К обсадным трубам для крепления и оборудования геотехнологических скважин предъявляются специфические требования, связанные с условиями сооружения и эксплуатации скважин.
Основными из них являются следующие: 1) достаточная механическая прочность в условиях горного давления и гидродинамических нагрузок; 2) стойкость материала труб к химически агрессивным средам (рабочим и продуктивным растворам), а также при работе в условиях низких и высоких температур; 3) высокие адгезионные свойства или сцепление с различными тампонажными и гидроизоляционными материалами; 4) простота конструкции, надежность в работе и высокая герметичность соединений труб; 5) невысокая стоимость труб, обусловливающая рациональную конструкцию скважин.
Правильный выбор типа труб для обсадных и эксплуатационных колонн геотехнологических скважин определяет работоспособность и срок службы скважин.
В настоящее время для крепления и оборудования геотехнологических скважин широко применяются стальные (в том числе из нержавеющей стали) и полиэтиленовые трубы. Реже используются полипропиленовые, винипластовые, бипластмассовые, фанерные и стальные трубы, футерованные полиэтиленом. В стадии внедрения находятся стеклопластиковые и металлопластовые трубы.
Стальные трубы, изготовляемые по ГОСТ 632–80, широко применяются в качестве обсадных и эксплуатационных колонн при сооружении технологических скважин для подземного выщелачивания солей, а также при обсадке и оборудовании различных вспомогательных скважин (баражные, гидроразрыва пластов, водопонизительные и др.).
При добыче металлов методом ПВ с использованием кислотных растворителей стальные трубы из обычной стали применяются в качестве обсадных, защитных колонн. В процессе освоения и эксплуатации технологических скважин они должны быть изолированы от контакта с продуктивными и рабочими растворами.
Обсадные трубы ГОСТ 632–80 выпускаются бесшовными, муфтового соединения с короткой, нормальной и реже удлиненной резьбами. Стандартом предусмотрено также изготовление труб с удлиненной резьбой трапециедального профиля, отличающегося повышенной прочностью.
Трубы ниппельного соединения, выпускаемые согласно ГОСТ 6238–52, используются при оборудовании неглубоких технологических скважин, а также для вспомогательных работ.
При оборудовании неглубоких геотехнологических скважин стальными обсадными эксплуатационными колоннами муфтового соединения рабочие напряжения в резьбовых соединениях и по телу трубы будут незначительными. Для упрощения конструкции скважин и уменьшения их диаметров, соединительные муфты обсадных труб можно обточить, уменьшив их диаметр на 10 – 15 мм. Это будет способствовать также улучшению условий извлечения труб в процессе ликвидации скважин.
Для выполнения вспомогательных работ в технологических скважинах применяются насосно-компрессорные трубы, изготовляемые по ГОСТ 633–80.
При добыче металлов методом ПВ с использованием кислотных растворителей наиболее полно требованиям технологии оборудования скважин отвечают трубы из коррозионно-стойкой стали. Однако применение труб из нержавеющей стали для крепления и оборудования технологических скважин ПВ очень ограничено вследствие недостаточного числа этих труб и их значительной стоимости. Поэтому в настоящее время трубы из нержавеющей стали применяют только для изготовления фильтров глубоких скважин и скважинного оборудования, а также в качестве раствороподъемных колонн.
Трубы из нержавеющей стали изготовляются по ГОСТ 9940–81 бесшовные, горячедеформированные, коррозионно-стойкие. Наиболее широко используются трубы из стали марок 10Х17Н13М2Т, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т.
Изготавливаются бесшовные, холоднотянутые, холоднокатаные и теплокатаные трубы из нержавеющей стали марок 12Х18Н10Т.
Опыт эксплуатации технологических скважин ПВ показал, что применение стальных труб позволяет упростить конструкции скважин, облегчить их оборудование, а в некоторых случаях и снизить стоимость работ.
Поэтому проводятся исследования, направленные на повышение коррозионной стойкости труб, изготовленных из обычных сталей. Одним из наиболее эффективных направлений улучшения коррозионной стойкости материала труб является использование покрытий поверхности труб кислотостойкими оболочками (футерование; использование лаков и т. д.).
При футеровании полиэтиленовая труба свободно (с зазором) вставляется в стальную, затем вся система подвергается совместному волочению.
Преимуществами футерованных труб являются высокие прочностные показатели (всю эксплуатационную нагрузку несет стальная оболочка) и устойчивость при работе с температурами от –40° до + 90 °С.
При сооружении технологических скважин на полигонах ПВ в основном применялись трубы 114X5 (104ХЗПВП) с фланцевым соединением. Однако широкое применение этих труб для крепления технологических скважин сдерживается по следующим причинам: 1) затруднено проведение ремонтных и других работ в обсаженной скважине вследствие возможного разрушения полиэтиленовой оболочки; 2) применение фланцевого соединения для спуска футерованных труб в скважину требует увеличенного диаметра скважины и: значительных затрат времени на сборку труб; 3) для предупреждения разъедания металлического каркаса растворами кислот крепление скважин футерованными трубами возможно только при наличии двух- и более колонн с обязательной цементацией затрубного пространства кислотостойким или сульфатостойким цементом.
Трубы из неметаллических материалов. Наиболее широко применяются трубы, изготовленные из полимеров (полиэтилен, полипропилен, винипласт), стеклопластика, фанеры, а также различные типы труб, составленные из разнородных материалов (металлопластовые, бипластмассовые и др.).
Трубы из полимерных материалов находят широкое применение при сооружении технологических скважин ПВ с использованием кислотных растворителей в качестве обсадных и эксплуатационных колонн, напорных трубопроводов для подачи сжатого воздуха и рабочих растворов в скважину, а также в качестве раствороподъемных труб.
Трубы из полимерных материалов обладают высокой химической стойкостью при работе в различных агрессивных средах, достаточной механической прочностью, возможностью механической и тепловой обработки. Важным преимуществом труб из полимеров является низкий коэффициент трения, что позволяет предотвратить отложения различных веществ на стенках труб и снизить сопротивления при движении растворов. Они обладают также низкими диэлектрическими показателями и высокой стойкостью против электрохимической коррозии. Однако трубы из полимерных материалов имеют и некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при эксплуатации: 1) низкие адгезионные свойства полимерных труб приводят к недостаточному сцеплению цементных и других растворов с поверхностью труб, что способствует ухудшению гидроизоляции зон движения растворов и требуют разработки специальных мероприятий; 2) механическая прочность труб из полимеров уменьшается при увеличении температуры и нагрузок; 3) величина деформации полимерных труб и их работоспособность сильно зависят от температуры окружающей среды, при которой осуществляется эксплуатация труб; 4) физико-механические свойства труб из полимеров под влиянием солнечной радиации ухудшаются с течением времени, т.е. наблюдается старение материала труб, в результате чего увеличивается их жесткость и хрупкость. В США больше нашли применение трубы поливинилхлоридные ПВХ Sch40 и стеклопластиковые.
Полиэтиленовые трубы. Для оборудования геотехнологических скважин наиболее широко применяются полиэтиленовые трубы, которые изготавляются согласно ГОСТ 18599–73 из полиэтилена низкой (ПНП) и высокой (ПВП) плотности четырех типов: легкие (Л), среднелегкие (СЛ), средние (С) и тяжелые (Т). В соответствии с ТУ 95333–78 выпускаются трубы из полиэтилена высокой плотности типа СТ (сверхтяжелые).
Трубы из ПНП менее прочные, но более гибкие, чем из ПВП, и имеют меньшую стоимость. Применение труб из ПНП возможно только в определенных горно-технических условиях с высокой устойчивостью стенок скважин. В геологическом разрезе должны отсутствовать пучащие глины, а также породы, склонные к оплыванию и способные развивать высокое горное давление. В процессе сооружения и эксплуатации недодопустимы осевые нагрузки, превышающие предел текучести материала, а для большинства типоразмеров труб перепады гидростатического давления должны быть не более 1МПа. Эти условия ограничивают возможность применения данного типа труб в скважинах глубже 100 м.
В связи с этим для крепления буровых скважин при ПВ более широко используются ОТ из полиэтилена высокой плотности. Прочность труб из ПВП при толщине стенки 6 – 10 мм также невелика, что ограничивает их применение в сложных горно-технических условиях. Применение толстостенных полиэтиленовых труб с наружным диаметром ПО – 210 мм и толщиной стенок 18 мм, которые незначительно уступают по прочности некоторым типам металлических и, несмотря на высокую стоимость, широко применяются при сооружении технологических скважин.
При работе в малоагрессивной водной среде может быть получен экономический эффект за счет отсутствия коррозии, большего срока эксплуатации и меньших сопротивлений движению жидкости.
Глубины спуска полиэтиленовых труб типа ПВП, серии Т и СТ при сооружении скважин подземного выщелачивания достигли в настоящее время 300 – 350 м. При этом нарушения целостности обсадных и эксплуатационных колонн обычно не превышают величин, имеющих место в скважинах меньшей глубины.
Полипропиленовые трубы. При сооружении технологических скважин ПВ могут также применяться полипропиленовые трубы.
Полипропилен (ПП) является продуктом полимеризации пропилена и изготовляется из отходов нефтеперерабатывающей промышленности.
Для изготовления труб применяют гранулированный, стабилизированный полипропилен марок 02П и ОЗП. Изготавливают трубы методом экструзии гранулированного полипропилена.
Недостатком полипропилена является повышенная хрупкость, при низких температурах.
Полипропиленовые трубы пока не нашли широкого применения для крепления технологических скважин ПВ.
Винипластовые трубы. Винипласт или твердый непластифицированный поливинилхлорид (ПВХ).
К достоинствам винипластовых труб можно отнести их сравнительно высокую механическую прочность, высокую химическую стойкость к воздействию кислот, щелочей и растворов солей различной концентрации, хорошие диэлектрические свойства, хорошую обрабатываемость материала.
Согласно сортаменту, винипластовые трубы изготавливаются четырех типов: Л, СЛ, С, Т.
К основным недостаткам винипласта следует отнести то, что он сильно подвержен старению под воздействием кислорода воздуха и ультрафиолетовых лучей, а также наличие повышенной хрупкости при отрицательных температурах.
Винипластовые трубы могут быть из полиэтилена высокой плотности (ПВП), полиэтилена низкой плотности (ПНП), полипропилена (ПП) и неспластифицированного поливинилхлорида (ПВХ).
Металлопластовые трубы. Одним из направлений повышения прочности обсадных полиэтиленовых труб и увеличения глубины их спуска в скважину является армирование полиэтиленовых труб металлическими спиралями или сетками.
В настоящее время для крепления технологических скважин ПВ по техническим условиям ТУ 95.661–79 разработаны обсадные металлопластовые трубы (МПТ) на основе полиэтиленовой оболочки и металлической сетки из проволоки диаметром 1,5–2,0 мм. Соединение обсадных труб осуществляется при помощи резьбовых металлопластовых муфт.
Важным преимуществом металлопластовых труб является их высокие прочностные показатели и коррозионная стойкость. Глубины спуска труб в настоящее время превышают 600 м.
Основным недостатком металлопластовых труб является различие коэффициентов температурного расширения материала арматуры и полиэтиленовой оболочки, что приводит к растрескиванию тела трубы и последующему разрушению труб в местах повреждения.
С целью предупреждения повреждения труб от температурных деформаций оболочки и арматуры в настоящее время проводятся исследования по изготовлению труб с наполненным полиэтиленом. В качестве наполнителя применяется стеклопластиковая масса.
В индексации указывают материал труб, наружный диаметр и толщину стенки в миллиметрах. Например, МПТ 132X12,5 ТУ 95.661–79.
Стеклопластиковые трубы. Материалом для изготовления труб служит стекловолокно и связующие вещества в виде смол. При этом тип применяемых смол является определяющим фактором коррозионной стойкости труб. Стеклопластиковые трубы применяются для оборудования технологических скважин глубиной более 300 м для транспортирования рабочих и продуктивных растворов в напорном режиме. Они обладают высокой прочностью и коррозийной стойкостью при работе в агрессивных средах, а также низким коэффициентом гидравлических сопротивлений.
Стеклопластиковые трубы для напорных трубопроводов разработаны Всесоюзным научно-исследовательским институтом по строительству магистральных трубопроводов (ВНИИСТ) на эксплуатационное давление 2,5 – 3 МПа при диаметрах труб 100, 150 и 200 мм.
Для оборудования технологических скважин на предприятиях ПВ металлов разработаны и изготовляются стеклопластиковые трубы с резьбовыми муфтами соединениями согласно ТУ 013.98–79. Трубы состоят из двух или трех заготовок, соединенных с помощью клея.
В настоящее время стеклопластиковые трубы используются при оборудовании технологических скважин ПВ глубиной более 500 м. Этими трубами оборудовано несколько скважин глубиной 520 м в тяжелых горно-геологических условиях и находятся в хорошем состоянии. Трубы имеют хорошую адгезию к цементу, что позволяет осуществить качественную гидроизоляцию затрубного пространства.
В связи с недостаточным выпуском стеклопластиковых труб и их относительно высокой стоимостью они чаще всего применяются совместно с полиэтиленовыми трубами и обычно располагаются в нижней части обсадной колонны.
В индексации указывается материал труб, внутренний диаметр и толщина стенки, например ТСО 110X6 ТУ 13.098–79.
Бипластмассовые трубы. К ним относятся трубы, в которых внутренний слой обеспечивает требуемую герметичность и химическую стойкость обсадной или эксплуатационной колонны, а связанный с ним наружный слой служит для обеспечения необходимой прочности и жесткости. Роль внутреннего футеровочного слоя обычно выполняет полиэтилен, а наружного слоя – стеклопластик. Для повышения адгезии футеровочного слоя к стеклопластику полиэтиленовую пленку облучают электронами высокой энергии.
Бипластмассовые трубы не нашли применения при сооружении геотехнологических скважин из-за повреждения полиэтиленовой оболочки в результате отслаивания ее от стеклопластика и потери герметичности в соединениях труб (применялись резьбовые соединения с помощью металлических муфт и ниппелей). Испытания показали, что бипластмассовые трубы могут найти применение в качестве напорных магистральных трубопроводов для подачи в скважины рабочих растворов.
Фанерные трубы. Для крепления технологических скважин ПВ применения не получили. Испытания показали ненадежность соединений труб при помощи клеевых муфт и быстрый выход скважин из строя. Поэтому фанерные трубы применяются в основном в качестве технологических самотечных трубопроводов для отвода из откачных скважин продуктивных растворов.
В процессе ПВ нашли применение фанерные трубы двух марок Ф1 и Ф2. Для изготовления труб и муфт применяются березовая двухслойная фанера, фенольно-формальдегидная смола и фенольно-формальдегидные клеи холодного отверждения.
Фанерные трубы достаточно стойки к слабокислым и щелочным средам в пределах рН от 4 до 10 при температуре до 60 °С.
Для транспортирования более агрессивных сред фанерные трубы покрываются стойкими лаками, наиболее распространенным из которых является лак этиноль. Лучшим методом нанесения лака на трубы является метод двукратного погружения.