Full Text

Введение В Республике Казахстан ведутся широкомасштабные работы по сооружению гидрогеологических и геотехнологических скважин, служащих для поисков и добычи подземных вод и твердых полезных ископаемых. Основным способом сооружения таких скважин является вращательное бурение с промывкой глинистым раствором. Наряду с этим постоянно увеличиваются и глубины скважин, а также количество месторождений со сложными геологическими условиями. В большинстве случаев последние связаны с наличием в разрезе скважин пластов с аномальным пластовым давлением. Успешное сооружение таких скважин невозможно без всестороннего совершенствования техники и технологии бурения, а также работ по креплению скважин и разобщению продуктивных пластов [1]. Для улучшения работы по сооружению геотехнологических скважин необходимо решить комплекс задач, которые можно представить тремя основными блоками: техническим, технологическим, организационным. При сооружении геотехнологических скважин весьма актуальной является задача создания устройств для их тампонирования [2], отличительная особенность подобных скважин - применение пластмассовых труб и сравнительно небольшие интервалы тампонирования последних. Такое устройство должно полностью исключить попадание цементного раствора в прифильтровую зону скважины, обеспечить высокое качество цементирования [3], равномерное распределение цементного раствора за обсадной колонной и осуществить цементирование затрубного пространства при небольших затратах времени и расходе тампонажных материалов. Один из вариантов такого устройства, которое может быть использовано преимущественно при сооружении закачных технологических скважин, представлен на рис. 1. Обсадная колонна 1 через переходник 2 сопрягается с фильтром 3 и от последнего отделяется в процессе тампонирования перегородкой 4. Внутри обсадной трубы с помощью штифтов 11 закрепляется втулка 10. Вблизи нижнего торца трубы 1 просверлены радиальные отверстия, закрытые заглушками 8, которые, в свою очередь, удерживаются от выпадения стяжной нитью 9. На переходнике 2 закреплена с помощью хомута 5 резиновая манжета 6. Рис. 1. Устройство для манжетного тампонирования закачных геотехнологических скважин (начало тампонирования): 1 - обсадная колонна; 2 - переходник; 3 - фильтр; 4 - муфта; 5 - хомут; 6 - манжета; 7 - экран; 8 - заглушки; 9 - стяжная нить; 10 - втулка; 11 - штифты; 12 - верхняя пробка; 13 - внутренняя перегородка Собранная таким образом обсадная колонна 1 с фильтром 3, оборудованная центрирующими фонарями (на рис. 1 не показаны), опускается в скважину и останавливается в интервале продуктивного пласта [4]. Для изоляции последнего от вышележащих пород и водоносных пластов в обсадную колонну 1 подается тампонажная смесь, объем которой зависит от интервала затрубной гидроизоляции. Затем в колонну 1 опускается пробка 12, на которую осуществляется давление продавочной жидкости [5]. В результате на заглушки 8 действует давление, равное сумме гидростатического давления и давления нагнетания. Разработанное устройство для манжетного тампонирования было испытано на полигонах подземного скважинного выщелачивания (ПСВ) АО НАК «Казатомпром», расположенных в Южно-Казахстанской и Кызылординской областях. Участки работ сложены рыхлыми отложениями верхнего мела, палеогена, неогена и антропогена. Палеозойский фундамент, залегающий на глубинах 400-700 м, погружается с севера на юг и представлен красноцветными песчаниками и алевролитами перми. Отложения верхнего мела сложены разнозернистыми песками с гравием и галькой, переходящими к верху в красноцветные карбонатные глины с прослоями известковистых песчаников и алевролитов. Мощность отложений мела - до 80 м. Палеогеновые отложения состоят из пяти горизонтов и одной свиты, из которых три являются рудовмещающим (канжуганский, уюкский, инканский горизонты). Снизу вверх разрез начинается отложениями «пестрого» горизонта, сложенного преимущественно пестроцветными известковыми глинами, алевритами с прослоями и линзами мелко- и тонкозернистых песков, занимающих до 25-30 % от общей мощности горизонта. Общая мощность - от 20 до 50 м. Канжуганский горизонт представлен прибрежно-подводно-дельтовыми фракциями. Песчаные отложения среди глин и алевролитов имеют изменчивую мощность, превращаясь местами в русла и струи, и в целом представляют собой продуктивный горизонт. Пески средне- и мелкозернистые, рыхлые, с глинистым цементом, не превышающим 10-15 %. Мощность горизонта - от 30 до 60 м. Кызылчинский горизонт, являющийся маркирующим, представлен пачкой зеленых глин с линзами тонкозернистых мучнисто-белых и зеленоватых песков. Мощность - от 0 до 20 м. Служит водоупором между продуктивными горизонтами. Уюкский горизонт делится на две пачки: нижнюю - существенно песчаную (продуктивная часть) и верхнюю - глинисто-алевролитовую (верхний водоупор). Глубина залегания кровли песков - 395-524 м. Пески средне- и мелкозернистые, преимущественно кварцевые. Мощность горизонта - 20-30 м, песков - 10-20 м. Инканский горизонт на участке выклинивается в северном направлении, сокращаясь в мощности от 15-20 до 0 м, сложен разнозернистыми песками с углистым детритом. Позднеэоценовые отложения представлены морскими монтмориллонитовыми глинами зеленого цвета мощностью 40-60 м; неогеновые отложения - толщей красноцветных известковистых глин мощностью 30-100 м. Четвертичные отложения сложены из аллювиально-эоловых песков мощностью 30-100 м. Все песчаные горизонты являются водоносными, с напорами до самоизлива. Воды пресные. При разработке месторождений полезных ископаемых способом подземного выщелачивания буровые скважины выполняют основную роль в техническом оснащении процесса. Сооружение откачных и закачных геотехнологических скважин осуществляется вращательным (роторным) способом с промывкой передвижными буровыми установками БПУ-1200МК конструкции АО «Волковгеология», выпускаемыми Управлением производственно-технического обеспечения и комплектации упомянутой организации [6]. Основное отличие станка установки БПУ-1200МК от прототипа - станка ЗИФ 1200МР - в том, что вращатель шпиндельного типа заменен вращателем роторного типа. Это позволяет экономить время наращивания бурильной трубы, что особенно важно при бурении мягких пород. В качестве объекта испытаний была выбрана скважина №34-5-4, сооружаемая на месторождении Западный Мынкудук, Сузакский район, Южно-Казахстанская область. Вмещающие породы представлены мягкими и частично средней буримости породами (песок, глины, глинистые песчаники, алевролиты), а продуктивный пласт - разнозернистыми песками и разнозернистыми гравийниками. Конструкция скважины следующая: диаметр бурения - 161 мм (интервал бурения - 0-290 м). Обсадная колонна длиной 290 м, состоящая из пластиковых труб ПВХ 90/8 с наружным диаметром 90 и внутренним 74, через предлагаемое устройство сопрягается с фильтровой колонной длиной 8 м, состоящей из пластиковых труб ПВХ. Фильтр представляет собой трубу КДФ-118/100 с фрезерованными щелевыми отверстиями толщиной 2-3 мм и длиной 40 мм. Ниже фильтра устанавливается отстойник, представляющий собой пластиковую трубу ПВХ-90/8. Технология бурения и сооружения скважин на полигонах ПСВ объектов НАК «Казатомпром» заключается в следующем [7]: на всю глубину бурение производится трехлопастным пикобуром диаметром 161 мм до забоя, параметры глинистого раствора: плотность g = 1,1-1,15 г/см2; водоотдача В = 25-30 см3/30 мин и вязкость Т = 18-25 с, П £ 4 %. Бурение ведется при осевой нагрузке Р = 700-900 ДаН, частоте вращения п = = 100-200 об/мин и расходе промывочной жидкости Q = 200-250 л/мин. После окончания бурения пилот-скважины проводят инклинометрию для определения величины отклонения трассы от вертикальной оси скважины [8]. Расширение скважины производится поэтапно трехшарошечными долотами типа М и С диаметром 295 мм при бурении до 140 м и диаметром 215 мм - на всю глубину скважины (при использовании труб ПНД-110/18). В компоновке снаряда используются УБТ-73 (или УБТ-89) длиной 12 м, бурильные трубы диаметром 63,5 мм с переходом на СБТ-50. Обсадку проводят трубами ПВХ 90/8 (или 110/18) до кровли рудного горизонта, предварительно откалибровав скважину шарошечным долотом соответствующего диаметра [9]. Производятся визуальный осмотр обсадных труб и фильтров с целью выявления видимых дефектов, проверка резьб с помощью калибров, а также проверка внутреннего диаметра труб при помощи шаблонов. При свинчивании обсадных труб все резьбовые соединения герметизируются полиизобутиленом. Спуск обсадной колонны проводится с утяжелителем (СБТ-50 длиной 200 м, 1200 кг). Отстойник колонны герметично закрывается заглушкой в нижней части. Поверхность фильтровой колонны покрывается пленкой 2%-ного полиакриламида для защиты от налипания глины во время ее спуска в скважину [10]. Цементацию обсадной колонны производят в два этапа: - установка цементного кольца высотой 10 м, плотность цемента g = 1,35 г/см2; - гидроизоляция цементного раствора от кровли цементного кольца до устья скважины, плотность g = 1,18-1,25 г/см2, содержание цемента - 25 % (250 кг на 1 м3 глинистого раствора). После цементации в течение 17 часов проводится ожидание затвердевания цемента. Геофизические исследования производятся термометрическим методом для определения мощности, качества и интервала установки цементного кольца. Расширение рудного горизонта для установки гравийного фильтра осуществляется забойным расширителем РЗ 260/320 при осевой нагрузке Р = 300-400 Н, частота оборотов п = 100-150 об/мин, расход промывочной жидкости Q = 200-250 л/мин. Освоение скважины происходит для промывки фильтров, получения необходимого дебита, очистки отстойника в два этапа. Первый этап - скважина промывается технической водой буровым насосом через буровой снаряд, опущенный в обсадную колонну, поинтервально, с наращиванием глубины до пробки отстойника; выход чистой воды из обсадной колонны, начало самоизлива. Затраты на эту операцию - 6 ч [11]. Второй этап - освоение эрлифтом, в свою очередь, включает следующие операции: - воздухопроводная труба заглубляется на 80 м под статический уровень и проводится прокачкой до полного осветления воды с остановкой через каждый час на 10 мин для замера дебитов (ориентировочно 6 ч); - воздухопроводная труба опускается до глубины 90-100 м с прокачкой до полного осветления и замера дебитов, на глубине 100 м проводятся периодические, через каждые 3 ч, остановки и спуски компрессора для создания гидравлического удара с фиксацией при каждом пуске показаний пускового и рабочего давления воздуха по манометру, дебита и содержания твердых взвесей перед остановкой; - осуществляется загрузка воздухопроводной трубы по 100-110 м с прокачкой до появления чистой воды до глубины 200 м. Далее проводится расходометрия по фильтровой зоне для проверки работоспособности фильтра. После сдачи скважины буровой агрегат снимается с площадки, зумпфы откачиваются и засыпаются, производятся планирование площадки, уборка посторонних предметов, устье обсадной колонны закрывается пробкой, на колонне закрепляется табличка с номером скважины [12]. Предлагаемая технология сооружения геотехнологической скважины имеет следующие отличия от применяемой ранее: - окончательный минимальный диаметр скважины, за исключением интервала установки фильтра, равен 161 мм, т.е. отсутствует расширение скважины до диаметра 190 мм; калибровку скважины диаметром 161 мм осуществляют шарошечным долотом типа М или С после бурения долотом ЗЛ-161 с этим же диаметром [13]; - после расширения в интервале 275-285 м продуктивного пласта до диаметра 260 мм расширителем 260/320 глинистый раствор в скважине заменяется гельцементным раствором плотностью 1250 кг/см3; - осуществляется манжетное цементирование колонны ПВХ 110/18 (интервал установки колонны - 0-275 м); - рекомендуемый фильтр - труба ПВХ 63/3,5: он устанавливается «впотай»; гравийная обсыпка будет осуществляться через специальное устройство УГО по патенту РК № 17267 [14], уменьшение диаметра каркаса гравийного фильтра не должно существенно сказаться на дебите, так как при расчете последнего учитывается поперечный размер гравийной обсыпки, а не диаметр каркаса. Методика проведения экспериментальных исследований устройства для манжетного тампонирования и их результаты Первоначально на дневной поверхности испытывались варианты распределительного устройства для подачи тампонажного раствора в затрубное пространство. Первый вариант устройства выполнен в соответствии с рис. 1 и представляет собой патрубок с радиальными каналами для подачи тампонажной смеси, закрытыми заглушками, первоначально удерживаемыми стяжной нитью. При посадке втулки 10 на кольцевой торец переходника 2 (см. рис. 1) давление нагнетания резко возрастает, и при давлении 2 атм стяжная нить (латунная проволока толщиной 0,4 мм) разрывается, и заглушки выдавливаются из своих мест, и буровой раствор поступает через радиальные каналы устройства, которое при испытаниях показало свою способность надежно выполнять заданную функцию [15-17]. Был также испытан второй вариант распределительного устройства, в котором радиальные каналы закрыты не заглушками со стяжной нитью, как в первом варианте, а кольцевым резиновым клапаном. При подаче под давлением бурового раствора кольцевой клапан, деформируясь в радиальных направлениях, пропускал жидкость в затрубное пространство. Скорость истечения тампонажной жидкости регулировалась величиной давления подачи бурового насоса. Установлено, что деформация кольцевого резинового клапана, при которой начинается течение жидкости в затрубное пространство, наступает при давлении 2,5 атм (при толщине кольцевого клапана 15 мм). Выявлено также, что расход тампонажной жидкости при ее течении из-под клапана прямо пропорционален давлению нагнетания [3]. Следует признать, что второй вариант распределительного устройства с кольцевым клапаном проще в конструктивном исполнении, однако требует проведения большого количества расчетов, и его следует в дальнейшем рекомендовать к использованию. В связи с изменившимися требованиями к оборудованию фильтровой части было решено вместо гравийного фильтра оснастить скважину каркасным фильтром со щелевыми отверстиями. Это изменение было связано с тем, что эксплуатируемый водоносный пласт в этом разрезе был представлен среднезернистым песком. Работы по манжетному цементированию и оборудованию скважины фильтром проводились в следующей последовательности [18]: 1. После разбурки и промывки скважины последняя заполняется гельцементным раствором. 2. На поверхности собирают фильтровую часть скважины, состоящую из отстойника с заглушкой и каркасно-дискового фильтра. Проверяют правильность сборки устройства для тампонирования, надежность крепления манжеты [19]. 3. В скважину последовательно опускают каркасно-дисковый фильтр с отстойником, затем распределительное устройство УТО и обсадные трубы ПВХ 90/8. На обсадной колонне устанавливается манжета, выполненная из кислостойкой резины толщиной 6 мм. 4. После проведения обсадки выполняют геофизические исследования (ГИС), целью которых является проверка целостности обсадной колонны и фактического интервала установки фильтра [20]. 5. После проведения ГИС в обсадную колонну сбрасывается первая пробка - стакан, которая продавливается тампонажным раствором до посадочного места в УТО. Затем опускается верхняя пробка с перегородкой, с помощью которой тампонажный раствор вытесняется в затрубное пространство. Сигналом к окончанию этого процесса служит возросшее давление на манометре насоса в момент схождения верхней и нижней пробок. 6. После схватывания цементного раствора (ожидание затвердевания цемента - 12 ч) осуществлялась термометрия для исследования качества тампонирования. Ее результаты свидетельствуют, что качество проведенных тампонажных работ вполне удовлетворительное [21]. 7. Заключительным этапом является разрушение перегородок в верхней и нижней пробках для обеспечивания доступа в фильтровую часть скважины. Эта операция осуществлена путем воздействия веса опущенной бурильной колонны, под действием которого перегородки были разрушены, а бурильная колонна свободно опустилась в фильтровую часть скважины [22]. Баланс рабочего времени на отдельные операции манжетного тампонирования приведен в табл. 1. Анализ данных табл. 1 показывает, что затраты времени при манжетном цементировании существенно ниже в сравнении с существующей технологией цементирования через заливочные трубы, расположенные в затрубном пространстве. Таблица 1 Затраты времени на отдельные операции при манжетном цементировании скважины 34-5-4 № п/п Наименование операции Затраты времени на выполнение, ч 1 Спуск обсадной колонны с фильтром и манжетой 1,5 2 Промывка скважины и проведение ГИС 3 3 Спуск и продавливание нижней пробки 0,5 4 Закачка в обсадную колонну расчетного объема тампонажного раствора 0,5 5 Спуск верхней пробки 0,5 6 Выдавливание тампонажного раствора в затрубное пространство 0,2 Расчет ожидаемого экономического эффекта от внедрения разработанного устройства для манжетного тампонирования технологических скважин При сооружении технологических скважин с использованием устройства для манжетного тампонирования фильтровой колонны УТО, во время цементирования скважин через внутреннее пространство обсадной колонны стоимость скважин изменяется существенно. Основными факторами, влияющими на изменение стоимости сооружения скважин [23-25], являются затраты времени на тампонирование скважины, затраты времени на спускоподъемные операции и на ожидание затвердевания цемента. Экспериментальным путем установлено, что использование устройства для манжетного тампонирования фильтровой колонны [26] сокращает затраты времени на проведение указанных выше видов технологических операций (см. табл. 1). Руководствуясь данными табл. 2 и зная приблизительные годовые объемы бурения скважин на различных объектах НАК «Казатомпром», можно рассчитать ожидаемую годовую экономическую эффективность при использовании УТО. При средней стоимости скважины (стоимость 1 погонного метра закачной скважины равна 10 000 тенге, откачной - 15 000), в нашем случае закачной глубиной 500 м на участке Западный Мынкудук (5 000 000 тенге), стоимость одного часа работы бурового агрегата будет равна [25] тенге/ч, где - средняя стоимость скважины глубиной 500 м, тенге; - время, затраченное на соружение скважины глубиной 500 м на участке, ч. Таблица 2 Затраты времени на сооружение скважины № п/п Вид операций при сооружении Закачные, 500 м вагоночас % 1 Удельный вес скважины в объеме месячных работ 101 14,5 2 Монтаж, демонтаж, проектировка 4 0,6 3 Пилот-скважины 40 5,6 4 ГИС 5 0,7 5 Разбурка диаметром 161 мм 10 1,4 6 Обсадка с промывкой 6 0,8 7 Цементация 3 0,4 8 Ожидание затвердевания цемента с термометрией 14 1,9 9 Промывка фильтров 8 1,1 10 ГИС после промывки 3 0,4 11 Принудительно-плановые работы 8 1,1 Затраты времени на цементирование (табл. 3) уменьшаются на 3,5 ч. Следовательно, экономический эффект при сооружении одной скважины с использованием устройства для манжетного тампонирования фильтровой колонны [27] составляет 177 663 тенге (так как 1 час работы с помощью нашего устройства стоит 50 761, данную величину умножаем на 3,5 - время, затраченное на цементирование с помощью УТО). Учитывая, что в год на представленном участке создается 500 скважин, имеем годовую экономию денежных средств в размере 88 831 750 тенге. Таблица 3 Затраты времени на цементирование фильтровой колонны, вагоночас Вид операции Спуск бурильной колонны в затрубное пространство Использование новой технологии УТО Цементация 3 1,5 Ожидание затвердевания цемента с термометрией 14 12 Выводы 1. Проведенные производственные испытания показали эффективность применения разработанного технического устройства тампонирования скважин. 2. Использование предлагаемого устройства упрощает и оптимизирует конструкцию скважины, так как уменьшается диаметр бурения, расход тампонажного раствора и повышается качество работ. 3. Практически подтверждено, что при тампонировании с определенными ранее технологическими режимами отсутствует пробкообразование, т.е. тампонажный раствор равномерно укладывается вокруг колонны. 4. Проведенный расчет экономической эффективности, основанный на экономии условно-постоянных расходов при внедрении разработанного устройства, показал, что экономия при сооружении скважин составляет 177 663 тенге при бурении геотехнологической скважины.

About the authors

Aleksandr A. Makarov

Author for correspondence.
Email: Makarov_84_@inbox.ru
22 Satpayev street, Almaty, 050013, Kazakhstan

Junior Researcher at the Department of Technology and Technique of Drilling Wells

References

Statistics

Views

Abstract - 230

PDF (Russian) - 56

PDF (English) - 53

Refbacks

• There are currently no refbacks.