Геотехнологические способы вскрытия месторождений

Под вскрытием месторождения понимается проведение (проходка) выработок, открывающих доступ с поверхности к рудному телу или к пластам полезного ископаемого и обеспечивающих возможность проведения подготовительных работ.

Выработки, обеспечивающие доступ к месторождению полезного ископаемого с поверхности земли служит основная вскрывающая выработка – при геотехнологии это скважина. Скважины обеспечивают также подготовку залежи к разработке и служат для транспортировки рабочих и продуктивных флюидов.

По своему назначению все вскрывающие скважины подразделяются на добычные и вспомогательные. Вспомогательные скважины могут быть разведочными, водоотливными, оценочными и контрольными. Добычные скважины предназначены для добычи полезного ископаемого и могут быть вертикальными, наклонными и наклонно-горизонтальными. Они обычно оборудуются эксплуатационными колоннами труб для доставки к продуктивной залежи рабочего агента и извлечения из недр полезного ископаемого. Диаметр добычной скважины определяется конструктивными размерами её оборудования, а глубина — глубиной залегания полезного ископаемого.

Наклонно-горизонтальные скважины позволяют отрабатывать на одну скважину большие запасы, чем вертикальные.

При большинстве геотехнологических способов разработки месторождений полезных ископаемых скважины являются одновременно вскрывающими, подготовительными и нарезными выработками, т.к. они вскрывают месторождение, подготавливают его к разработке и используются для добычи полезного ископаемого.

Добычные скважины обычно одинаковы, отрабатывают один ограниченный участок месторождения, поэтому для оценки вскрытия, подготовки и разработки (за исключением скважинной гидродобычи) можно рассматривать только одну скважину.

Общее представление о тех условиях, в которых приходится осуществлять вскрытие, и характеристику экономической эффективности системы вскрытия дает коэффициент вскрытия.

Различают несколько коэффициентов вскрытия: геологический, технологический и экономический.

Геологический коэффициент вскрытия – это отношение мощности покрывающих пород к мощности пласта.

Технологический коэффициент вскрытия показывает, какая длина скважины приходится на тонну добываемых запасов.

Экономический коэффициент вскрытия определяется как отношение затрат на сооружение и оборудование добычной скважины и стоимости полезного ископаемого.

Вскрытие месторождения является наиболее ответственным этапом при геотехнологии. Малейшие упущения в работах по бурению и подготовке скважины могут привести к её потере или вызвать необходимость в производстве длительных и трудоемких ремонтных работ.

Вскрытие месторождения геотехнологическими скважинами состоит из ряда последовательно выполняемых операций: выбор места заложения скважины, уточнение конструкции скважины; бурение скважины; обсадка и цементация скважины; опресовка скважины; геологические, гидрогеологические и геофизические исследования скважин; оборудование скважин для эксплуатации; оформление документации и сдача скважины в эксплуатацию.

Выбор места заложения скважин всегда связан с применяемой системой разработки, принятой на данном участке или месторождении. Отклонение от проектного места заложения скважины может нарушить работу соседних скважин и вызвать повышенные потери рабочего агента и полезного ископаемого в недрах.

Уточнение конструкции скважин связано с новыми геологоразведочными данными, полученными перед бурением скважины. При этом уточняется место расположения пакеров, фильтров и т.д., а также глубина опресовки скважины.

Бурение геотехнологических скважин мало чем отличается от бурения нефтяных, газовых и других типов скважин. Особенность заключается в том, что при бурении геотехнологических скважин осуществляют отбор керна по продуктивной залежи и на несколько метров в боковых породах над и под ним, а бурение по продуктивной толще ведётся с промывкой чистой водой.

Обсадка и цементация скважин иногда ещё называются креплением. Таким образом, крепление скважин выполняется в два этапа: спуск обсадной колонны и цементация затрубного пространства. Обсадные трубы в процессе работы испытывают следующие виды нагрузок:

§ наружное давление горных пород;

§ внутреннее давление текущих по трубам флюидов;

§ продольное растяжение и изгиб труб под действием собственного веса;

§ напряжения, возникающие в результате температурного удлинения.

Наиболее предпочтительны в качестве обсадных сварные трубы, так как они обладают следующими преимуществами:

§ уменьшается зазор между стенками скважины и наружным диаметром колонны за счёт отсутствия муфт между трубами;

§ увеличивается прочность и герметичность обсадной колонны;

§ значительная экономия металла и цемента.

Цементация добычных скважин — важнейший процесс при подготовке их к эксплуатации, так как она обеспечивает герметичность и, следовательно, успешную их работу. Цементация защищает также колонну обсадных труб от воздействия агрессивных высокоминерализованных пластовых вод. Объемы цементации, марки используемого цемента, вид наполнителя, конструкция возводимой крепи зависят от конкретного геотехнологического способа разработки и типа месторождения полезного ископаемого. Обычно используют цементы марки 300-500. При геотехнологических способах, связанных с высокой температурой протекающих процессов, используются специальные термостойкие цементы. При цементации в глинистых и соляных породах цементный раствор приготавливается не на пресной воде, а на насыщенном водном растворе соли (до 360 кг/м скважины). Промывка скважин перед цементацией и продавка цемента после окончания тампонажа также ведётся насыщенным раствором поваренной соли. После окончания работ по цементации обсадной колонны скважину оставляют для ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) на 16-24 часа. Этот период уменьшается, если в него добавляют ускорители схватывания, например, жидкое стекло.

Опресовка скважин представляет собой испытания их на герметичность. Обычно она производится в три приёма:

§ испытание герметичности обсадной колонны, которая проводится после затвердевания цемента, но до разбуривания цементного башмака, под давлением в 2-3 раза превышающим давление рабочего агента в процессе разработки;

§ испытание герметичности цементации, которое проводится после разбуривания цементного башмака в трубе и под обсадной колонной под давлением, соответствующим двойному давлению рабочего агента;

§ испытание герметичности скважины в целом, которое производится после окончания проходки.

Испытания герметичности проводят водой, нагнетаемой в скважину поршневым насосом бурового станка, а при значительной приемистости скважины – центробежным насосом. При затрубных появлениях воды приступают к повторной цементации, так называемому «лечению» скважин.

Исследования скважин проводятся после окончания бурения перед их оборудованием. При этом производится опробование рудного пласта как по кернам, так и геофизическими методами. Кроме этого проводят гидрогеологические исследования с целью выявления дебита воды, времени восстановления уровня, качества воды и т.д.

Оборудование скважин зависит от конкретного геотехнологического способа и определяется проектом.

Оформление документации и сдача скважины в эксплуатацию являются завершающей операцией вскрытия. Бурение скважин ведётся в соответствии с утверждённым планом горных работ, где указываются порядок бурения и сдачи в эксплуатацию добычных и вспомогательных скважин. При бурении каждой добычной скважины составляются следующие документы:

§ буровой журнал и геологический паспорт скважины;

§ акт о заложении скважины с указанием точного её местонахождения;

§ акт контрольного замера глубины скважины;

§ акт на скрытые работы, в котором указываются порядок бурения и разбуривания скважин;

§ акт об обсадке и цементации;

§ акт замера искривления скважин;

§ отчёт о проведённых гидрогеологических исследованиях;

§ отчёт о проведённых геофизических испытаниях;

§ акт на оборудование скважины с указанием точного расположения всех труб по отношению к почве пласта.

Во многом эффективность эксплуатации скважин зависит от полноты сведений, содержащихся в документации так как от этого зависит правильность принятия решений при осложнениях и авариях, а также осуществление мероприятий по воздействию на пласт для повышения эффективности процесса.

Так как вскрытие является важным этапом геотехнологической отработки месторождений, постоянно ведутся работы по совершенствованию схем вскрытия.

Таблица 3

Классификация скважинных методов вскрытия

Способ вскрытия месторождения	Область применения
1 Отдельной скважиной: а) вертикальной б) наклонной, наклонно-горизонтальной	Скважинная гидродобыча (устойчивые покрывающие породы), подземное растворение солей (мощные залежи). Скважинная гидродобыча (неустойчивые покрывающие породы)
2. Группой скважин: а) спаренными б) взаимодействующими (вертикальными, наклонными и вертикальными)	Скважинная гидродобыча (небольшая глубина залегания), подземное растворение солей, добыча тепла Земли. Подземное выщелачивание металлов, выплавка серы, газификация угля (залежи небольшой мощности)
3. Горной выработкой и скважинами: а) скважинами из подземных выработок; б) скважинами с поверхности и из подземных выработок; в) подземными горными выработками	Отработка локальных рудных тел в сочетании с традиционной технологией добычи

Различают три основных проблемы геотехнологии:

§ улучшение качества вскрытия продуктивных пластов за счёт совершенствования техники и технологии бурения (повышение скорости бурения, механизация буровых работ, возможность обсадки скважины буровым станком и извлечения обсадной колонны);

§ эффективное сооружение наклонно-направленных скважин;

§ подготовка месторождения к его эффективной разработке через скважины.

Выбор способа вскрытия зависит от следующих факторов:

§ технологическая схема разработки;

§ размеры месторождения в плане;

§ условия залегания залежи (мощность, угол падения, глубина залегания);

§ физико-механические свойства полезного ископаемого и вмещающих пород;

§ рельеф поверхности.

Принципиальные схемы вскрытия месторождения отдельными скважинами приведены на рис. 8.

Здесь, при вскрытии месторождений отдельной вертикальной скважиной (рис. 8,а) на устье оборудуется кондуктор 1. Колонна обсадных труб 2 опускается только до кровли отрабатываемой залежи. Затрубное пространство 3 заполняется цементным раствором. Участок скважины в проективной толще 4 обычно проводится без крепления.

При вскрытии месторождения отдельной наклонно-горизонтальной скважиной (рис. 8,б) в ее устье размещается направляющая колонна 1. До кровли залежи опускается промежуточная колонна 2. Обсадная колонна 3 опускается до почвы залежи или до окончания наклонной части скважины. Горизонтальная часть скважины оборудуется обычно водоподающей колонной 4. (Обычно этот способ вскрытия используется при подземном растворении пластов каменной соли 5).

Принципиальные схемы вскрытия месторождения группой скважин показаны на рис. 9.

При вскрытии месторождений полезных ископаемых спаренными вертикальными скважинами (рис. 9,а), например, при скважинной гидродобыче, одна скважина обычно является гидромониторной 1, а вторая эрлифтной 2.

При вскрытии месторождений полезных ископаемых взаимодействующими наклонными и вертикальными скважинами (рис. 9,б), например, при подземной газификации угольных пластов (ПГУ), одна скважина является розжиговой 1, вторая — дутьевой 2, а третья — газоотводящей 3.

Схемы вскрытия горной выработкой и скважинами весьма разнообразны и зависят от конкретной схемы взаимного размещения горных выработок и залежи. Однако эти схемы не являются в полном смысле геотехнологическими, так как требуется наличие горных выработок, подземных или открытых.

Контрольные вопросы

1. Из ряда каких последовательно выполняемых операций состоит вскрытие месторождения геотехнологическими скважинами?

2.  Назначение и структура процесса цементации.

3. Назначение и структура процесса опресовки скважины.