УДК 621.8

Горный журнал Казахстана. - 2014. - № 7. - С. 34-38
УДК 621.8
Неметаллический метод крепления стенок гидрогеологических скважин
В работе описаны эффективные методы крепления при проводке скважин,
приведены технологии, преимущества и недостатки предлагаемых способов. Дано
разъяснение, что согласно исследованям, неметаллические трубы пригодны для
использования в целях крепления верхних интервалов при проводке глубоких
гидрогеологических скважин.
Ключевые слова: обводнение месторождения, буровое долото, крепление скважины,
обсадные трубы, асбестоцементные трубы
Т.Д. Карманов, Б.З. Калиев
Казахский национальный технический университет имени К.И. Сатпаева
В общем комплексе по проводке скважин очень часто совершенно необходимы
мероприятия по борьбе с осложнениями. Наиболее распространенными и важнейшими
мероприятиями являются: закрытие зон поглощений промывочного раствора, изоляция
водопритоков, закрепление неустойчивых пород.
Среди наиболее сложных проблем выделяется борьба с водопритоками, ососбенно при
бурении с продувкой воздухом и при
разобщении пластов во время проводки
гидрогеологических скважин. Проникновение в продуктивные пласты значительного
количества воды может привести к обводнению месторождения и даже к его потере.
Борьба с водопроявлениями является самой важной проблемой при бурении скважин с
продувкой воздухом. Даже незначительный водоприток чреват неприятными последствиями:
шлам становится мокрым и частички породы слипаются вместе или пристают к стенкам
скважины. В результате изменения диаметра скважины происходит заклинка долота при
спуско-подъемных операциях. Известно несколько случаев, когда приподнимание и
опускание долота «высушивало» зону водопроявления. Предполагают, что в этом случае
долото как бы глинизирует стенки скважины, пропускающие воду. Зоны с незначительным
водопроявлением обычно перекрываются без затруднений. Однако наличие в одной
скважине нескольких таких зон может явиться причиной обводнения ее. Кроме того, при
ироходке пластов глинистого сланца в зоне водопроявления, отмечается быстрое заполнение
скважины разбухшими частицами выбуренной породы.
Перекрытие зон водопроявлений в скважине, бурящейся с промывкой, иногда
представляет собой одну проблему; ликвидация различных типов водопроявлений в
скважине, буримой методом воздушной продувки,- совершенно другую. Гидравлический
режим в первом случае, часто успешно поддерживается вследствие применения ряда
материалов. Скважина, разбуриваемая методом воздушной продувки, отличается в том
отношении, что в ней не имеется столба жидкости для противодавления водопритоку и для
предотвращения обрушения стенок скважины; применяемый тампонирующий агент не
должен уменьшать диаметр скважины и в то же самое время должен выдерживать
непрерывную вибрацию бурильной колонны.
Почти такую же сложную проблему представляет собой борьба с потерей циркуляции.
Без циркуляции из скважины не может быть удален шлам. Бурильные трубы могут быть
прихвачены и оставлены в скважине вместе с долотом и призабойными устройствами. При
этом потери во времени на ликвидацию аварии могут быть очень значительными. Потеря
циркуляции вызывается наличием в породе трещин, каверн, пустот, пор.
В некоторых случаях, когда каналы ухода промывочной жидкости невелики, успешно
применяют инертные закупоривающие материалы, которые прокачиваются в скважину
вместе с промывочным раствором, вместе с ним увлекаются в породу, закрывая пустоты в
ней. Это всевозможные зернистые, волокнистые, чешуйчатые материалы: целлофан,
скорлупа орехов, коробочки хлопка, опилки, кора, песок, солома и т. д. Они должны быть
нерастворимы в промывочном растворе, неабразивны, иметь более высокую температуру
плавления, чем температура обрабатываемой зоны, неядовиты, некоррозийны, доступны по
стоимости. Однако при очень значительных потерях циркуляции или ее полном уходе,
использование упомянутых материалов становится неэкономичным.
Сложную проблему, особенно при бурении с продувкой воздухом, предстваляет собой
проходка неустойчивых пород: слабосцементированных песчаников и песков или
набухающих глин и сланцев. В какой-то мере эта проблема решается применением
специальных промывочных растворов, но не всегда успешно.
Применение обсадных труб с последующим демонтажем при всех видах осложнений
также не всегда возможно или экономично. Осложнения, приводящие к обваливанию стенок
скважины, образованию сальников и т.д.. могут вызвать серьезные аварии. Устанавливать
большой телескоп обсадных труб слишком дорого и, кроме того, это может привести к
чрезмерному уменьшению диаметра скважины.
Металлические трубы весьма дорогостоящий материал. В настоящее время, только
расход металла обсадных труб составляет около 50 кг на 1м пробуренной скважины. Это
значит, что при существующем способе на крепление сотен миллионов метров скважин,
которые предполагается пробурить в ближайшие годы, будут израсходованы многие
миллионы тонн стали и цемента, затрачена масса времени и физического труда и пр.
Стоимость обсадных труб в настоящее время составляет не менее 15-20% общей стоимости
нефтяных скважин. Понятно, какую огромную экономию принесет внедрение методов
крепления буровых скважин, позволяющих совсем или в значительной мере отказаться от
спуска металлических труб.
Работы при разрешении этой проблемы можно представить двух основных
направлениях:
1) крепление скважин без помощи труб;
2) крепление скважин с помощью неметаллических труб.
В практике бурения вместо стальных обсадных труб в некоторых случаях применялись
асбестоцементные и фанерные трубы, при этом с учетом современных технологий
производва, наиболее перспективным является применение пластмассовых труб в замен
железобетонных труб.
Беструбное крепление можно разделить на три группы:
1) Физические методы, при которых закрытие пор породы и связывание слагающих их
частиц может являться результатом изменения физических свойств самих пород или
веществ, введенных в поровое пространство пород.
2) Химические методы, при которых заполняющими и связывающими материалами
будут являться твердые или квазитвердые вещества, образовавшиеся в результате
химических реакций, происходящих в порах и на поверхностях частиц, слагающих породы.
3) Физико-химические методы, при которых физические и химические процессы
происходят одновременно или следуют один за другим.
Такое разделение по преобладающему характеру процессов условно, так как очень
часто чисто химических или физических пропроцессов не наблюдается и их нельзя четко
разграничить.
Все методы беструбного крепления можно свести к решению трех задач:
1) повышению механической прочности стенок скважины;
2) повышению водонепроницаемости и водоустойчивости стенок;
3) повышению механической прочности стенок скважины с сохранением
проницаемости.
Повышение механической прочности можно достичь связыванием частиц, слагающих
породу, при полном или частичном заполнении порового пространства, трещин и каверн
твердым или квазитвердым веществом.
Водонепроницаемость и водоустойчивость можно достичь:
а) уменьшеннием сечения поровых каналов породы путем их закупорки;
б) уменьшением смачиваемости поверхности стенок поровых каналов породы путем
гидрофобизации.
Повышение механической прочности с сохранением проницаемости породы можно
достичь заполнением порового пространства жидкими реагентами, которые выделят твердые
продукты реакции в количестве, достаточном для связывания отдельных частиц породы в
монолит, без полного заполнения порового пространства.
Наиболее распространенными и уже проверенными практикой методами беструбного
крепления являются методы глинизации и цементации. Глинизация применяется лишь в
качестве временного мероприятия для закрепления неустойчивых пород и закрытия
пористых и трещиноватых водоносных и водопоглощающих пластов.
Глинистые суспензии (или коллоидные растворы) удельного веса 1,1-1,5 нагнетаются в
трещины породы под давлением 15—20 атм, при этом избыток воды из глинистого раствора
отжимается, трещины плотно закрываются обезвоженным глинистым материалом, который
придает породе водонепроницаемость. Чем полнее отжата вода, тем длительней действие
закрепления. Явление глинизации (осаждение глинистой корки на стенках скважины) также
происходит и при промывке буровых скважин глинистыми растворами. В некоторых случаях
применяется также тампонаж глиной неглубоких скважин.
Благодаря дешевизне и доступности цемент до сих пор служит основным материалом
для крепления скважин с целью изоляции воды, закрепления неустойчивых пород и наряду с
разнообразными специальными промывочными растворами для перекрытия зон поглощений.
Кроме использования цементного раствора для закачки в затрубиное пространство
после спуска обсадных колонн, что в целом очень дорого, приготовляют цементные смеси
для борьбы с различными осложнениями. Цементный раствор на самом деле является
суспензией мельчайших частиц цемента, взвешенных в воде. Во время заливки под
давлением порода действует как фильтр, пропускающий через себя из цементного раствора
только воду. На поверхности стенок скважины образуется дегидрированная цементная корка,
от прочности, проницаемости или сцепления с породой которой зависит надежность
перекрытия или устойчивость обработанного интервала. Во многих случаях пласты имеют
достаточную проницаемость для проникновения смеси воды и цемента, что определяет успех
тампонирования.
Границы применения цементации зависят от размера трещин или пор породы, размера
цементных частиц, консистенции раствора, давления нагнетания, химического состава
пластовых вод и т. д.
Для изменения тех или иных свойств цемента широко используются различные
добавки. Так, добавки некоторых поверхностно-активных веществ приводят к увеличению
дисперсности суспензий, устойчивости растворов, повышению их проницаемости; инертные
добавки песок, шлак вводятся для снижения расхода цемента и т. д.
При бурении рыхлых обваливающихся пород можно применить метод создания
«цементной трубы», при котором сначала спускаются обсадные трубы и в затрубное
пространство закачивается цементная смесь. По окончании схватывания цементного
раствора трубы извлекаются на поверхность.
Наряду с разработкой различных методов беструбного крепления буровых скважин
предлагается возможность использования асбестоцементных труб для крепления скважин на
воду, что дает основание утверждать о целесообразности их применения как обсадные
колонны вместо металлических.
Асбестоцементные трубы изготовляются с гладкими обточенными концами несколько
меньшего диаметра по сравнению с диаметром основной трубы. Асбестоцементные трубы
имеют ряд преимуществ перед металлическими:
а) не ржавеют и электрохимически коррозионноустойчивы в водах с повышенным
содержанием углекислого газа, сероводорода, хлористого натрия и других химических
реагентов;
б) не покрываются слоем соли;
в) полностью водонепроницаемы;
г) имеют малый вес (в 3 —4 раза меньший по сравнению со стальными трубами);
д) значительно дешевле стальных труб.
Однако асбестоцементные трубы требуют применения специальной технологии
производства буровых работ, более сложной, чем при проводке скважин с обсадкой
металлическими трубами.
При бурении скважин на воду предлагается два способа крепления скважин
асбестоцементными трубами: спуск труб в скважину на хомутах (с вывешиванием колонны
без поддержки ее снизу) и с нижней поддержкой и применением специальных
поддерживающих приспособлений.
Рисунок 1. Соединение труб: а- в торРисунок 2. Соединение труб с помоцовую четверть с накладками; б –
щью металлического кольца и крепежных
муфтами «Симплекс» с металличевинтов.
скими ввертышами.
1 асбестоцементная труба; 2 метллическое кольцо; 3 крепежный винт.
При первом способе трубы соединяются между собой на резьбе и без резьбы в
торцовую четверть с металлическими накладками. (рисунок 1а).
Также при бурении скважин на воду можно применить соединение асбестоцементных
труб с помощью металлического кольца, надеваемого на концы труб без выточки и
прикрепляемого к ним крепежными винтамив шахматном порядке (рисунок 2).
При этом в трубах на токарном станке производится выточка высотой до 50 мм, поверх
стыков закрепляются накладками из полосового железа. Иногда вместо накладок применяют
муфты «Симплекс» с металлическими ввертышами диаметром 10—11 мм с резьбой (рисунок
1б).
При резьбовом соединении муфты асбестоцементных труб изготовляются из обрезков
стальных обсадных труб соответствующего диаметра или из отлитых для этой цели
чугунных заготовок. Число ниток резьбы на 25,4 мм —2 или 3, профиль резьбы трехгранный
со срезанной вершиной.
Делаются также резьбовые соединения с помощью муфт из асбестоцементных труб
того же диаметра, что и первоначальные трубы. В этом случае применяется ленточная резьба
4 нитки на 25,4 мм. Так как расточка труб уменьшает толщину их стенок, применять такие
муфты для соединения труб диаметром выше 221 мм не рекомендуется.
Спуск труб в скважину с нижней поддержкой производится на бурильных трубах с
помощью специальных приспособлений. По достижении забоя бурильные трубы
освобождают от асбестоцементных и вместе с поддерживающим устройством поднимают из
скважины.
Наряду с представленными асбестоцементными трубами предлагается использовать
пластмассовые трубы. Как известно, пластмассы обладают весьма малым удельным весом
(0,9—2,3 г/см3). Изделия из пластмассы вдвое легче аналогичных изделий из алюминия и в 5
8 раз легче стальных. Колонна обсадных (а также насосно-компрессорных и даже
бурильных) труб из пластмассы, удельный вес которой близок к удельному весу глинистого
раствора, при спуске в скважину, заполненную раствором, стала бы почти невесомой,
независимо от глубины скважины. Кроме того, трубы такой колонны значительно меньше
будут подвергаться коррозийному разрушению, что особенно важно при установке
эксплуатационных колонн в нефтяных скважинах, где часто имеется наличие агрессивной
(сероводородной и др) среды. Пластические массы многих видов обладают коррозийной
стойкостью, превышающей стойкость высоколегированных антикоррозийных сталей лучших
марок. Некоторые пластмассы не разрушаются при воздействии даже концентрированных
кислот и щелочей.
Предел текучести слоистых пластиков (тексолит, гетинакс и др.) обычно составляет
около 100 МПа при удельном весе 0,0013 кг/см3.
Условная глубина подвески
L
1000
100 x0,0013
7700 м
т. е. более чем в полтора раза больше глубины подвески стальных труб.
Вес колонны пластмассовых труб примерно в 6 раз меньше веса колонны стальных
труб. Такое облегчение труб при значительной экономии металла позволяет применять
вышки, лебедки и другое подъемное оборудование грузоподъемностью в 5—6 раз меньше,
чем обычно, значительно дешевле становится транспорт, улучшаются условия труда.
В воздухе пластмассовые трубы в 4 6 раз легче стальных труб, и воде в 9,5 раза.
Материал труб гетинакс представляет собой слоистый пластик, получаемый в
результате пропитки фенол-альдегидной смолой крафтбумаги. Недостатками пластмассовых
труб из гетинакса являются их относительная хрупкость по сравнению с металлическими.
В постсоветском простанстве наиболее прочными трубами на основе пластмасс
считаются трубы из стекловолокнистых анизотропных материалов (СВАМ). СВАМ
изготовляются путем ориентации стеклянных волокон в клеящих средах (синтетических
смолах) при параллельной укладке волокон с одновременным нанесением связующего
материала.
Прочность СВАМ на растяжение составляет 600 800 МПа, на удар 30 40 МПа, что
близко к прочности углеродистой стали.
Обобщая изложенное можно сказать, что неметаллические трубы пригодны для
использования в целях крепления верхних интервалов при проводке глубоких
гидрогеологических скважин, а также в качестве хвостовиков. Кроме того, вследствие
незначительного веса неметаллические обсадные трубы (особенно пластмассовые) могут
опускаться на относительно большие глубины, и в отдельных случаях могли бы заменять
металлические трубы при обсаживании всего ствола скважины.
Список использованных источников:
1. Сергиенко И.А., Мосеев А.Ф., Бочко Э.А., Пименов М.К. Бурение и оборудование
геотехнологических скважин -М., Недра, 1984
2.Булатов A. И., Измайлов Л. Б., Лебедев O. A. Проектирование конструкций скважин.
-M., 1979.
3. Сальников, А.В. Разработка комплексной методики конструирования обсадных труб
из композиционных материалов для крепления скважин в осложненных условиях 2005г. Автореферат на кандидатскую диссертацию.
4. Авт. св. СССР №1698425 от 15.12.91 Способ крепления скважин неметаллическими
трубами.