Вскрытие водоносных горизонтов глинистыми, специальными растворами и воздухом

В последнее время превалирующим среди других промывочных жидкостей является глинистый раствор. Ведущую роль обеспечивает ему, прежде всего, возможность сооружения скважин большой глубины, вскрытие водоносных горизонтов с коэффициентом фильтрации более 20 м/сут, проведение комплекса каротажных работ, низкая ме­таллоемкость скважин, высокая транспортирующая способность его, обеспечение устойчивости стенок скважины и целый ряд других достоинств. В то же время применение глинистого раствора в качестве промывочной жидкости имеет и недостатки. Существенным недостатком является глинизация водоносного горизонта и самого фильтра.

Способ вскрытия водоносных горизонтов вращательным бурением с прямой промывкой глинистым раствором применяют для вскрытия напорных водоносных горизонтов, в том числе и с самоизливом, а также в скважинах с поглощением. Глинистый раствор, применяемый для вскрытия водоносных горизонтов, должен отвечать следующим требованиям:

1) минимально проникать в водоносный горизонт во время его вскрытия бурением;

2) легко извлекаться из пор и трещин водоносного горизонта после вскрытия и оборудования водоприемной части скважины;

3) не вступать в реакцию с породами водоносного горизонта и насыщать его водой;

4) не образовывать осадков, закупоривающих поры водоносного горизонта

5) не изменять свои свойства при изменении температуры и давления.

В качестве глинистого раствора чаще всего используют естест­венный раствор, образующийся в процессе проходки скважины по глинистым породам. В естественный глинистый раствор с целью улучшения его качества добавляют различные хим. реагенты. Степень кольматации водоносного горизонта в значительной мере зависит от перепада давления в системе скважина - водоносный горизонт. Перепадом давления, а значит и степенью кольматации водоносного пласта, можно управлять путем применения аэрированных растворов. Положительным качеством аэрированных растворов является снижение их плотности до 0,7-0,8 г/см³. Благодаря этому, значительно снижается кольматация и облегчается процесс освоения гидрогеоло­гических скважин. Опыт применения аэрированных растворов пока­зал их высокую эффективность. Отрицательным моментом при этом является невозможность применения аэрированного раствора в сква­жинах, представленных рыхлыми, неустойчивыми отложениями.

Большой интерес представляет применение так называемых самораспадающихся растворов на основе модифицированного крахма­ла, добавляемого в воду в количестве 4-5 % по весу.

В Белоруссии осуществляется успешное применение безглини­стых растворов на основе КМЦ для вскрытия водоносных горизонтов. На 1 м³ раствора используется 7-10 кг КМЦ, кроме того, раствор об­рабатывается углещелочным реагентом (УЩР) в количестве 80-100 кг и мелом. При применении этих растворов увеличивается удельный дебит скважины и уменьшается время разглинизации, однако, стои­мость 1 м³ такого раствора довольно высокая. При уменьшении стои­мости безглинистого раствора, он несомненно получит широкое рас­пространение.

Существует метод с использованием меловых растворов при бурении скважин на воду с по­следующим восстановлением проницаемости прифильтровой зоны обработкой раствором соляной кислоты. Здесь используется естественная способность карбонатов растворяться в соляной кислоте. Недостатком применения меловых растворов является большая стоимость буровых работ за счет сложной рецептуры раствора и необходимость проведения дорогостоящих и сложных работ по кислотной обработке.

Внедрен способ вскрытия водоносных горизонтов с прямой промывкой водогипановыми растворами. При бурении с водогипановым раствором дебиты скважин выше дебитов скважин пробуренных с применением глинистого раствора. Доказана возможность сооружения скважин на воду диаметром до 243 мм в рыхлых неустойчивых отложениях при высоких коэффициентах фильтрации.

Водогипановые растворы создают на стенках скважин эластичную корку которая предотвращает фильтрацию раствора в водоносный горизонт и его кольматаж. При выполнении разглинизации корка быстро разрушается, траты времени на эту операцию минимальные. За счет увели­чения вязкости водогипановых растворов улучшается выносная спо­собность.

Для приготовления водогипановых растворов применяется товарный гипан 0,7 и гипан 1. Водогипановые растворы имеют более низкие температуры замерзания. В последнее время распространение получают трехкомпонентные растворы: вода-глина-гипан. Однако применение водогипановых растворов не всегда дает положительный результат. Одной из причин, вызывающих снижение удельных дебитов скважин, является кольматирующее воздействие водогипанового раствора, обусловленное его способностью коагулировать в присутст­вии ионов поливалентных металлов. При коагуляции образуется эла­стичный гель, механически закупоривающий поровое пространство. Особенно значительным коагулирующим действием обладают катио­ны Fe²⁺ и Fe³⁺, а также катионы Са²⁺ и Mg²⁺.

Вскрытие водоносных горизонтов с продувкой воздухом применяется в определенных геологических условиях.

К преимуществам этого способа вскрытия водоносных горизонтов следует отнести:

1) увеличение механической скорости бурения;

2) снижение стоимости бурения скважины;

3) уменьшение износа породоразрушающих инструментов соответственно, увеличение проходки на один буровой наконечник;

4) повышение достоверности геологической документации в ин­тервалах с плохим выходом керна;

5) возможность качественного испытания водоносных горизон­тов с низким пластовым напором;

6) эффективность применения в зоне мерзлых и легко размы­ваемых пород;

7) обеспечение нормальных условий бурения при вскрытии трещиноватых и разрушенных пород, в которых происходит катаст­рофическое поглощение промывочной жидкости;

8) создание более благоприятных условий для бурения скважин в безводных районах и местах, труднодоступных для доставки воды.

Компрессор должен обеспечивать получение в кольцевом про­странстве между стенками скважины и бурильными трубами опти­мальной скорости воздушного потока, которая составляет 16-20 м/с.

Вскрытие водоносных горизонтов с продувкой сжатым воздухом возможно при условии, Р_гc < 0,8Р_к, где Р_к - давление, развиваемое компрессором; Р_гс - гидростатическое давление.

Практикой установлено, что вскрытие с продувкой сжатым воз­духом успешно осуществляется при водопритоках до 3 л/с. Примене­ние воздуха рекомендуется для вскрытия водоносных горизонтов, представленных устойчивыми трещиноватыми или пористыми поро­дами. Диаметр скважин не должен превышать 243 мм, а глубина 60-100 м в зависимости от марки компрессора.

Вскрывать водоносные горизонты с продувкой в слабоустойчивых породах или породах, сложенных сланцами, шлам которых может слипаться при смачивании, не рекомендуется, так как это приводит к осыпанию стенок скважины, обвалам, сальникообразованию и кавернообразованию и, в конечном счете, к авариям. Уменьшить сальникобразование можно за счет применения поверхностно-активнывных веществ (ПАВ). Эффективность ПАВ неодинакова и зависит как от природы ПАВ, так и от адсорбционной способности шлама. Наибольшей адсорбционной способностью обладает шлам глин.

При вскрытии водоносных горизонтов с продувкой воздухом одновременно происходит и их освоение. Дебиты скважин, водоносный пласт которых вскрывается с продувкой воздухом, выше, чем дебиты скважин, вскрытых ударно-канатным способом или с промывкой водой. [2]

 

 

ГЛАВА 7

Освоение водоносных горизонтов, раскольматация пласта

Причины кольматации

Под освоением водоносного пласта следует понимать технологические операции, обеспечивающие оборудование водоприемной части скважины и восстановление естественной водоотдачи пласта или искусственное увеличение ее объема для достижения максимального дебита скважины.

При освоении зачастую требуется «раскольматировать пласт».

Кольматация (кольматаж) - Процесс естественного и искусственного вмывания мелких (главным образом глинистых и коллоидных) частиц в поры и трещины горных пород. Кольматация приводит к ухудшению фильтрационных свойств пород. Различают кольматацию механическую, химическую, термическую и биологическую.

В скважинах на воду кольматации в основном способствуют следующие факторы:

- шлам бурового раствора;

- частички глины пропластков разреза;

- соли Mg, Ca, Fe, образовавшиеся в результате реакции нагнетаемой воды с водами пласта.

Глинистый раствор является сильнейшим кольматантом в связи с тем, что частички глины, проникая в поры и трещины пласта, набухают и вызывают снижение проницаемости пласта и соответственно дебита скважины.

После оборудования приемной части скважины фильтровой колонной (а в некоторых случаях водоносный пласт оставляют, в скальных породах, без фильтра) приступают к освоению скважины. Операции освоения скважины сводятся к восстановлению естественных свойств пласта, то есть к различным способам и приемам очистки коллекторов водоносных пластов от твердых частиц, связанных с процессом бурения.

Операции по восстановлению проницаемости прифильтровой зоны заключаются в удалении глинистого раствора, бурового шлама и закольматированой породы пласта, - это достигается путем создания в прифильтровой зоне давления, ниже пластового, для чего используются различные методы откачки.

Откачка воды является обязательной операцией при освоении скважин. При откачке воды на фильтр и прилегающий водоносный пласт воздействует поток воды, поступающий через водоприемную поверхность внутрь скважины при создании в ней пониженного давления с помощью эрлифта, водоструйного насоса, скважинного центробежного насоса или другого водоподъемного средства.

Откачка является наиболее эффективным методом раскольматации после обработки скважины другими методами, вызывающими нарушение структуры связей в закольматированой породе, разрушение и диспергирование глинистой корки.

Очистка коллекторов, пор пласта должна начинаться немедленно после установки фильтра.

Обязательная промывка скважины осуществляется через фильтр водой. Продолжительность промывки зависит от глубины и диаметра скважины и составляет от 2 до 24 часов. Затем необходимо обязательное откачивание при помощи эрлифта или погружного центробежного насоса. Продолжительность и тип откачки зависит от состава водоносного пласта, динамического уровня. Возможно также чередование циклов откачки и промывки.

 

Откачка эрлифтом

После сооружения скважины обычно производится строительная откачка воздушным водоподъемником (эрлифтом) для удаления бурового шлама, глины, мелких фракций песка из прифильтровой зоны. Работа эрлифта основана на исполь­зовании сжатого воздуха, вырабатываемого компрессором. В скважину помещается водоподъемная труба, на нижнем конце которой устанав­ливается смеситель - перфорированная труба, плотно опоясанная кожу­хом. К смесителю присоединяется воздухопровод от компрессора. Сжатый воздух по воздухопроводу подводится к смесителю, помещенному под динамический уровень на глубину, и, проходя через отверстия в нижнюю часть водоподъемной трубы, перемешивается с водой, образуя водо­подъемную смесь. Плотность смеси меньше плотности воды, поэтому столб воды высотойвне водоподъемной трубы уравновешивается столбом воздушно-водяной смеси, имеющим большую высоту. При непрерывной подаче воздуха воздушно-водяная смесь выходит на поверхность земли.

При строительной откачке вода содержит большое количество взве­шенных примесей, которые выносятся, и вода постепенно осветляется. Минимальный расход воды при строительной откачке должен быть не менее 75% расчетного эксплуатационного дебита скважины.

При строительной откачке водоподъемные трубы эрлифтной установки опускают в скважину до нижней части отстойника, а смеситель устанав­ливают выше — на глубине, соответствующей рабочему давлению комп­рессора. В этом случае проникшая в скважину порода и шлам будут вынесены водой на поверхность земли. Полное освобождение водоносной породы от шлама имеет особо важное значение при последующем обо­рудовании скважин центробежными насосами. При недостаточной от­качке шлам проникает в насос, что может вызвать его быстрый износ.

Продолжительность строительной откачки зависит от свойств водо­носной породы, интенсивности и способа откачки и не может быть заранее точно установлена. Признаками окончания строительной откачки явля­ются полное осветление воды, прекращение выноса из скважины породы и шлама, установившийся режим с производительностью не менее 75% расчетной. Во время строительной откачки измеряют динамический уро­вень и дебит скважины. Обычно по мере осветления воды динамический уровень понижается, а удельный дебит возрастает.

Недостаток разглинизации скважин эрлифтной откачкой заключается в невозможности создания больших перепадов давления в системе водо­носный пласт — скважина. Максимальное понижение уровня воды при от­качке эрлифтом не может превышать 30—50% высоты столба воды в скважине. Так, при глубине скважины 100 м перепад давления будет не более 0,3—0,5 МПа. Столь низкий перепад давления не может обеспе­чить достаточного разрушения продуктов глинизации даже при продол­жительной откачке.

Для увеличения эффективности откачки рекомендуется выключать компрессор с одновременным выпуском воздуха из ресивера. При этом за счет перепада давлений в трубах и затрубном пространстве вода с большой скоростью движется вниз, проходит через водоприемную по­верхность фильтра и ударяет в стенки скважины. Это способствует лучшей очистке фильтра и обрушению стенок скважины.

 

Расчет эрлифта

Расчет эрлифта [4,5] заключается в определении глубины погружения смесителя, расхода и давления воздуха, а также размеров воздухопроводящих и водоподъемных труб. Исходные данные для расчета (рис.46): глубина скважины z в м; высота уровня излива воды над поверхностью земли a в м; глубина статического уровня от уровня излива  QUOTE  м; глубина динамического уровня воды от уровня излива h в м; расчетный дебит скважины Q в м³/ч.

 

Рис. 46. Схема оборудования скважин эрлифтом.

1 – воздухопроводные трубы; 2 – смеситель; 3 – водоподъемные трубы.

Глубина погружения смесителя H (расстояние от центра смесителя до уровня излива смеси на поверхности) зависит от положения динамического уровня:

Н=k·h, (21)

где k – коэффициент погружения смесителя эрлифта под динамический уровень, ориентировочно принимается по данным, приведенным ниже:

h, м 1515-3030-6060-9090-120 k 3-2,52,5-2,22,2-22-1,81,8-1,6Следует учитывать, что при k < 1,6 гидравлический КПД эрлифта очень низок, а при k > 3 работа эрлифтовой установки (эрлифт + компрессор) требует очень значительных затрат энергии приводящего двигателя.

Гидравлический КПД эрлифта:

η = (k – 1)^0,85 / (1,05 · k). (22)

Удельный расход воздуха  QUOTE , необходимый для подъема из скважины 1 м³ воды (в м³ воздуха на 1 м³ воды):

V ₀ = (10 · η · ln ((H – h + 10) / 10) / h)^-1 . (23)

Полный расход воздуха (м³/мин):

W = Q ·  QUOTE /60, (24)

где Q – проектный дебит скважины, м³/ч

Давление воздуха при пуске компрессора (МПа):

P _п = 10^-6 · ρ _в · g · (H – h _ст+2), (25)

где  QUOTE = 1000 кг/м³ - плотность воды.

Расход воздушно-водяной эмульсии при изливе (м³/с)

 QUOTE , (26)

Площадь внутреннего сечения водоподъемной трубы (в м²) при изливе:

 QUOTE , (27)

где  QUOTE - скорость движения эмульсии при изливе (м/с):

h, м204060 QUOTE , м/с 67-89-10Внутренний диаметр водоподъемной трубы (м):

d = (4 · F / π + D ₁² )^0,5 , (28)

где D ₁ - наружный диаметр воздухопроводных труб в скважине, м (33; 42; 63,5; мм).

Рекомендуемые наружные диаметры воздухопроводных труб D ₁ в зависимости от полного расхода воздуха W

W, м³/мин0,16-0,50,5-1,01,0-1,71,7-3,3 D ₁, мм15-2020-2525-3232-40 W, м³/мин3,3-6,76,7-11,711,7-16,716,7-26,7 D ₁, мм40-5050-7070-8080-100Компрессор выбирается по значению подачи W _к и давлению P _к.

Подача компрессора (м³/мин):

 QUOTE , (29)

где 1,2 – коэффициент запаса подачи.

Давление, развиваемое компрессором (МПа):

P _к = 1,2 · P _п , (30)

где 1,2 – коэффициент запаса давления.

 

Пример 7

Из скважины глубиной 50 м должна быть проведена откачка эрлифтом при следующих условиях:

h =15 м;

k =2,5;

Q =25 м³/ч;

 QUOTE  =1000 кг/м³;

 QUOTE =3 м;

 QUOTE  =6 м/с.

Решение

1. Глубина погружения смесителя

H = k · h,

H = 2,5 · 15 = 37,5 м.

2. Гидравлический КПД эрлифта

η = (k – 1)^0,85 / (1,05 · k),

η = (2,5 – 1)^0,85 / (1,05 · 2,5) = 0,54.

3. Удельный расход воздуха

 QUOTE  V ₀ = (10 · η · ln ((H – h + 10) / 10) / h)^-1 .

 QUOTE  V ₀ = (10 · 0,54 · ln ((37,5 – 15 + 10) / 10) / 15)^-1 = 2,36.

4. Полный расход воздуха

 QUOTE ,

W = 25 · 2,36 / 60 = 0,98 м³ / мин.

5. Наружный диаметр воздухопроводных труб

В соответствии с W = 0,98 м³ / мин, принимаем D ₁ = 25 мм.

6. Давление воздуха при пуске компрессора

P _п = 10^-6 · ρ _в · g · (H – h _ст+2),  QUOTE 

P _п = 10^-6 · 1000 · 9,81 · (37,5 – 3 + 2) = 0,35 МПа.

7. Расход эмульсии

 QUOTE ,

 QUOTE  q = 25 / 3600 + 0,98 / 60 = 0,023 м³ /с.

8. Площадь внутреннего сечения водоподъемной трубы

 QUOTE ,

F = 0,023 / 6 = 3,83 · 10^-3 м².

9. Внутренний диаметр водоподъемной трубы при изливе

d = (4 · F / π + D ₁² )^0,5 ,

d = (4 · 3,83 · 10^-3 / π + (25· 10^-3)² )^0,5 = 0,074 м. QUOTE 

10. Подача компрессора

 QUOTE ,

W _к = 1,2 · 0,98 = 1,18 м³ /с.

11. Давление, развиваемое компрессором

P _к = 1,2 · P _п,

P _к = 1,2 · 0,35 = 0,42 МПа.