Расширение призабойной зоны геотехнологических скважин является одним из путей повышения их производительности и снижения стоимости бурения и добычи ПИ.
При ПВ металлов происходит увеличение дебита расширенных скважин, что связано с увеличением площади притока технологических растворов и с разрушением зон кольматации продуктивных пластов.
При определении величины расширения призабойной зоны технологических скважин ПВ необходимо учитывать следующие основные факторы: а) размеры добычного оборудования, опускаемого в скважину (фильтры, эрлифты и др.); б) эффективное разрушение зон интенсивной кольматации продуктивных горизонтов; в) создание гравийных обсыпок необходимой толщины; г) устойчивость кровли над зоной расширения.
При ПВ металлов диаметр зоны расширения определяется толщиной слоя гравийной обсыпки, величина которого оказывает существенное влияние на производительность скважины и срок ее службы.
Наиболее широко применяются следующие три способа расширения призабойной зоны: механический, гидродинамический и комбинированный. Для скважин ПВ предпочтение следует отдать механическому и особенно комбинированному способу, основанному на механическом разрушении горных пород с использованием энергии струи ПЖ.
На эффективность расширения призабойной зоны технологических скважин большое влияние оказывает конструкция расширителя и режим его работы. При сооружении технологических скважин ПВ находят применение расширители механические, показанные на рис. 26. Режущие лопасти расширителя выводятся в рабочее положение посредством поршня, приводимого в движение потоком жидкости, нагнетаемой буровым насосом. Основное достоинство таких расширителей – высокая надежность в работе благодаря незначительному числу подвижных органов. Приведение лопастей расширителя в транспортное положение по окончании расширения производится в процессе подъема бурового инструмента при движении расширителя по стволу скважины.
Рис. 26. Расширитель механический:
1 – режущие лопасти; 2 – втулка; 3 – корпус расширителя; 4 – нажимное устройство; 5 – корпус поршня;
6 – резиновая манжета; 7 – гайка; 8 –переходник
Другой, более эффективной разновидностью механических расширителей, применяемых при сооружении технологических скважин ПВ, являются расширители, показанные на рис. 27. Режущие лопасти расширителя выводятся в рабочее положение с помощью поршня, приводимого в действие потоком жидкости, нагнетаемой буровым насосом и промежуточных тяг. Усиление резания регулируется путем изменения давления, развиваемого буровым насосом. Для проработки ствола скважины, очистки его от шлама нижняя часть расширителя снабжена режущими элементами (лопастями). Испытания расширителей показали их высокую надежность в работе. Диаметр камеры может достигать 300 – 400 мм при первоначальном диаметре скважины 190 мм. Режущие лопасти занимают исходное положение при подъеме бурового инструмента и прекращении подачи жидкости буровым насосом.
Рис. 27. Расширитель механический с промежуточными тягами:
1 – корпус; 2 – поршень; 3 – тяга; 4 – лопасти; 5 – породоразрушающий наконечник
При сооружении технологических скважин ПВ широкое применение находят гидромеханические эксцентриковые расширители, сконструированные на кафедрах «Разведочного бурения» и «Геотехнологии руд» МГРИ (рис. 28). Корпус расширителя представляет собой трубу, а режущим элементом является лопасть 3, армированная твердосплавными резцами. Для повышения эффективности разрушения пород и очистки лопастей от шлама в корпус расширителя вмонтированы насадки 4. Расширитель имеет замковую резьбу для присоединения к бурильным трубам. Рабочая лопасть расширителя приваривается к замку от бурильных труб диаметром 73 мм. На расширитель надевается корпус, который выполняется из трубы, диаметр которой зависит от диаметра расширяемой скважины. Сверху и снизу к корпусу привариваются крышки 6 и 7, а в корпусе делаются отверстия, к которым привариваются гнезда для гидромониторных насадок. Внутренний диаметр гидромониторных насадок обычно принимается равным 9 или 10 мм, что обеспечит получение высокой скорости струи на выходе из насадки.
Расширитель эксцентриковый отличается простотой конструкции, высокой надежностью в работе (из-за отсутствия подвижных элементов) и быстротой изготовления.
Процесс разрушения породы стенок буровых скважин таким долотом основан на свойстве вращающихся предметов занимать положение в пространстве, при котором их момент инерции относительно оси вращения стремится быть максимальным. Расширение скважин происходит за счет возникающих центробежных сил и частично за счет гидромониторного эффекта струи жидкости.
Рис. 28. Расширитель гидромеханический эксцентриковый:
1 – бурильная труба; 2 – муфта замка для бурильных труб; 3 – лопасть; 4 – насадка; 5 – втулка; 6 – верхняя крышка; 7 – нижняя крышка; 8 – корпус расширителя
Расширитель присоединяется к БТ с помощью замка, расположенного в верхней части расширителя, и опускается в скважину.
Важной проблемой при расширении скважин с помощью механических и гидромеханических расширителей является очистка расширителя и расширенной призабойной зоны от разрушенной породы и шлама, так как в расширенной части скважины возникают неблагоприятные условия для выноса шлама из-за уменьшения скорости восходящего потока ПЖ.
В этих условиях существенную роль играет турбулизация потока ПЖ. В целях усиления турбулизации потока ПЖ при применении эксцентриковых расширителей следует предусмотреть дополнительные лопасти или другие средства турбулизации, которые устанавливаются непосредственно над расширителем.
Другим направлением повышения качества очистки расширяемой части скважины и режущих элементов долота от разрушенной породы и шлама может быть применение обратно всасывающей промывки. В этом случае могут использоваться расширители, показанные на рис. 29. Режущие лопасти расширителей выводятся в рабочее положение в начальный период их работы за счет центробежных сил, возникающих при вращении долот, а также воздействия обратного потока жидкости при бурении с обратно всасывающей промывкой. В дальнейшем усилие резания и крутящий момент регулируются за счет передаваемой на долото осевой нагрузки. При этом вращение бурового инструмента осуществляется с небольшой частотой.
|
Рис.29. Расширитель инерционный:
1 – корпус; 2 – породоразрушающий наконечник; 3 – лопасть-расширитель; 4 – тяга
При полном расширении ствола скважины произойдет уменьшение крутящего момента, что можно заметить по характеру работы ротора или двигателя буровой установки. Закончив расширение, осуществляют интенсивную промывку ствола скважины, а затем инструмент вместе с расширителем поднимают на поверхность.
Гидродинамический способ расширения призабойной зоны скважины производят с помощью устройств, имеющих гидромониторные насадки. Такие устройства легко изготовить в местах производства работ. Однако в этом случае имеются затруднения по удалению разрушенной породы с призабойной зоны скважины и подъему ее из расширенной части на поверхность. При отсутствии специальных подъемных устройств возможны осаждения шлама на забое и снижение эффективности расширения.
Расширитель гидравлический, показанный на рис. 30, позволяет периодически очищать забой скважины от разрушенной породы. Он опускается на забой на бурильных или насосно-компрессорных трубах, в нижней части которых выполнены отверстия для смесителя эрлифта. Сверху отверстия в смесителе эрлифта плотно закрываются патрубком, который приваривается к наружной поверхности трубы. В патрубке имеются отверстия для подачи воздуха по трубам меньшего диаметра или по шлангам. Насадки монтируются в нижней части бурового инструмента в специальном подвижном клапане.
Рис. 53. Расширитель гидравлический:
1 – корпус; 2 – смеситель эрлифта; 3 – патрубок; 4 – обратный клапан; 5 – металлокерамическая насадка;
6 – клапан
Наличие режущих элементов (лопастей) в нижней части расширителя позволяет обеспечить спуск расширителя на заданную глубину и осуществить при необходимости углубление скважины одновременно с формированием камеры.
Об окончании расширения призабойной зоны скважины в интервале рудного пласта при применении механических и гидромеханических расширителей можно судить по изменению крутящего момента.
Разрушение пород стенок скважины в процессе образования камеры производится при подаче на забой скважины промывочной жидкости. Выходя с большой скоростью из насадки, струя жидкости разрушает стенки скважины и формирует камеру, при этом буровой инструмент поворачивается.
Для удаления с забоя скважины разрушенной породы по трубам (шлангам) начинают подавать воздух, в результате чего открывается клапан 6 и внутрь бурильных труб поступает пульпа.
Поднятая пульпа отводится на поверхность в специальные отстойники или в зумпф. Затем может повториться операция по разрушению пород стенок скважины. Для подачи воздуха к смесителю эрлифта могут применяться полиэтиленовые шланги диаметром 25 – 32 мм. Для предотвращения разрушения шлангов давлением жидкости, подаваемой к насадке, должна быть предусмотрена постановка обратного клапана в отводном патрубке 3.
Расширение призабойной зоны технологических скважин способствует уменьшению диаметра основного ствола скважины, что дает возможность повысить скорости бурения, уменьшить материально-технические затраты и снизить стоимость сооружения скважин. Кроме того, при сооружении скважин для подземного выщелачивания легко создается уширенный контур гравийной обсыпки, что способствует повышению производительности скважин и увеличению их срока службы.
Список литературы
1. Сергиенко И.А., Мосеев А.Ф., Бочко Э.А., Пименов М.К. Бурение и оборудование геотехнологических скважин М., Недра, 1984
2. Бобко П.С., Романов В.С., Исаев Г.Г. Строительство скважин подземного выщелачивания солей. М., ВНИИГ, НИИТЭХИМ, 1976
3. Бахуров В. Г., Руднева И. К., Химическая добыча полезных ископаемых, М., 1972
4. Аренс В. Ж. [и др.], Геотехнологические способы добычи полезных ископаемых, в кн.: Технология разработки месторождений твёрдых полезных ископаемых, т. 11, М., 1973.
Патенты