Прогрессивные технологии сооружения скважин

ВОДОГИПАНОВЫЕ РАСТВОРЫ (ПО А. Н. КОЛОМЕЙЦУ)

Водогипановые растворы (ВГР) представляют собой безгли­нистые растворы, содержащие до 5-6 % гипана, растворенного в технической воде.

Промышленностью выпускаются две разновидности гипана: гипан-1 и гипан-0,7.

Гипан-1 получают омылением полиакрилнирила эквимолеку­лярным количеством каустика, гипан-0,7 - омылением 1 моля полиакрилнитрила 0,7 моля NaOH.

Гипан поставляется в виде 10%-ного водного раствора в боч­ках или цистернах. В связи с тем, что гипан-0,7 представляет собой более трудно растворимую жидкость и менее устойчивую к температурному режиму (пониженным температурам) и срокам хранения, в бурении в основном применяется гипан-1.

В последнее время стал выпускаться сухой гипан в виде зер­нистого порошка, упакованного в полиэтиленовые мешки.

Гипан хорошо растворяется в воде, удовлетворительно сохра­няет свои свойства во времени, нетоксичен, дешев и доступен, придает водогипановым растворам необходимые технологические свойства: вязкость, несущую способность, кольматирующие свой­ства и др.

Вязкость раствора должна быть достаточно высокой для обес­печения эффективного выноса из скважины шлама и умень­шения поглощения промывочной жидкости (фильтрационного расхода). Вязкость ВГР зависит от содержания в нем гипана:

Содержание гипана, %........... 0 1 2 3 4 5 10 20 30

Вязкость при температуре воздуха 10 °С по прибору

СПВ-5, с............................. 15 17 20 23 26 30 50 108 256

Вязкости ВГР выбирают в зависимости от геолого-гидрогео­логических условий сооружения скважин и ее конструкции.

При хранении жидкого гипана в течение 90-100 дней его вяз­кость снижается на 16-17 %. В этом случае эффективнее приме­нять сухой гипан, обладающий большей устойчивостью как к температурному режиму, так и к срокам хранения. При пониже­нии температуры от 0 до -30 °С вязкость ВГР уменьшается на 15-16 %.

Температура замерзания ВГР приведена в табл. 6.3.

Для работы в условиях более низких температур в водогипа - новый раствор рекомендуется вводить небольшое количество соли NaCl (4,5-6,0 %). В этом случае температура замерзания ВГР при содержании гипана 4-5 % снижается до -9 °С.

Несущая способность ВГР представляет собой отношение ско­рости оседания песчаных частиц различных фракций в воде к скорости оседания их в растворе. При изменении вязкости ВГР от 17 до 30 с, его несущая способность увеличивается от 3 до 14 раз.

При минимальной скорости восходящего потока промывочной жидкости 0,026 м/с, частоте вращения бурового снаряда 100 об/мин и вязкости ВГР 26 с с забоя скважины выносятся частицы шлама размером 1,5-2,0 мм.

В табл. 6.4 приведены значения несущей способности ВГР в зависимости от его вязкости.

Кольматирующие свойства. Опытными лабораторными и

Стендовыми исследованиями, а также в производственных усло­виях установлено, что гипан активно реагирует с ионами поли­валентных металлов. При фильтрации ВГР в пласт на контакте подземных вод происходит коагуляция гипана с образованием эластичного геля, механически закупоривающего поровые каналы разбуриваемых пород. При этом гель-коагулянт не проникает значительно вглубь песчаной стенки и не связан с породой никакой другой связью, кроме механической, в то же время закрепляет стенки скважин за счет образования достаточно прочной тонкой корки. Таким образом, коагуляция гипана является существенным фактором кольматации околоствольной зоны.

Другим существенным фактором, повышающим устойчивость стенок скважин, является механическая кольматация мелкими и тонкозернистыми частицами, содержащимися в ВГР. Глубина проникновения этих частиц вглубь пласта с увеличением вязко­сти раствора уменьшается.

Особенность кольматирующих свойств ВГР заключается в том, что при соблюдении технологии бурения, промывки и про­качки скважин, пройденных с ВГР, декольматация их происхо­дит быстро и эффективно. При этом декольматацию необхо­димо проводить в течение первых 2-3 ч после окончания бурения. В этом случае полученные удельные дебиты скважин, водоносные горизонты в которых вскрыты с прямой промывкой ВГР того же порядка, что и удельные дебиты скважин, пробу­ренных с прямой промывкой водой или ударно-канатным спо­собом.

Фильтрационный расход. Одним из основных условий успеш­ного безаварийного бурения скважин в песчано-гравийных отло­жениях является избыточное гидростатическое давление и свя­занный с ним фильтрационный расход для обеспечения устойчи­вости стенок скважин. Кроме того, фильтрационный расход зави­сит от степени кольматации пласта и вязкости раствора. По­скольку ВГР обладает хорошими кольматирующими свойствами и значительной вязкостью, его фильтрационный расход при бу­рении в рыхлых песчаных породах существенно снижается по сравнению с водой:

Условная вязкость ВГР, с......................... 17 20 23 26 30

Ориентировочное снижение фильт­рационного расхода ВГР по сравне­нию с водой, раз 2,0 5,0 7,5 10,0 14,0

Ориентировочный расход ВГР указан в табл. 6.5.

Практически при бурении скважин с промывкой ВГР обеспе­чивается устойчивость песчаных стенок при положении статиче-

Ского уровня водоносного горизонта на глубине 0,1-3,0 м и выше.

Геолого-гидрогеологические условия применения ВГР

ВГР в настоящее время находит широкое применение при со­оружении скважин на воду в рыхлых песчаных и песчано-гра - вийных отложениях благодаря его положительным технологиче­ским и другим свойствам: хорошая кольматация водоносных го­ризонтов, повышенная устойчивость стенок скважин, снижение фильтрационного расхода, улучшение выноса шлама, обеспечение быстрой декольматации горизонтов, дешевизна, недефицитность, химическая и бактериологическая безопасность.

Представляется целесообразным использовать ВГР и при скважинном подземном выщелачивании.

Указанные технологические свойства определяют условия его применения:

Коэффициент фильтрации водовмещающих пород Кф до 35 м/сут;

Статический уровень водоносного горизонта 1-5 м и более;

Диаметр скважин до 450 мм.

ВГР также рекомендуется применять для вскрытия маловодо - обильных горизонтов, залегающих под толщами глинистых пород или среди них. При вскрытии этих горизонтов с промывкой тех­нической водой происходит интенсивное образование естествен­ных глинистых растворов, кольматирующих водоносные гори­зонты, а при вскрытии с промывкой ВГР явления кольматации существенно меньше в связи с ингибирующими свойствами ги­пана по отношению к глинистому шламу. При этом необходимо строго соблюдать технологические рекомендации по примене­нию ВГР для вскрытия водоносных горизонтов в многослойных толщах.

Ориентировочные исходные параметры ВГР приведены в табл. 6.6.

В процессе бурения проводится корректировка параметров в зависимости от конкретных геолого-гидрогеологических условий.

Организационно-технические условия

При бурении с прямой промывкой ВГР необходимо обеспе­чить достаточно надежное снабжение скважин водой и реаген­тами, заранее сделав необходимые расчеты в соответствии с ре­комендациями (см. табл. 6.5). Следует иметь в виду, что при по­вышении частоты вращения бурового инструмента от 110 до 190 об/мин расход ВГР на 1 м бурения возрастает до двух раз и более. При остановках процесса бурения фильтрационный расход ВГР снижается в 2-3 раза.

При значительных глубинах скважин (более 50 м) и их диа­метрах (свыше 190 мм) на буровых подготавливается не менее двух отстойников объемом 6-8 м3 каждый, а также устраивается желобная система глубиной до 0,5 м для эффективной очистки от шлама выходящей из скважины промывочной жидкости. Кро­ме того, необходимо обеспечить каждую буровую емкость объе­мом 1-3,5 м3.

Способы приготовления ВГР. Наиболее удобный способ - в глиномешалке; время приготовления ВГР на основе жидкого ги­пана 5-10 мин (зимой до 15 мин), на основе сухого - до полного растворения твердой фазы. Рекомендуется предварительно замо­чить сухой гипан в воде в течение 2-3 ч в емкости до получения сметанообразного раствора, что значительно улучшит качество получаемого в дальнейшем ВГР.

При отсутствии глиномешалки возможно приготовление ВГР в гидросмесителе (на основе жидкого гипана), в том числе и в холодное время с применением повторного перемешивания.

Способ приготовления ВГР с помощью бурового насоса за­ключается в следующем:

Жидкий гипан подливают тонкой струйкой или под сильную струю воды, истекающую из нагнетательного шланга насоса, или на несколько приподнятый храпок насоса, пропуская ВГР через насос и снова в емкость;

Сухой гипан после предварительной замочки также много­кратно перекачивают буровым насосом в емкости до полного растворения гипана и получения однородного ВГР.

В зимних условиях, когда налив гипана из бочки затруднен, для его разогрева можно рекомендовать применение стержневых нагревателей типа ТЭНов напряжением до 36 В, вставляемых в горловину бочки.

Технологические особенности вскрытия водоносных горизонтов

С промывкой ВГР

При глубинах скважин до 50 м и диаметрах бурения до 190 мм забуривание скважин можно производить с промывкой ВГР. Причем при значительных мощностях необводненных пес­ков (более 15-20 м) вязкость ВГР нужно принимать на 3-4 с выше рекомендуемой, так как в сухих песках фильтрационный расход выше, а устойчивость стенок ниже, чем в обводненных.

При глубинах скважин более 50-60 м, диаметрах бурения свыше 190 мм и глубине статического уровня свыше 20 м буре­ние до кровли водоносного горизонта рекомендуется осуществ­лять с промывкой глинистым раствором нормальных параметров с последующим перекрытием этого интервала обсадной ко­лонной.

Особое внимание следует уделять контролю параметров ВГР (вязкости и плотности) и фильтрационного расхода. Значитель­ное повышение вязкости ВГР свидетельствует об излишнем обо­гащении его глинистыми частицами разбуриваемых пород и не­обходимости замены раствора. Значительное повышение плотно­сти ВГР при небольшом увеличении вязкости указывает на пе­реобогащение раствора песчаным шламом. В этом случае необхо­димо также заменить ВГР и провести тщательную промывку скважины до полного удаления шлама.

При бурении с отбором керна вязкость ВГР следует повысить на 1-3 с против рекомендуемой.

Частота вращения бурового снаряда: 300-320 об/мин при

Диаметре бурения до 152 мм, 180-200 об/мин при диаметре 152­243 мм, 100-120 об/мин при диаметре свыше 243 мм.

Оптимальная скорость проведения спускоподъемных опера­ций 0,8-0,9 м/с. При большей скорости возможны местные пере­пады гидростатического давления (в результате возникновения эффекта «свабирования»), что может привести к обвалообразо- ванию.

По окончании рейса перед подъемом и наращиванием инст­румента необходимо провести тщательную промывку скважины от шлама в течение 5-10 мин.

Перед спуском фильтровых колонн также рекомендуется про­вести тщательную промывку скважин. Спуск колонны прово­дится плавно, без рывков. При недохождении фильтра до тре­буемой глубины из-за наличия в скважине шламовой пробки можно осуществить ее размыв через обратный клапан с насадкой, навинчиваемый на низ отстойника фильтровой колонны. При этом вокруг фильтра образуется обсыпка более крупнозернистым материалом, которым, как правило, представлена шламовая пробка, что способствует лучшему водоотбору из скважин при последующем проведении откачек.

Применение ВГР для вскрытия песчаных водоносных горизон­тов в многослойных толщах

Нередко встречаются условия, когда водоносные горизонты залегают в многослойных толщах, представленных чередованием песков и слабосцементированных песчаников с глинистыми по­родами (глины, алевролиты, аргиллиты и др.) при незначитель­ной мощности песков и песчаников и небольшой их водообиль - ности.

Вскрытие и освоение таких водоносных горизонтов представ­ляет особые трудности в связи с высокой степенью их кольмата­ции естественным глинистым раствором и шламом глинистых пород.

Учитывая, что взаимодействие различных глинистых пород с полимерными реагентами различно, в частности неодинаково влияние полимерных реагентов на скорость диспергирования и набухания в растворе частиц глинистых пород, необходимо при применении ВГР в условиях многослойных толщ проводить ла­бораторные работы по установлению характера влияния гипана на скорость диспергирования и набухания в растворе частиц шлама разбуриваемых глинистых пород или глинопорошка и ко­мовой глины, применяемых при приготовлении глинистого рас­твора.

С учетом ингибирующих свойств гипана в конкретных усло­виях в процессе вскрытия водоносного горизонта бурение осуще­ствляется с циркуляцией ВГР по обычной схеме; при существен­ном повышении вязкости ВГР (на 25-30 % против исходной) производится его замена.

Поскольку гипан способствует усилению диспергирования и набухания глинистых частиц, вскрытие водоносного горизонта рекомендуется осуществлять с циркуляцией ВГР по схеме «на выброс» с приемом выходящей из скважины промывочной жид­кости в оборудованную для этого дополнительную приемную емкость.

При незначительном повышении вязкости выходящего из скважины раствора его можно использовать повторно для буре­ния по водоносному горизонту. В противном случае он отво­дится в отстойник и в дальнейшем может быть использован для бурения по вскрышным породам на других скважинах.

По окончании установки фильтровой колонны в заданный интервал необходимо провести его промывку водой (от 2 до 24 ч):

К верхней части фильтровой колонны присоединяется пере­ходник, через который буровым насосом закачивается вода и промывается сетчатая часть фильтра;

В фильтровую колонну опускается буровой снаряд, соединя­ется с обратным клапаном, через который закачивается вода и промывается зафильтровая зона. Продолжительность промывки принимается в зависимости от диаметра и глубины скважин. За­тем производится прокачка скважины в течение, как правило, не более 2-3 ч.

Особые технологические требования при применении ВГР

Широкое применение ВГР позволило накопить богатый опыт и сформировать особые технологические требования к их ис­пользованию.

Необходимо тщательно следить, чтобы гипан растворялся полностью и не было нерастворенных сгустков его в растворе, особенно в зимнее время. Нерастворенные сгустки налипают на стенки скважин и поверхность фильтров, и удалить их довольно затруднительно.

Свойства ВГР должны постоянно контролироваться в зависи­мости от конкретных условий, что позволит избежать различных осложнений, получить достоверную геолого-гидрогеологическую информацию, исключить излишний расход гипана. Для этого на

Каждой буровой установке необходимо иметь вискозиметр СПВ-5 и ареометр АГ-2.

Категорически запрещается введение в ВГР глинопорошка или комовой глины, так как это резко повышает степень кольма­тации водоносных горизонтов и снижает геологическую инфор­мативность скважин.

Необходимо знать, что при значительных перерывах между окончанием бурения с ВГР, посадкой фильтров и прокачкой (бо­лее 7-10 сут) гель-коагулянт (продукт взаимодействия гипана с полиэлектролитами) постепенно затвердевает и превращается в гель-камень, что может при последующем освоении скважин су­щественно препятствовать их декольматации.

Технико-экономическая оценка применения ВГР

Технико-экономическую эффективность вскрытия водоносных горизонтов с промывкой ВГР следует рассматривать в следую­щих аспектах:

Сокращение сроков сооружения и освоения скважин за счет снижения затрат времени на приготовление глинистого раствора и другие вспомогательные операции, уменьшение продолжитель­ности работ по декольматации водоносных горизонтов и про­должительности опытно-фильтрационных работ, упрощение ме­тодики гидрогеологических работ;

Сокращение материальных и других затрат, транспортных рас­ходов;

Получение высокой гидрогеологической информации, что дает возможность с достаточной достоверностью оценить ресурсы подземных вод, прогнозировать режим грунтовых вод при инже­нерно-мелиоративных съемках, давать точные рекомендации по выбору водоподъемных средств и др.;

Обеспечение достаточной надежности с точки зрения требова­ний экологии.

Трехкомпонентные полимерные промывочные жидкости

В практике работ встречаются условия, где ВГР не всегда да­ет требуемые результаты (коэффициент фильтрации более 30­40 м/сут, глубина статического уровня менее 3,0 м, диаметр бу­рения 400-450 мм). Здесь необходимы более высокая вязкость раствора, его несущая способность и кольматирующие свойства при сохранении всех положительных качеств, присущих ВГР.

С этой целью были разработаны и успешно применены на практике трехкомпонентные полимерные жидкости на основе гипана и карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) - водокарбоксиме- тилцеллюлозогипановый раствор (ВКГР).

Гипан подробно охарактеризован в предыдущих разделах. КМЦ представляет собой волокнистый белый порошок светло­серого, кремового цвета, получаемый путем взаимодействия ще­лочной целлюлозы с натриевой солью монохлоруксусной ки­слоты. Поставляется в бумажных мешках. Реагент эффективно повышает вязкость растворов. На мешках указывается марка КМЦ - от 250 и выше (чем выше марка КМЦ, тем больше вяз­кость ее водного раствора). Продукт очень гироскопичен.

ВКГР обладает высокой вязкостью, которая может изменяться в широких пределах в зависимости от концентрации реагентов вплоть до состояния «не течет» (табл. 6.7).

При понижении температуры раствора от 17 до 5 °С его вяз­кость увеличивается в 1,5 раза.

Трехкомпонентные промывочные жидкости позволяют за счет более высокой вязкости по сравнению с ВГР, небольшого фильт­рационного расхода, хороших кольматирующих свойств осущест­влять успешное сооружение скважин в самых сложных геолого- гидрогеологических условиях, не снижая при этом ни геологиче­скую информативность скважин, ни других достоинств ВГР. Ос­новное требование - строго соблюдать технологические рекомен­дации.

В связи с тем, что сооружение скважин с промывкой трех - компонентными промывочными жидкостями проводится в слож­ных геолого-гидрогеологических условиях, необходимо обеспе­чить надежное снабжение скважин водой и химреагентами, так как возникающие перебои в снабжении могут привести к серьез­ным осложнениям.

При приготовлении ВКГР в первую очередь готовят водный раствор КМЦ, для чего реагент тщательно размельчают и на 2­3 ч замачивают в теплой воде. Способы приготовления анало­гичны описанным выше: в глиномешалке в течение 40-60 мин, гидросмесителе или с помощью бурового насоса. Расчетное ко-

Личество гипана можно вводить в раствор КМЦ тонкой струйкой под струю жидкости из насадки бурового насоса, не ожидая пол­ного растворения комков КМЦ (они растворятся в процессе дальнейшего перемешивания гипана в течение 10-15 мин).

При возникновении осложнений в процессе бурения скважин произвольное добавление реагентов в раствор не рекомендуется. Необходимо проверить параметры раствора и с помощью реаген­тов довести вязкость, водоотдачу и плотность до требуемых зна­чений.

Особые технологические требования и технико-экономическая оценка применения ВКГР и ВГР аналогичны.

Кроме того, вышеописанные свойства ВКГР позволяют осу­ществлять бурение скважин на форсированных режимах (частота вращения бурового снаряда 180-320 об/мин) при диаметре по- родоразрушающего инструмента более 400 мм, статических уров­нях жидкости в скважинах вплоть до устья и выше (+1,5 - +3,0 м), более крупных фракциях пород водоносных горизонтов (гравийно-галечные отложения). Основное правило такое же, как и для ВГР: четкий контроль за параметрами раствора и фильтра­ционным расходом.