Ратов Б.Т. Федоров Б.В.

Казахский Национальный Технический Университет

имени К.И. Сатпаева,г Алматы,Казахстан

Гидровибрационное освоение глубоко

залегающих водоносных пластов

Известно, что одной из трудоемких операций при сооружении водозаборных и геотехнологических скважин, пробуренных вращательным способом с промывкой глинистым раствором, является декольматация водоносных пластов.

Существуют свыше двадцати методов выполнения этой технологической операции [1,2,3]. Особое место среди них занимает гидровибрационное освоение водоносных пластов. Последнее заключается передаче жидкости, заполняющей скважину, колебаний от рабочего органа, представляющего бурильную колонку с дисками. Указанные колебания с амплитудой 5-10 мм. генерируются от поверхностного вибратора, соединенного с бурильной колонкой. Возникающие перепады давления величиной 0,2-0,5 МПа, вызывают отслоение глинистой корки в зоне залегания водоносного пласта, а последующая эрлифтная прокачка очищает ствол скважины и способствует повышению проницаемости пласта.

Несмотря на эффективность рассматриваемого метода, последний имеет существенный недостаток. Он заключается в том, что расположение вибратора на поверхности ограничивает эффективную декольматацию водоносных пластов при глубине их залегания до 150 м вследствие поглощения значительной доли энергии колебаний материалом бурильной колонны.

Известны попытки применения забойных вибраторов для гидровибрационного освоения глубоко залегающих водоносных пластов [4], однако они не нашли широкого применения из-за сложности оборудования.

Кафедрой технологии и техники бурения скважин Казахского Национального Технического Университета разработано достаточно простое устройство для декольматаци глубокозалегающих пластов.

Устройство (рисунок 1) состоит из гидроударника и соединенного с ним гидровибрационного рабочего органа. Последний представляет трубу 11, на которую с зазором одеты втулки 9, разделенные дисками 8. В трубе и втулках выполнены радиальные отверстия для выброса отработавшей в гидроударнике воды.

Для исключения неконтролируемых утечек жидкости между дисками и втулками установлены прокладки, а на нижний конец трубы 11 навинчена зажимная гайка 12.

Верхний конец трубы пропущен сквозь фланец и сопрягается на резьбе с упорной гайкой 2, которая в свою очередь соединена с наковальней взаимодействующей посредством шлицов с переходником 1. Между торцом упорной гайки 2 и фланцем 14 размещена пружина 4 .

Подвеска рабочего органа на гидроударнике осуществляется посредством четырех шпилек 3.Верхние концы последних ввинчены в переходник 1,а их нижние концы пропущены сквозь отверстия в фланца 14, закреплены гайками 6 и зафиксированы от ослабления крепления контргайками 13. С помощью гаек 6 и шпилек 3 возможна также регулировка предварительного натяжения пружины 4.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При подаче рабочей жидкости (воды) по бурильным трубам поршень гидроударника начинает наносить удары по наковальне. Последняя при каждом ударе поршня благодаря шлицевому соединению с переходником 1 движется вниз, сжимая через упорную втулку 2 пружину 4 и перемещает в том же направлении трубу 11 с дисками. Последние, в свою очередь, передают ударный импульс окружающей жидкости. Импульсы, многократно отражаясь от дисков, оказывают силовое воздействие на закольматированный фильтр, а при его очистке - на закольматированные стенки скважины. Силовой импульс, возникающий при ударе по жидкости зажимной гайкой 12, движется к заглушке отстойника фильтра.

Рисунок 1 – Устройство для гидровибрационной

разглинизации водоносных пластов

Отражаясь в виде волны растяжения, импульс возвращается к гайке 12. Возникающие при этом кавитационные явления также способствуют очистке фильтра и декольматации стенок скважин.

При ходе поршня-бойка гидроударника под действием возвратной пружины вверх отработанная вода по центральному каналу наковальни и упорной гайки попадает в трубу 11 и через радиальные отверстия в ней и во втулках 9, выбрасывается наружу, оказывая дополнительно очищающее действие на фильтр. Механизм возникновения и передачи ударных импульсов жидкости при освоении пластов изложен в работах [6,7,8].

Указанное устройство защищено патентом РК [5].

Экспериментальный рабочий орган устройства был создан с учетом особенности условий его промышленных испытаний, которые были проведены на объектах АО «Волковгеология». Эта организация занимается сооружением геотехнологических скважин для подземного выщелачивания руд. Отличительной чертой конструкции таких скважин является малый диаметр применяемых фильтров, наличие их гравийной обсыпки и достаточно большая длина фильтровой части. Фильтры выполняются из пластмассовых труб, внутренний диаметр которых – 74 мм, наружный – 90 мм. Толщина гравийной обсыпки – 30-40 мм на сторону.

Конструкция откачных скважин следующая: диаметры бурения – 240 мм (интервал бурения 0-110м), 190мм (интервал бурения 110-490м), 320мм (расширение скважины в интервале 460-472м). Эксплуатационная колонна длиной 110 м, состоящая из полиэтиленовых труб ПВХ-140/10 наружным 140 мм, через переходник сопрягалась с фильтровой колонной длиной 376м. Последняя состояла из полиэтиленовых труб ПВХ-90/8.

На фильтровую колонну (с перфорацией последней) в интервале 460-472 м, надеты полиэтиленовые кольца. В результате oбpaзовался дисковый щелевой фильтр КДФ 118.

Вскрытие продуктивного пласта осуществлялась с промывкой малоглинистым раствором, имеющим следующие параметры: плотность – 1,12см³, вязкость 22сек, водоотдача – 10-12 см³/30 мин.

После расширения скважины в интервале 460-472 м и установки фильтра создавалась его гравийная обсыпка путем доставки гравия в кольцевой зазор между стенками скважины и обсадными трубами. Расчетный объем гравия должен заполнить интервал от забоя скважины (490м) до отметки 445 м, то есть верхний торец обсыпки располагается выше фильтра на 15 м. В интервале 425-445 мм формируется цементное кольцо путем закачки соответствующего объема цементного раствора. Остальной кольцевой зазор между обсадными трубами и стенками скважины заполняется гельцементным раствором.

Существовавшая ранее технология освоения пластов заключалось в проведении следующих технологических операций:

– промывка отстойника и фильтра чистой водой в течение 12-16 часов;

– прокачка эрлифтом в течение 12-16 часов до получения максимального дебита (не менее 25 м³/час);

– прокачка при максимальном дебите в течение 8 часов.

К моменту проведения испытаний устройства для гидровибрационной разглинизации необходимо было восстановить первоначальный дебит скважины (25 м^3/час), который начал постепенно снижаться в результате частичной закупорки фильтрационных каналов в гравийной обсыпке и фильтре мелкой фракцией, выносимой из продуктивного песчаного пласта. Методика проведения восстановления производительности скважины заключалась в гидровибрационной обработке фильтра в сочетании с одновременной откачкой эрлифтом.

Для проведения гидровибрационной обработки фильтровой части скважины над ее устьем была смонтирована передвижная буровая установка ПБУ-ЗИФ1200МР, в состав последней входил буровой станок ЗИФ-120МР, и буровой насос НБ-32. Установка была необходима для спуска в скважину экспериментального устройства с гидроударником и привода его в действие.

Для эрлифтной откачки использовался компрессор марки XRVS-346 бельгийского производства. Испытания проводились в следующей последовательности. На поверхности гидровибрационый рабочий орган с дисками соединялся с гидроударником Г59В, который в свою очередь соединялся с напорным шлангом бурового насоса НБ-32. При запуске насоса осуществлялась проверка рабочего органа на холостом ходу. В частности отмечалось наличие колебаний дисков рабочего органа и выхода отработанной жидкости через отверстия в трубе рабочего органа.

Гидроударник с рабочим органом опускался в скважину на бурильных трубах диаметром 50мм и останавливался в фильтровой колонне с таким расчетом, чтобы рабочий орган полностью вошел в верхнюю часть фильтра. Затем в эксплуатационную колонну спускался воздухопроводный шланг с перфорированным сместителем на конце. Глубина спуска сместителя – 100м.

Включался буровой насос НБ-32, который приводил в действие гидроударник и соединенный с его наковальней подпружиненный рабочий орган. Последний с дисками приходил в колебательное перемещение. Одновременно включался компрессор XRVS-346 для подачи воздуха по воздухопроводному шлангу к смесителю.

Затем осуществлялась подача всей бурильной колонны с гидроударником и рабочим фильтром вниз в направлении отстойника фильтра. Скорость подачи составляла 20-30см/мин. Указанное перемещение прекращалось, когда нижний торец рабочего органа достигал конца фильтра. Затем перемещение рабочего органа осуществлялось в противоположном направлении (вверх) и прекращалось когда нижний диск рабочего органа достигал верхнего торца фильтра. Затем указанное возвратно-поступательное перемещение многократно повторялось.

В результате перепадов давления в жидкости, возникающих при колебании дисков рабочего органа с частотой 1200-1400 колебаний в минуту и действия струй отработанных струй воды через щелевой фильтр на прифильтровую зону осуществлялся вынос глинистых частиц и мелкой фракции из гравийной обсыпки и стенок скважины внутрь фильтра. В дальнейшем кольматант удалялся из скважины эрлифтной откачкой, что было зафиксировано по мутной жидкости, выходящей из скважины.

Восстановление производительности скважины осуществлялось в течение 5 часов (до откачки из скважины чистой, без мути, воды).

Замер дебита после освоения скважины, проведенный объемным методом, показал, что последний увеличился до 27м³/час против 25 м³/час в начале работы. При этом сроки освоения скважины сократились с 24 часов до 5 часов.

Выводы.

1.Разработанный гидровибрационный рабочий орган с приводам от забойных машин (гидро-или пневмоударников) прост по конструкции, надежен, о чем свидетельствуют результаты промышленных испытаний.

2.Гидровибрационной рабочий орган обеспечивает эффективную разглинизацию залегающих (до 500-600 м) водоносных пластов при сооружении сроков их освоения в 4-5 раз.

Литература:

1. Башкатов Д.Н. «Вскрытие и освоение водоносных пластов при бурении гидрогеологических и водозаборных скважин» М. ВИЭМС, 1976.

2. Башкатова А.Д. «Прогрессивные технологии сооружения скважин», М. Недра 2003.

3. Федоров Б.В. «Бурение скважин» Алматы, издательский центр КазНТУ, 2002.

4. Сердюк Н.И. «Сравнительная оценка технико-экономической эффективности технологий восстановления производительности буровых скважин» М. МГГРУ, 2005.

5. Кудайкулов С.К., Касенов А.К., Ратов Б.Т., Федоров Б.В. «Устройство для вибрационной разглинизации водоносных пластов». Предварительный патент РК №14693.

6. Ратов Б.Т., Федоров Б.В., Касенов А.К. «Параметры гидравлического удара при гидровибрационном освоении водоносных пластов» Сб. Вестник КазНТУ, 2(40), 2004.

7. Ратов Б.Г., Федоров Б.В., Сейдахмет А.Ж. «Гидровибрационное освоение водоносных пластов с применением забойных ударных машин» сборник докладов Международной конференции «Инженерное образование и наука в XXI веке» Алматы, изд. КазНТУ, 2004.

8. Ратов Б.Т., Федоров Б.В. «К механизму вибрационной декольматации водоносных пластов». Сборник докладов Республиканской научной конференции молдодых ученых и студентов «Проблемы геологии и освоения недр» Алматы, изд. ТОО«ЭВЕРО», 2005.