При наличии в продуктивном горизонте мелкозернистых песков гравийно-обсыпные фильтры являются наиболее эффективными. Они позволяют увеличить проницаемость прифильтровой зоны скважины путем замены песков продуктивных горизонтов более крупным материалом, подаваемым извне. Это способствует также увеличению эффективного диаметра скважин.
Применение фильтров с песчано-гравийными обсыпками на месторождениях ПВ способствует увеличению дебита в момент освоения скважин. При этом увеличиливается продолжительность работы скважин между циклами освоении и работоспособность насосно-подъемного оборудования.
Гравийные фильтры могут быть изготовлены на поверхности а затем опущены в скважины, но чаще применяются гравийные фильтры, сооруженные непосредственно на забое скважины.
Существует два способа сооружения фильтров непосредственно на забое скважины: 1) способ, основанный на силах гравитации при котором гравий осаждается вокруг фильтра при свободном падении частиц на забой в межтрубном пространстве под действием сил тяжести; 2) способ принудительного осаждения гравия путем закачки его на забои потоком ПЖ с использованием различных приспособлений.
Сооружение гравийных обсыпок в восходящем потоке жидкости. Из способов укладки гравия под действием сил гравитации наиболее широко применяемым является доставка гравия в восходящем потоке жидкости. Отсортированный гравий засыпается непосредственно в зазор между стенками скважины и эксплуатационной колонной или доставляется в прифильтровую зону по бурильным трубам малого диаметра, опущенным в этот зазор. При формировании фильтра в восходящем потоке по повышению давления на манометре бурового насоса фиксируются гравийные пробки. В этом случае предотвращается загрязнение прифильтровой зоны и фильтров мелкими глинистыми частицами со стенок скважины, а также частицами отделившимися от песчано-гравийной смеси.
При доставке гравия в восходящем потоке важным является определение интенсивности засыпки и средней скорости восходящего
потока, величины которых устанавливаются с учетом площади за
трубного пространства. Интенсивность загрузки должна регулироваться в зависимости от крупности частиц гравия. Скорость восходящего потока должна быть не менее 0,6 м/с и не более 3 – 4 м/с. При большей скорости восходящего потока наблюдается вынос частиц гравия.
Однако способ доставки гравия в восходящем потоке во многих случаях не обеспечивает высокого качества гравийной обсыпки Доставка гравия затруднена из-за налипания последнего на стенки скважины, образования пробок в местах сужения ствола скважины скапливания гравия в кавернах. Кроме того, отсутствует гарантия плотной и равномерной укладки гравия по высоте и периметру водоприемной части фильтра. Это может привести к длительному пескованию и обрушению пород в фильтровой области.
Глубины скважин, где можно применять подачу гравия в зону продуктивного пласта в восходящем потоке жидкости обычно не превышают 250 – 300 м. Кроме того, при доставке гравия в прифильтровую зону имеют место значительные затраты времени на оборудование скважин.
Сооружение гравийных обсыпок в нисходящем потоке жидкости. Более прогрессивным способом создания обсыпок является доставка гравия в зафильтровую полость в движущемся нисходящем потоке жидкости, которая может осуществляться при открытом или загерметизированном устье скважины. В этом случае обеспечивается принудительное осаждение гравия вокруг фильтра с последующим перераспределением частиц гравия по крупности: более крупный гравий будет находиться в контакте с фильтром, что обусловливается более высокими скоростями входа воды в фильтр.
Принципиальная схема создания гравийной обсыпки в нисходящем потоке жидкости при открытом устье скважины состоит в следующем. После опускания фильтровой колонны на забой внутри нее из труб меньшего диаметра монтируется водоподъемная колонна, нижняя часть которой располагается на 2 – 3 м выше верхней границы отстойника. Около скважины устанавливается емкость для гравия и воды с наклонным подводным желобом к устью или эжектор. Вода из скважины откачивается с помощью центробежного вакуум-насоса или эрлифта. Одновременно с началом откачки к устью скважины подается смесь гравия и воды. Водогравийная смесь потоком обратной циркуляции доставляется в зафильтровое пространство, где происходит отделение твердой фазы и формирование гравия вокруг фильтрового каркаса, а вода через водоподъемные трубы поднимается на поверхность. В процессе формирования гравийного слоя из скважины удаляются мелкие частицы пород, слагающие продуктивный горизонт.
Основным недостатком схемы доставки гравия в призабойную зону скважины является то, что при отсутствии в стволе скважины выше рудного пласта обсадных труб и если вышележащие породы являются неустойчивыми, возможны обвалы стенок скважины из-за резкого изменения динамического уровня при пуске эрлифта в работу, а также засорения гравийной смеси и прифильтровой зоны породами стенок скважины.
При подаче гравия в восходящем или нисходящем потоках жидкости для улучшения условий доставки гравия по межтрубному зазору при применении полиэтиленовых эксплуатационных колонн необходимо предусмотреть их центрирование путем установки направляющих фонарей по длине колонны на расстоянии 10 – 15 м.
Для предотвращения обрушения зоны продуктивного пласта в период подготовки эксплуатационной колонны к спуску и в период ее спуска необходимо поддерживать необходимое гидростатическое давление на продуктивный пласт путем налива воды в скважину.
Сооружение гравийных обсыпок путем подачи гравия по БТ. Для того чтобы улучшить условия доставки гравия в прифильтровую зону скважин, на месторождениях подземного выщелачивания широко применяется способ доставки гравия по БТ, опущенным в зазор между эксплуатационной колонной труб и стенками скважины. Нижний конец колонны БТ располагается выше приемной части фильтра на 0,5 – 1,5 м и служит во многих случаях для определения величины заполнения прифильтровой зоны скважины гравием.
Внутрь эксплуатационной колонны опускаются раствороподъемные трубы эрлифта. Одновременно с подачей по трубам гравия на забой скважины производится откачка жидкости эрлифтом, что способствует более плотной укладке песчано-гравийного материала вокруг фильтра. Для того чтобы стенки скважины были более устойчивыми и не обрушились за счет снижения уровня жидкости в скважине при откачке ее эрлифтом, подачу песчано-гравийной смеси осуществляют в потоке жидкости с помощью эжекторного насоса, установленного на поверхности.
Эта схема доставки гравия в прифильтровую зону скважины позволяет исключить контакт гравийного материала с незакрепленными стенками скважины, а следовательно позволяет исключить потери гравия в кавернах, налипание его на стенки скважины и пробкообразование.
Работа буровой бригады при оборудовании фильтров гравийными обсыпками с подачей гравия в нисходящем потоке по БТ заключается в сортировке на виброситах гравийно-песчаной смеси и загрузке этой смеси в приемный бункер эжекторного насоса.
Интенсивность загрузки определяется режимом работы эжектора. Загружается гравий мерными емкостями с целью определения его количества, подаваемого в скважину. После подачи расчетного количества гравия положение гравийного слоя проверяется с помощью бурильных труб. При необходимости производится дополнительная подача гравия или удаление его потоком воды из призабойной зоны скважины.
Важным узлом при формировании гравийных фильтров является водоструйный эжекторный насос (рис. 18). При работе эжекторного насоса струей воды, истекающей из насадки, в пространстве между насадкой и камерой смешения создается пониженное давление, вследствие чего песчано-гравийная смесь поступает в камеру смешения и далее в диффузор и БТ.
Рис. 18. Схема эжекторного насоса с вертикальным расположением эжектора:
1 – присоединительный переводник; 2 – воронка; 3 – насадка; 4 – окна; 5 – камера смешения; 6 – диффузор
Эжектор с помощью специального переводника подсоединяется к ведущей трубе или буровому насосу, а с другой стороны с помощью переводника и гибких шлангов он подсоединяется к БТ, опущенным в скважину. Разработаны и применяются в практике оборудования технологических скважин ПВ две конструкции эжекторных устройств для подачи гравия – с вертикальным и горизонтальным расположением эжекторных насосов.
Предпочтение следует отдать схеме с вертикальным расположением эжекторного насоса, так как в этом случае упрощается схема его монтажа (см. рис. 18). Эжекторный насос вместе с приемным бункером устанавливается на столе ротора бурового агрегата. Это также улучшает условия транспортирования гравийного материала, так как в горизонтальных и наклонных участках трубопроводов возможно образование песчано-гравийных пробок.
При вертикальном расположении эжектора последний монтируется на столе ротора. Верхняя часть эжектора подсоединяется к ведущей трубе, а нижняя к опущенным в скважину бурильным трубам. Приемный бункер приваривается к корпусу эжектора и в него засыпается песчано-гравийная смесь.
Сооружение гравийных обсыпок при применении пакерных устройств для гидроизоляции. При сооружении скважин важным мероприятием является создание надежной гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов. При оборудовании скважин фильтрами с гравийной обсыпкой материал гидроизоляции заливается поверх слоя гравия до статического (динамического для закачных скважин) уровня подземных вод. Качество гидроизоляции не всегда является высоким, очень часто наблюдаются перетоки раствора вверх по стволу скважины. Более надежным средством гидроизоляции является применение пакерных устройств, например манжет из кислотостойкой резины. Однако их применение невозможно при существующих методах создания гравийных фильтров.
Повысить качество сооружения скважин, оборудованных фильтрами с гравийной обсыпкой, и упростить схему герметизации прифильтрового пространства и зон движения рабочих и продуктивных растворов, а также повысить эффективность эрлифтной откачки в процессе сооружения скважин позволяет следующее устройство (см. рис. 19). В этом устройстве кислотостойкая манжета расположена на втулке (трубе), которая соединена с фильтром посредством соединения, позволяющего перемещать манжету вверх или вниз относительно фильтра. При этом втулка соединена с нижним концом раствороподъемных труб эрлифта, а верхний конец этих труб расположен ниже оголовка скважины. Обсадная колонна имеет в нижней части башмак с упорами для посадки манжеты.
Рис. 19. Схема создания гравийных обсыпок при применении пакерных устройств для гидроизоляции:
1 – обсадная колонна; 2 – фильтр; 3 – манжета из кислотостойкой резины (пакер); 4 – башмак с упором;
5 – подвижная втулка; 6 – соединение; 7 – водоподъемная колонна; в – воздухоподающая колонна;
9 – смеситель; 10 – воронка для засыпки гравия
Устройство работает следующим образом. В пробуренную до продуктивного горизонта скважину опускают обсадную колонну, а ее затрубное пространство цементируют. Затем вскрывают продуктивный горизонт и расширяют его до проектного диаметра. На поверхности собирают фильтр с отстойником и втулкой 5 с закрепленной на ней манжетой. Затем к втулке подсоединяют водоподъемную колонну труб 7 и опускают в скважину на воздухоподающих трубах 8. Длину раствороподающих труб выбирают таким образом, чтобы их верхний конец был,на 1 – 3 м выше пьезометрического уровня водоносного горизонта После установки фильтра втулку с манжетой перемещают в крайнее верхнее положение так, чтобы пакер вышел из зоны суженной части башмака эксплуатационной колонны, а затем в скважину подают воздух, под действием которого происходит циркуляция жидкости, находящейся в скважине. Одновременно с началом циркуляции жидкости через воронку 10 в скважину подают песчано-гравийную смесь, которая поступает в прифильтровую зону скважины в нисходящем потоке жидкости, и происходит принудительная укладка гравия вокруг фильтрового каркаса. При этом формирование гравийного фильтра будет при меньших затратах мощности и давления на компрессоре.
После засыпки гравия втулку с манжетой перемещают в крайнее нижнее положение до места установки пакера в суженной части башмака эксплуатационной колонны. Манжета заходит в зону башмака обсадной колонны и качественно изолирует пространство между обсадной колонной и фильтром. Происходит разрушение временных креплений, а затем подъем из скважины раствороподъемных и воздухоподающих труб.
Поверх слоя гравия на высоту 15 – 20 м заливается гидроизоляционный материал, после чего скважина готова к эксплуатации.
Сооружение гравийных обсыпок с предварительной подачей гравия на забой скважины. Другим способом создания фильтров с гравийной обсыпкой и установкой манжет для гидроизоляции является способ, при котором в прифильтровую зону вначале подают гравий, а затем осуществляют установку фильтра с пакером для гидроизоляции. Сооружение технологических скважин согласно этому способу осуществляется следующим образом (рис. 20). Вначале производится бурение скважины до продуктивного горизонта. В случае неустойчивых пород пробуренный интервал скважины закрепляется ОТ. Вскрытие продуктивного горизонта осуществляется долотами меньшего диаметра с последующим расширением (при необходимости) ствола скважины в зоне продуктивного пласта. В скважину на бурильных или насосно-компрессорных трубах, соединенных с противоаварийным переходником, установленным в нижней части, опускается фильтр с отстойником. На надфильтро-вом патрубке в месте перехода на уменьшенный диаметр скважины закрепляется резиновая манжета. Спуск фильтра прекращается не доходя забоя скважины.
Затем по бурильным или насосно-компрессорным трубам на забой скважины подается расчетное количество гравия (рис. 20, а).
Рис. 20. Способ создания гравийных обсыпок с предварительной подачей гравия на забой скважины:
а – подача гравия на забой скважины; б – посадка фильтра гидровмывом в гравий:
1 – обсадная колонна; 2 – фильтр; 3 – отстойник; 4 – бурильные трубы; 5 – пакер; 6 – манжета;
7 – надфильтровый патрубок
Фильтр устанавливается на гравий, а по бурильным или насосно-компрессорным трубам начинают подавать воду (рис. 20, б). При подаче воды происходит гидравлический размыв гравия, что позволяет осуществить посадку фильтра на забой скважины. Расход воды должен быть таковым, чтобы предотвратить вынос частиц гравия из скважины. После прекращения подачи жидкости произойдет осаждение гравия вокруг фильтра с образованием контура. При этом манжета устанавливается на уступ в месте перехода на уменьшенный 
диаметр бурения, осуществляя тем самым гидроизоляцию зон движения растворов.
После посадки фильтра на забой скважины БТ отсоединяются и поднимаются на поверхность, а поверх манжеты заливается гидроизоляционный материал, оборудуется устье скважины и производятся другие работы, связанные с завершением сооружения скважины.
При наличии обсадной колонны, опущенной в скважину до продуктивного пласта, необходимо предусмотреть предварительную установку пакера внутри обсадной колонны, на расстоянии 1 – 2 м выше башмака, а манжету устанавливают на пакер. При этом во избежание повышенного расхода обсадных труб фильтр можно устанавливать впотай.
Описанный способ сооружения гравийных фильтров имеет ряд преимуществ: 1) при посадке фильтра на забой скважины происходит очистка гравийного слоя от глинистых частиц и механических взвесей, которые потоком жидкости выносятся из скважины; 2) позволяет применять пакерные устройства для гидроизоляции зон движения рабочих и продуктивных растворов; 3) сокращается время оборудования скважин фильтрами с гравийной обсыпкой; 4) повышается качество сооружения скважин.
Сооружение гравийных обсыпок в прифильтровой зоне скважин с одновременной установкой фильтров. При этом способе звенья фильтров оборудуются на поверхности кожухами, заполненными песчано-гравийной смесью. Кожухом могут служить легкорастворимые или разрушающиеся под действием растворов серной или соляной кислоты материалы, например хлопчатобумажные или синтетические ткани, сетки из латуни или сталей, не стойкие при действии различных кислот. Звенья фильтра с кожухами, заполненными гравием, собираются в колонну и опускаются в скважину. После спуска фильтра в него опускают промывочный став и производят интенсивную промывку водой прифильтровой зоны, до полного удаления глинистой корки со стенок скважины. Эффект разглинизации при этом увеличивается за счет большей скорости движения воды в зазоре между стенкой скважины и кожухами. Затем в скважину подают растворитель, который разрушает кожух фильтра. При этом песчано-гравийная обсыпка равномерно распределяется в прифильтровой зоне скважины и плотно заполняет кольцевое пространство за фильтром с образованием контура. Последним этапом работ при сооружении технологических скважин по этой схеме является гидроизоляция зон движения растворов путем заливки гидроизоляционных материалов выше слоя гравийной обсыпки.
Применение описанного способа создания гравийно-обсыпных фильтров способствует улучшению качества их сооружения, сокращению затрат времени на оборудование прифильтровой зоны скважин и ее освоение, но требует увеличения диаметра скважины.
Способ сооружения обсыпных фильтров из гранул низкой плотности. При кислотном выщелачивании металлов к материалу песчано-гравийных обсыпок предъявляются специфические требования, связанные с их кислотостойкостью. Наличие в материале обсыпок карбонатных частиц приводит к их растворению с выделением твердого нерастворимого осадка и газа, что может привести в некоторых случаях к выбросам из скважины кислоты в первоначальный момент закачки. Кроме того, многие другие материалы обсыпок растворяются при длительном воздействии кислоты, что приводит к проседаниям песчно-гравийных обсыпок в прифильтровой зоне, уменьшению их контура, а в некоторых случаях и к обнажению участков фильтров.
Ведутся работы по применению в качестве обсыпок нерастворимых в кислотах материалов, таких, как полиэтиленовые гранулы, гранулированный материал группы пиролюзит-псиломелана, плотность которых меньше плотности воды.
Сооружение технологических скважин при применении этих материалов осуществляется следующим образом. При применении одноколонных конструкций скважин на эксплуатационной колонне закрепляется манжета, которая устанавливается на уступе в месте перехода на уменьшенный диаметр скважины, а в случае обсадки ствола скважин до продуктивного горизонта трубами в последних в нижней части (следует предусмотреть установку пакера выше башмака колонны при наличии суженной части (рис. 21). В некоторых случаях для создания уширенного контура обсыпки предусматривается расширение прифильтровой зоны скважины.
В скважину опускается фильтр, а прифильтро-вая зона скважины разобщается с помощью пакера. По насосно-компрессорным или бурильным трубам, соединенным с отстойником фильтра, закачивают фильтрующую обсыпку, которая содержит гранулы полиэтилена или других веществ и воду. Попадая в зафильтровое пространство, гранулы всплывают и удерживаются в зоне фильтра с помощью пакера, а вода через фильтр и обсадную колонну поступает на поверхность. При этом благодаря значительным скоростям движения воды при входе в фильтр происходит плотная укладка гранул вокруг фильтра. После полного заполнения зафильтрового пространства гранулами насосно-компрессорные трубы извлекают, поверх пакера заливается гидроизоляционный материал и производится освоение скважины.
Рис. 34. Сооружение обсыпных фильтров из гранул низкой плотности:
1 – ОТ; 2 – материал гидроизоляции; 3 – разобщающий пакер; 4 – материал обсыпки; 5 – фильтр;
6 – трубы для подачи материала обсыпки
При оборудовании обсыпных фильтров технологических скважин ПВ в качестве материала обсыпки могут применяться кварцевый и кремниевый песок, гранулированный пиролюзит, гранулы полиэтилена и стекла.
В качестве жидкости-носителя материала фильтровой обсыпки применяется техническая вода, а также вода, загущенная синтетическими или натуральными смолами, химическими реагентами типа К-9, К-4 и др. Вязкость жидкостей-носителей должна составлять 50 – 2000 Па·с.
В скважинах с аномально высокими пластовыми давлениями можно использовать рабочую жидкость с высокой плотностью, несущую на забой гравий и предотвращающую открытый выброс при намыве гравийных фильтров. В качестве утяжелителей рекомендуется применять окиси железа. В жидкость-носитель могут добавляться загустители и добавки, снижающие его фильтруемость.
В большинстве случаев нашли применение способы создания цементирующихся гравийных обсыпок, что связано в первую очередь с облегчением замены вышедшего из строя фильтра и сохранением относительно высокой проницаемости.
Укладку гравия вокруг фильтра следует производить с противодавлением на пласт, что снижает кольматацию гравийного слоя песками продуктивного горизонта.