленная к эксплуатации скважина: / — эксплуатационная колонна, 2— металлический пакер, 3 — цементный стакан

зажигательных патронов, воспламенения пластов полезных ископаемых, а также для подъема продуктов горения на поверхность. Вторая груп­па — скважины, предназначенные для поддержания процесса горения и служащие для подачи в зону продуктивного пласта окислителя (воздух, кислород и др.) под давлением 0,3—0,4 МПа. Окислитель по­ступает в зону горения по трещинам. Для увеличения количества трещин могут быть использованы подземные взрывы, гидроразрыв и др.

Важным требованием при сооружении скважин ПГ является качест­венная изоляция продуктов горения от земной поверхности и горных выработок. Конструкции эксплуатационных скважин для подземной газификации углей и сланцев, показанные на рис. 12.4, а, б, включа­ют эксплуатационные колонны, башмак которых располагается в кровле продуктивного пласта. Затрубное пространство эксплуатационных ко­лонн цементируют. В скважинах, предназначенных для подачи под давлением воздуха, предусмотрена постановка пакеров в нижней части эксплуатационной колонны.

Конструкция скважины для нагрева нефтяных пластов показана на рис. 12.4, в. Если перекрывающие нефтяной пласт породы устой­чивы, то после бурения в интервале нефтяного пласта скважину об-

в Рис. 12.4. Конструкции эксплуатационных скважин для подземной газификации: а — для зажигания полезных ископаемых и отвода продуктов горения; б — для подачи воздуха; в — для нагрева нефтяных пластов: / — обсадная колонна, 2 — фильтр, 3 — цементное кольцо, 4 — зажигательный патрон, 5 — нагреватель, 6 — воздухоподающая труба, 7—пакер

саживают обсадной колонной, а затрубное пространство ее цемен­тируют до устья. Вскрытие продуктивного пласта осуществляют обыч­но с помощью перфорации (кумулятивной или пескоструйной). После вскрытия нефтяного пласта в скважину на трубах опускают нагрева­тель. По трубам в нагреватель подают воздух в количестве, необхо­димом для сжигания части газа, нагнетаемого в скважину через межтрубное пространство. Соотношение между количеством нагне­таемых газов и воздуха регулируется таким образом, чтобы основной газовый поток с продуктами горения был нагрет до заданной тем­пературы.

Диаметр обсадной колонны в этом случае выбирают на основа­нии габаритов нагревателя и требуемого сечения между трубами для пропуска газа. Обычно обсадная колонна сделана из труб диаметром 146, 168 мм, а в некоторых случаях — диаметром 219 мм. Глубину скважин определяют глубиной расположения нефтесодержащих пла­стов.

Обязательным условием для оборудования таких скважин являет­ся герметизация оголовка, который кроме отводов и задвижек содер­жит манометры для определения давления подаваемых в скважину воздуха и газа.

Конструкции эксплуатационных скважин для подземной выплавки серы определяются технико-экономическими показателями добычи с учетом обеспечения безаварийного ведения работ.

Диаметр, ствола скважины выбирают в зависимости от размеров об­садных и эксплуатационных колонн. При этом эксплуатационные ко­лонны представлены водоподающей, предназначенной для подачи теп­лоносителя, раствороподъемной (серной) для подъема из скважины серы и воздухоподающей (эрлифтной) трубами. Все эксплуатационные колон­ны расположены концентрически внутри обсадной колонны. Кроме перечисленных рабочих колонн при сооружении скважин в сложных горно-геологических условиях предусмотрено перекрытие неустойчивых интервалов скважин выше продуктивного пласта обсадными трубами.

Диаметры эксплуатационных колонн устанавливают в зависимос­ти от производительности скважин, температуры нагнетаемой жидко­сти и поднимаемого раствора серы. При сооружении технологических скважин ПВС для подачи теплоносителя наиболее широко применя­ют эксплуатационные колонны диаметром 168—219 мм, при этом диа­метр раствороподьемных труб обычно равен 89—114 мм, а воздухо­подающих — 22—34 мм. Диаметр скважин для эксплуатационных ко­лонн колеблется в пределах 243—295 мм.

К оборудованию эксплуатационных скважин при подземной вып­лавке серы предъявляют определенные требования, связанные с усло­виями их эксплуатации и в первую очередь наличием температурных деформаций добычного оборудования, агрессивности продуктивных растворов и повышенного давления при закачке теплоносителя.

Нижняя граница давления подаваемого теплоносителя, как прави­ло, равна 0,5—0,7 МПа, что позволяет превратить горячую воду при температуре 165 °С в пар с выделением значительного количества теп­ла. Верхняя граница давления не превышает 1,0—1,6 МПа, что позво­ляет во многих случаях исключить гидроразрыв вышележащих пластов горных пород.

При монтаже эксплуатационных колонн и оголовков технологи­ческих скважин ПВС должны быть предусмотрены специальные саль­никовые и компенсационные или шарнирные колена для компенса­ции имеющихся вертикальных и горизонтальных тепловых смещений.

Для уменьшения воздействия агрессивных компонентов, содержа­щихся в растворе серы, предусматривают спуск рабочих колонн непо­средственно перед началом эксплуатации скважины, а иногда приме­нение рабочих колонн из антикоррозионных материалов.

В практике сооружения технологических скважин для подземной выплавки серы применяют одно — и двухколонные конструкции (рис. 12.5).

При сооружении скважин двухколонной конструкции предусмот­рена обсадка трубами всего ствола скважины до продуктивного гори-

Рис. 12.5. Конструкция эксплуатационных скважин для подземной выплавки серы: а — двухколонная конструкция; б-—одноколонная конструкция: / — обсадная колонна, 2— цемент­ное кольцо, 3 —- эксплуатационная колонна, 4 — сероподъемная труба, 5 — воздухоподающая труба, 6 — фильтр, 7 — пакер

зонта. В дальнейшем в скважину опускают водоподающую, растворо­подъемную и воздухоподающую колонны (см. рис. 12.5, а). Водо­подающую и раствороподъемную колонны оборудуют в нижней части перфорированными хвостовиками, предназначенными для подачи в пласт горячей воды и подъема серы.

Перфорацию нижней части рабочих колонн осуществляют сверле­нием круглых отверстий диаметром 18—20 мм, расположенных в шах­матном порядке на расстоянии 80—100 мм друг от друга, причем их площадь не должна превышать 15—20 % площади трубы в данном се­чении. Для разделения подаваемого рабочего агента от поднимаемого раствора серы в нижней части раствороподъемной трубы на расстоя­нии 100—500 мм от ее нижнего конца предусмотрена установка коль­цевого пакера, вторая часть которого устанавливается на эксплуата­ционной трубе, предназначенной для подачи теплоносителя.

Для уменьшения потерь серы в недрах перфорированный патру­бок раствороподъемной (серной) колонны длиной 1,3—2,2 м распо­ложен на границе подстилающего горизонта таким образом, что его нижняя часть опущена на 1—1,5 м в породы подстилающего горизон­та, а верхняя часть находится на 0,3—0,7 м выше границы раздела, в продуктивном пласте.

Одноколонные конструкции технологических скважин при ПВС позволяют получить значительный экономический эффект за счет уменьшения диаметра скважин и их металлоемкости, упрощения кон­струкции оголовка и призабойной зоны скважины. В одноколонных конструкциях не требуется оборудовать призабойную часть скважины пакерами для разделения рабочих и продуктивных потоков.

Типовая конструкция одноколонной технологической скважины ПВС приведена на рис. 12.5, б. В одноколонных конструкциях сква­жин ПВС обсадная колонна, предназначенная для перекрытия горных пород выше продуктивного пласта, является одновременно эксплуа­тационной и служит для подачи теплоносителя по зазору между внут­ренней поверхностью этой колонны и раствороподъемными трубами. Нижний конец обсадной колонны располагается в зоне продуктивно­го пласта.

Одноколонные конструкции скважин при ПВС рекомендуется при­менять при мощности серного пласта не более 10—20 м, причем об­садную колонну целесообразно опускать на 1/2—3Л мощности пласта. Их применение позволяет значительное снижение затрат на добычу самородной серы за счет уменьшения диаметров скважин и обсадных колонн, сокращения расхода труб.

Кроме эксплуатационных скважин на месторождениях подземной выплавки серы предусмотрено также бурение водоотливных скважин для обязательной разгрузки зоны продуктивных пластов.

Конструкции эксплуатационных скважин для подземного выщелачи­вания полезных ископаемых с использованием кислотных растворителей металла. При выборе таких скважин необходимо учитывать следующее:

— обеспечение высокой стойкости материала обсадных труб к хи­мически агрессивным средам, а также механической прочности обсад­ных труб в условиях горного давления и гидродинамических нагрузок;

— внутреннее сечение обсадных труб должно допускать производ­ство ремонтно-восстановительных работ, цементирование скважин для создания гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных раст­воров и проведение необходимых геофизических и гидрогеологиче­ских наблюдений за ходом процесса ПВ;

— возможность создания надежной гидроизоляции надрудного го­ризонта, особенно в случае эксплуатации маломощных рудных тел, находящихся в зоне водоносных горизонтов;

— в процессе бурения не должна нарушаться целостность нижнего водоупора, в случае перебуривания водоупора необходимо предусмат­ривать в дальнейшем его тампонирование;

— утяжелитель для спуска в скважину полиэтиленовых обсадных колонн необходимо изготовлять из инертных материалов или же он должен быть извлекаемым;

— при оборудовании нижней части фильтра отстойником с ок­нами для облегчения освоения скважины необходимо предусматри­вать возможность перекрытия окон после окончания работ по ос­воению;

— для предохранения затрубного пространства скважин от про­никновения с поверхности рабочих растворов следует использовать специальное оборудование устья;

— срок службы скважин должен быть не менее срока отработки блока.

При отработке месторождений полезных ископаемых методом под­земного выщелачивания особые требования предъявляют и к фильтрам буровых скважин.

На выбор проектных конструкций эксплуатационных скважин ПВ оказывают влияние следующие основные факторы:

✓ геологические и гидрогеологические условия месторождения (физико-механические свойства слагающих пород, глубина залегания продуктивного пласта, наличие в разрезе водоносных горизонтов и др.);

■/ принятая система отработки месторождения и схема размеще­ния эксплуатационных скважин;

•/ проектная производительность добычных скважин;

■/ тип и конструкция раствороподъемных устройств;

✓" географическое расположение месторождения;

/ назначение скважин и др.

Конструкции откачных и нагнетательных технологических сква­жин отличаются только по диаметру применяемых эксплуатационных колонн: откачные скважины, как правило, оборудованы колоннами большего диаметра. Диаметры скважин и эксплуатационных колонн определяются размерами раствороподъемных устройств (эрлифты, по­гружные насосы и др.).

В качестве материала обсадных и эксплуатационных колонн при подземном выщелачивании металлов наиболее широко используют по­лиэтиленовые, стеклопластовые и металлопластовые трубы, обсадные трубы из нержавеющей стали. Обсадные трубы применяют при кис­лотном выщелачивании в качестве обсадных (защитных) колонн, а при других способах выщелачивания возможно использование их в качест­ве эксплуатационных колонн. В практике подземного выщелачивания металлов в основном применяют одноколонные и двухколонные кон­струкции технологических скважин.

На рис. 12.6 показаны конструкции одноколонных эксплуатацион­ных скважин, наиболее широко применяемых при подземном выще­лачивании пластовых месторождений. В некоторых случаях 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 скважины бурят до рудного пласта диаметром

Рис. 12.6. Типовые конструкции одноколонных эксплуатационных скважин подземного выщелачивания металлов: а — с гидроизоляцией при помощи пакера (манжеты); 6 — с гравийной обсыпкой фильтров; в — с комбинированной эксплуатационной колонной и эрлифтным подъемом продуктив­ных растворов; г — с комбинированной эксплуатационной колонной и подъемом продук­тивных растворов с помощью погружных насосов: / — эксплуатационная колонна, 2 — фильтр, 3 — отстойник, -/—разобщающая манжета с цементировочным устройством, 5—утяжелитель, б—материал гидроизоляции, 7—песчано-гравийная обсыпка, £—центратор

190—243 мм, а перебуривание рудного пласта осуществляют долотами меньшего диаметра (см. рис. 12.6, а).

Эксплуатационная колонна диаметром 110—140 мм оснащена от­стойником, фильтром, манжетой из кислотостойкой резины и утяже­лителями.

В месте перехода на уменьшенный диаметр скважины эксплуа­тационную колонну снабжают манжетой с удлиненным корпусом и впаянным в основание металлическим кольцом, которое обеспечивает необходимую прочность и жесткость. В случаях, когда посадка манже­ты произведена в верхний водоупор, представленный слабыми глини­стыми породами, плечо должно отбуриваться выше предполагаемого места установки манжеты.

Основное назначение манжеты — создание гидроизоляции выше зоны движения продуктивных растворов. Поверх манжеты заливают гидроизоляционный материал.

Интервал гидроизоляции, кроме специально оговариваемых случаев, как правило, равен высоте от манжеты до динамического уровня под­земных вод. Остальную часть затрубного пространства скважины можно заполнять другим материалом, а устье скважины на глубину 2—3 м цементируют.

Одноколонные конструкции нагнетательных и откачных техноло­гических скважин ПВ с гидроизоляцией с помощью манжет просты в эксплуатации и требуют небольших затрат на сооружение. Однако такие конструкции технологических скважин не дают возможности применять фильтры с гравийной обсыпкой, что снижает производи­тельность и срок службы скважин. Такие конструкции технологичес­ких скважин в настоящее время чаще всего используют в качестве нагнетательных.

В последнее время технологические скважины ПВ оборудованы фильтрами с гравийной обсыпкой. С целью создания на забое сква­жины уширенного контура гравийной обсыпки призабойную зону скважины можно предварительно расширять (см. рис. 12.6, б).

Применение гравийных фильтров способствует повышению про­изводительности и увеличению срока службы технологических сква­жин, увеличивают работоспособность раствороподъемных устройств, особенно погружных насосов. Гидроизоляцию зон движения рабочих и продуктивных растворов осуществляют после создания вокруг филь­тра песчано-гравийной обсыпки путем заливки гидроизоляционного материала поверх слоя гравия.

Диаметры эксплуатационных колонн выбирают с учетом назначе­ния скважин и применяемых добычных устройств (откачных, нагне­тательных). При сооружении нагнетательных скважин диаметр экс­плуатационных колонн выбирают с таким расчетом, чтобы разместить внутри колонны раствороподающие устройства и обеспечить необ­ходимую приемистость скважин (в продуктивный пласт должно быть подано в единицу времени необходимое количество раствора). В на­стоящее время при сооружении нагнетательных скважин диаметр экс­плуатационных колонн колеблется в пределах 70—150 мм.

Диаметр эксплуатационных колонн откачных скважин определяет­ся размерами раствороподьемных устройств, положением статическо­го уровня раствора в скважине и зависит также от материала труб. При применении погружных насосов в качестве раствороподъемных средств и пластмассовых или металлопластовых труб диаметр эксплуа­тационной колонны рекомендуется выбирать на один, а в некоторых случаях и на два типоразмера больше. Это объясняется тем, что по­лиэтиленовые трубы имеют значительную естественную или образую­щуюся в момент сооружения скважин овальность, значительные коле­бания толщины стенки по длине трубы, а также уменьшение полезного сечения трубы в местах соединений при использовании термических методов соединения труб. Толщина сварного шва может достигать 8 мм и более. Кроме того, необходимо стремиться, чтобы потери напора при движении растворов внутри труб от фильтра к всасывающему от­верстию погружного насоса были минимальны. При применении эр­лифтов в качестве раствороподъемных средств увеличения диаметров эксплуатационных колонн не требуется.

Для конструкции скважин, показанных на рис. 12.6, б, диаметры эксплуатационных колонн имеют величины 110—225 мм. В глубоких скважинах при высоком динамическом уровне продуктивных раство­ров эксплуатационная колонна может быть комбинированной. Верх­нюю часть колонны выбирают большего диаметра с целью установки погружных насосов. Длину верхней части эксплуатационной колонны увеличенного диаметра устанавливают 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. Собрана эта часть колон­ны в большинстве случаев из полиэтиленовых труб, длину которых определяют предельной глубиной спуска труб данного типоразмера. Нижняя же часть эксплуатационной колонны соответствует диаметру фильтра (см. рис. 12.6, г). Материал труб нижней и верхней частей колонны также может различаться, обычно в нижней части устанав­ливают более прочные трубы, например из нержавеющей стали, стек­лопластиковые и др.

В некоторых случаях при эрлифтном подъеме продуктивных раст­воров при использовании в качестве раствороподьемных труб эксплуа­тационных колонн возможно уменьшение диаметра колонны по срав­нению с диаметром фильтра, которое устанавливают на основе рас­четных соотношений диаметра воздухоподающих и раствороподъем­ных труб и производительности скважины (см. рис. 12.6, в).

При производительности скважины порядка 3—7 м3/ч рациональ­ный диаметр эксплуатационной колонны должен быть порядка 70 мм при диаметре воздухоподающих труб 32 мм. Применение таких ко­лонн допускает также проведение работ по освоению и чистке сква­жины. Диаметр фильтра может быть увеличен до 110—140 мм, что позволяет поддерживать более высокий дебит скважины.

Диаметр скважины под эксплуатационную колонну при одно­колонных конструкциях зависит от диаметра и материала применя­емых труб (полиэтиленовые, стеклопластиковые, из нержавеющей стали и др.); типа, диаметра и места установки утяжелителя для спуска полиэтиленовых колонн, применяемых способов цементи­рования и гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов.

При цементировании затрубного пространства с использованием заливочных трубок, опускаемых в зазор между эксплуатационной ко­лонной и стенками скважины, величина зазора должна позволять сво­бодный спуск заливочного става до уровня манжеты или гравийного слоя. При применении в качестве заливочного става бурильных труб диаметром 42 мм ниппельного соединения зазор должен составлять порядка 45—50 мм. При цементировании затрубного пространства с по­мощью цементировочных узлов через заливочные трубки, опускаемые внутрь эксплуатационной колонны, величина зазора зависит от приме­няемых утяжелителей для спуска полиэтиленовых труб и обычно состав­ляет 20—25 мм. Диаметры скважины, показанные на рис. 12.6, б, в, г,

при использовании в качестве эксплуатационных колонн полиэтиле­новых труб диаметрами 110х 18, 140 х 18, 160 х 18, 210 х 18 мм колеб­лются в пределах 190—295 мм.

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—5 раз больше производительности нагнета­тельных скважин. На рис. 12.7 даны типовые конструкции высокоде — битных скважин. При сооружении высокодебитных откачных сква­жин, оборудованных фильтрами с песчано-гравийной обсыпкой, находят применение конструкции, в которых предусмотрена обсадка ствола

а б Рис 12,7. Типовые конструкции высокодебитных эксплуатационных скважин ПВ:

а — высокодебитные откачные скважины; б— скважины большой глубины при наличии неустой­чивых интервалов ствола: / — эксплуатационная колонна; 2 — хвостовик; 3 — фильтр; -/—отстойник; 5— пакер; 6 — слой гидроизоляции; 7—защитная колонна; £—глинистый раствор; 9—гравий;

10 — центратор

скважины до кровли продуктивного горизонта трубами из нержавеющей стали, стеклопластика и других, материал которых не подвержен разру­шению при действии кислотных растворителей (см. рис. 12.7, а). Кон­структивно башмак обсадной колонны выполняют меньшего диаметра для более надежной и легкой установки гидроизоляционного пакера.

Забуривание скважины и бурение до продуктивного горизонта обычно осуществляют долотами диаметрами 295, 346, 394 мм. Затруб — ное пространство обсадной колонны цементируют. Дальнейшее буре­ние с целью вскрытия продуктивного горизонта осуществляют доло­тами диаметром 190—243 мм.

Интервал продуктивного пласта, в котором располагается каркас фильтра с гравийной обсыпкой, при необходимости расширяют. Фильтр вместе с надфильтровым патрубком и отстойником опускают в сква­жину на бурильных трубах, соединенных с надфильтровым патрубком с помощью специального переходника, имеющего левую резьбу. Для обеспечения лучшего центрирования фильтра на забое скважины его снабжают двумя направляющими фонарями — на отстойнике и на над — фильтровом патрубке (в верхней части).

Конструкция эксплуатационных скважин, применяемая в услови­ях больших глубин (свыше 300 м) и при наличии неустойчивых пород в верхних интервалах скважины, показана на рис. 12.7, б. Закрепле­ние неустойчивой части ствола скважины осуществляется обсадной (защитной) колонной из металлических труб с последующей цемента­цией затрубного пространства. В дальнейшем скважину оборудуют эксплуатационной колонной из кислотостойких материалов, которую изолируют от обсадной колонны при помощи манжет (пакеров), це­ментных, глинистых или известковых растворов.

Глубины эксплуатационных скважин подземного выщелачивания определяют положением продуктивного горизонта, длиной отстойни­ка и др. Положение рудного пласта определяют путем отбора кернов при опережающем бурении скважин малого диаметра в процессе со­оружения технологических скважин, а также по данным геофизиче­ских измерений.

Длину отстойника нагнетательных скважин определяют количест­вом взвесей, находящихся в рабочем растворе, подаваемом в скважи­ну, и временем между профилактическими ремонтами скважин. Обыч­но длина отстойников в фильтрах, устанавливаемых в нагнетательных скважинах, составляет не более 1 % номинальной глубины скважин; для откачных скважин эта величина не превышает 2 %.

В некоторых случаях при низких уровнях пластового раствора и большой глубине скважин использование эрлифтов в качестве раство­роподъемных средств возможно только путем увеличения заглубления смесителя под уровень пластовых растворов. Для этого глубину скважин увеличивают. Если при перебуривании скважины ниже рудного гори­зонта последняя вскрывает водоносный горизонт, то необходимо пре­дусмотреть цементацию затрубного пространства отстойника до ниж­ней границы фильтра.

Конструкции разведочных скважин при геотехнологических ме­тодах разработки полезных ископаемых в пределах отрабатываемых участков предназначены для определения мощности рудного горизон­та, уточнения запасов полезного ископаемого по блокам и выбора наиболее эффективной технологии отработки месторождения.

Расположение скважин и плотность разведочной сети определяют экспериментально или выбирают по методу аналогии. В контуре от­рабатываемого месторождения выбор точек заложения разведочных скважин определяют наличием наиболее характерных участков, для которых, например, требуется уточнить число глинистых пропластков в блоке, величины карбонатности пород или уточнить фильтрацион­ные параметры.

Число скважин обычно не превышает 10 % от общего числа экс­плуатационных скважин. Разведочные скважины закладывают на месте эксплуатационных; они служат для определения границ рудного пласта. При благоприятных условиях (наличие рудного пласта определенной мощности) разведочные скважины переоборудуют в дальнейшем в экс­плуатационные. Диаметр разведочных скважин в породах осадочного комплекса обычно равен 93—112 мм, в скальных породах — 59—76 мм. Увеличение диаметра разведочных скважин способствует в дальней­шем повышению скорости бурения эксплуатационных скважин.

Комментарии запрещены.