Федеральное агентство по образованию
Сибирский Федеральный университет
В.И. Зварыгин
Исследования и специальные работы
в скважинах
Учебное пособие
Красноярск
СФУ 2011
Ч А С Т Ь I |
ИССЛЕДОВАНИЯ В СКВАЖИНАХ |
1.1. Введение
Сооружение скважин – сложный трудоемкий процесс, нередко связанный с различного рода осложнениями и авариями.
Борьба с осложнениями и авариями – важнейшая и трудно решаемая проблема. От решения этой проблемы во многом зависит технический прогресс при бурении геологоразведочных скважин, повышение производительности труда, снижение себестоимости одного погонного метра.
Для успешной борьбы с осложнениями необходимо знать местоположение и характер осложненной зоны, ее мощность, проницаемость, скважность, пластовое давление и ряд других показателей, дающих возможность объективно оценить зону осложнения с точки зрения предстоящих тампонажных работ.
Успех буровых работ во многом будет обусловлен правильным выбором методов исследований в скважине, методов профилактики и устранения осложнений. Правильность выбора метода и их реализации связаны с правильным трактованием процессов в зоне осложнений как в процессе бурения, так и в процессе тампонажных работ.
Сложность решения проблемы обусловлена многообразием горно-технических условий. Это практически исключает универсальность какого-то одного решения, однако общий подход должен включать в себя комплекс обязательных операций: изучение зоны осложнения, ее оценка, выбор способа борьбы с осложнениями и авариями, реализация принятого способа, контроль результатов работ.
Решение этой проблемы рассматривается в курсе «Исследования и специальные работы в скважинах».
Курс «Исследования и специальные работы в скважинах» является одной из профилирующих дисциплин для студентов специальности «Технология и техника разведки месторождений полезных ископаемых».
Он базируется на физике, гидравлике, физхимии, технических дисциплинах и является продолжением курса «Бурение скважин на твердые полезные ископаемые».
Курс предназначен для обучения студентов основам правильной организации труда при бурении скважин в осложненных условиях.
Избежать осложнений и связанных с ними аварий можно только при их соответствующей профилактик и изучении геологической и гидрогеологической обстановки в скважине.
Исследования в скважинах производятся буровым персоналом как совместно с геофизиками и гидрогеологами, так и самостоятельно.
Основные направления исследований: выявление зон осложнений, наличие зон водопоглощений (их количества, мощности, строения, проницаемости, размеров каналов, солевого состава пластовых вод) и замеры конфигурации скважины (глубины, диаметра скважин).
По результатам исследований в ГТН должны отмечаться: фактический геологический разрез, зоны осложнений, конфигурация скважин.
Способы упрочнения и кольматации скважин. В зависимости от геологических и гидрогеологических условий в современной практике бурения скважин для укрепления стенок скважин применяют следующие способы:
в скальных карстовых, сильнотрещиноватых, трещиноватых и слаботрещиноватых породах – цементацию скважин;
в скальных тонкотрещиноватых и пористых водоносных породах – смолизацию и силикатизацию;
в крупнообломочных и гравийно-галечниковых водоносных породах - цементацию;
в рыхлых мелкообломочных и песчаных водоносных породах – смолизацию и силикатизацию.
Для кольматации трещин и снижения водопроницаемости горных пород, когда не требуются их укрепления, применяют:
в скальных кавернозных и трещиноватых породах – глинизацию и битумизацию;
в скальных тонкотрещиноватых породах – силикатизацию;
в крупнообломочных и гравийно-галечниковых породах – глинизацию и битумизацию;
в рыхлых мелкообломочных и песчаных породах – силикатизацию.
Наиболее освоенным и распространенным как для закрепления горных пород, так и для кольматации трещин в скважинах получил способ цементации. Основные его преимущества заключаются в технологической простоте, удобстве применения и высокой надежности способа. Этот способ более экономичен по сравнению с другими способами. Цементация осложненной зоны успешно применяется при тампонировании трещин с раскрытием более 0,1 мм и скорости фильтрации подземных вод по трещинам до 600 м/сут. при любых гидростатических напорах.
Способ смолизации применяют для укрепления стенок скважин и повышения водонепроницаемости мелкообломочных и песчаных, а также тонкотрещиноватых и пористых скальных пород.
Этот способ заключается в нагнетании в трещины и поры растворов смол (в основном карбамидных) с последующем отверждением их растворами кислот. При их взаимодействии образуется прочная масса. Горная порода приобретает достаточно высокую прочность порядка 20-40 кгс/см2.
Водные растворы карбамидных смол имеют низкую вязкость, близкую к вязкости воды, что обеспечивает высокую проникающую способность и позволяет закреплять водоносные пески с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут.
Горные породы, закрепленные карбомидными смолами, имеют высокую стойкость в кислых средах с pH = 3-6 и в щелочных средах с pH = 8-13.
Способ силикатизации применяют для крепления и повышения водонепроницаемости скальных тонкотрещинноватых и пористых пород, а также рыхлых мелкообломочных, песчаных пород. Он заключается в нагнетании в трещины и поры осложненной зоны одного или двух растворов. При однорастворной силикатизации производят нагнетание силиката натрия с добавкой фосфорной или кремнийфтористоводородной кислоты. При двурастворной силикатизации производят поочередное нагнетание в трещины и поры растворов силиката натрия и хлористого кальция.
Время гелеообразования (твердения) в зависимости от концентрации растворов от 1 до 16 часов.
Двухрастворную силикатизацию применяют для закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут, а однорастворную для закрепления песчаных пород - плывунов с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 2 м/сут. Этот способ при наличии углекислотных подземных вод вследствие их агрессии применять нельзя.
Способ глинизации и полимеризации заключается в нагнетании в трещины и пустоты осложненной зоны глинистых или чаще глиноцементных суспензий с наполниителями и другими добавками, улучшающими свойства суспензии и ускоряющими их коагуляцию. Этот способ применяют (для кольматации) трещин только в тех случаях, когда не требуется укрепление стенок скважин, а требуется только предотвратить потерю промывочной жидкости.
Способ горячей битумизации применяют для кольматации трещин и пор трещинноватых и гравийно-галечниковых горных пород для предотвращения потерь промывочной жидкости. При этом способе в поры и трещины через скважину нагнетают разогретый до 200 0С битум, доставленный в контейнерах. Для сохранения высокой температуры битума при нагнетании применяют специальные устройства для электроподогрева.
Способ можно применять при высоких скоростях фильтрации подземных вод (более 600 м/сут) и при высокой их агрессивности.
Недостатки способа: большая усадка при остывании битума, способность течь при длительном воздействии напорных подземных вод с давлением свыше 4 кгс/см2, трудность проникновения битума в мелкие трещины шириной менее 0,2 мм, сложность применяемого оборудования, трудность разбуривания битума, прилипаемость к инструменту.
Помимо перечисленных выше способов в практике бурения для кольматации трещин применяют различные полимерные растворы, скоагулированные электролитами и ряд комбинаций перечисленных выше способов тампонирования.
К способам упрочнения горных пород, основанными на влиянии физических полей, относят также электрохимическое упрочнение, замораживание и обжиг.
Электрохимическое упрочнение глинистых пород основано на использовании постоянного электрического тока, пропускаемого через эти породы и глиноцементные тампонажные смеси. При пропускании тока в тампонажной смеси происходят различные процессы: электролиз, электроосмос и другие процессы.
В результате коагуляции частиц и их кристаллизации образуется прочная масса. Способ тампонирования заключается в следующем. В скважину на бурильных трубах опускают колонковые трубы, длиной соответствующей мощности осложненной зоны. В затрубное пространство нагнетают тампонажную смесь. Производят электрообработку смеси. При этом трубы перемещают вверх и вниз на небольшое расстояние. Полярность электрода трубы меняется через 15-20 минут. Продолжительность электрообработки – 1 ч.
Термическое упрочнение горной породы производят в песках и глинистых породах за счет их плавления и спекания. Существует два способа термического упрочнения. Первый заключается в нагнетании в пористую породу горячего воздуха, нагретого до 600-900 0С в специальных нагревательных агрегатах. При температуре 700-9000С породы приобретают свойства кирпича. Радиус упрочнения вокруг скважины 1-1,5 м. Второй способ заключается в сжигании в скважине горючих материалов. Порода, упрочненная таким способом, в 2-3 раза повышает свою прочность.
Плывуны можно упрочнять электроплавлением с помощью электронагревателя, спускаемого в скважину, создающего температуру в скважине через 10 мин до 25000. Прочность горной породы увеличивается до 430 кгс/см2.
Замораживание применяют, когда водонасыщенным породам требуется создать временныю прочность и водонепроницаемость
Сущность метода заключается в использовании охлажденной до 10-20 0С промывочной жидкости, которая, циркулируя в скважине, замораживает воду в горной породе.
В качестве промывочной жидкости в США применяют керосин, охлажденный сухим льдом до температуры -84-100С. В отечественной практике для замораживания горной породы используют жидкий азот с температурой -1960С, транспортируемый в зону осложнения в теплоизолированной колонке.
В Красноярском филиале СНИИГГ и МСа разработан термохимический способ изоляции проницаемых пластов, заключающийся в закачивании в поглощающий горизонт термосолевых составов, которые, остывая в пласте до температуры кристаллизации смеси, закупоривают каналы ухода бурового раствора.
Тампонажные составы относятся к истинным растворам и обладают высокой проникающей способностью, отличаются технологичностью и простотой приготовления. Весь процесс приготовления состоит из растворения хлористого кальция и добавки (полимерной или сульфатной) в воде.
Полимеры (КМЦ или ПАА) и сульфат алюминия добавляют в раствор хлористого кальция для повышения прочности и устойчивости к размыву и растворению кристаллогидратов хлористого кальция.
При растворении хлористого кальция температура раствора повышается до 700С и выше. Тампонажный состав: 56,5 % CaCl2, 32,9 - 41,4 % воды с добавкой полимера (КМЦ – 2,8 % или ПАА – 2,1 %) или сульфата (Al2(SO4)3 - 4,4 %) после кристаллизации хлористого кальция характеризуется полным отсутствием свободной (несвязанной) воды, а образующийся тампонажный камень устойчив к размыву и растворению промывочными жидкостями.