1.3 Способы упрочнения и кольматации стенок скважин. Способы тампонирования

Наиболее распространенными способами упроч­нения горных пород в скважинах являются цементация, силикатизация, а для кольматации трещиноватых зон кроме того глинизация и битумизация.

В зависимости от геологических и гидрогеологических условий в современной практике бурения скважин для упрочнения стенок скважин используют следующие способы в скальных карстовых, сильнотрещиноватых, трещиноватых и слаботрещиноватых породах цементацию:

- в скальных тонкотрещиноватых и пористых водоносных породах - смолизацию и силикатизацию;

- в крупнообломочных и гравийно-галечниковых водоносных породах - цементацию;

- в рыхлых мелкообломочных и песчаных водоносных породах - смолизацию и силикатизацию.

Для кольматации трещин и снижения водопроницаемости горных пород, когда не требуется их укрепление применяют:

- в скальных кавернозных и трещиноватых породах -глинизацию и горячую битумизацию;

- в скальных тонкотрещиноватых породах, силикатизацию;

- в крупнообломочных и гравийно-галечниковых породах - глинизацию и горячую битумизацию;

- в рыхлых мелкообломочных и песчаных породах - силикатизацию.

Наиболее освоенным и распространенным как для закрепления горных пород, так и для кольматации трещин в скважинах получил способ цементации. Основные его преимущества заключаются в технологической простоте, удобстве применения и высокой надежности способа. Этот способ более экономичен по сравнению с другими. Цементация осложненной, зоны успешно применяется при тампонировании трещин с раскрытием более 0,1 мм и скорости фильтрации подземных вод по трещинам до 600 м/сут при любых гидростатических напорах.

Способ смолизации применяют для укрепления стенок скважин и повышения водонепроницаемости мелкообломоч­ных и песчаных, а также тонкотрещиноватых и пористых скальных пород.

Этот способ заключается в нагнетании в трещины и по­ры растворов смол (в основных карбамидных) с последующим отверждением их растворами кислот. Горная порода приоб­ретает достаточно высокую прочность порядка 20-40 кгс/см².

Водные растворы карбамидных смол имеют низкую вязкость, близкую к вязкости воды, что обеспечивает высокую проникающую способность и позволяет закреплять во-доносные пески с коэффициентом фильтрации менее 2 м/сут. Горные породы, закрепленные карбамидными смолами, имеют высокую стойкость в кислых средах с рН=3-6 и в щелочных средах с рН=8-13.

Способ силикатизации применяют для укрепления и по­вышения водонепроницаемости скальных тонкотрещинова­тых и пористых пород, а также рыхлых мелкообломочных, песчаных пород. Он заключается в нагнетании в трещины и поры осложненной зоны одного или двух растворов. При однорастворной силикатизации производят нагнетание силиката натрия с добавкой фосфорной или кремнийфтористо- водородной кислоты. При двурастворной силикатизации производят поочередное нагнетание в трещины и поры породы растворов силиката натрия и хлористого кальция. Время гелеобразования (твердения) в зависимости от концентрации растворов от 1 до 16 часов.

Двухрастворную силикатизацию применяют для закрепления песков с коэффициентом фильтрации от 2 до 80 м/сут, а однорастворную - для закрепления песчаных пород-плывунов с коэффициентом фильтрации от 0,5 до 2 м/сут. Этот способ нельзя использовать при наличии углекислотных подземных вод из-за их агрессии»

Способ глинизации заключается в нагнетании в трещины и пустоты осложненной зоны глинистых или чаще глиноцементных суспензий с наполнителями и другими добавками, улучшающими свойства и, ускоряющими их коагуляцию. Этот способ широко распространен при кольматации трещин в тех случаях, когда требуется только предотвратить потерю промывочной жидкости без крепления стенок скважин.

Способ горячей битумизации хорошие результаты дает при кольматацин трещин и пор трещиноватых и гравийно-галечниковых пород для предотвращения потерь промывочной жидкости. При этом способе в поры и трещины через скважину нагнетают разогретый до 200 °С битум, доставленный в контейнерах. Для сохранения высокой температуры битума при нагревании используют специальные устройства для электроподогрева.

Способ можно рекомендовать при высоких скоростях фильтрации подземных вод (более 600 м/сут) и при высокой их агрессивности.

Недостатки способа: большая усадка при остывании битума, способность течь при длительном воздействии напорных подземных вод с давлением свыше 4 кгс/см², трудность проникновения битума в мелкие трещины шириной менее 0,2 мм, сложность применяемого оборудования, трудность разбуривания битума, прилипаемость к инструменту.

Помимо этого в практике бурения для кольматации трещин применяют различные полимеры, скоагулированные электролитами и ряд комбинаций перечисленных выше спо-собов тампонирования.

К способам упрочнения горных пород, основанный на, влиянии физических полей относят электрохимическое упрочнение, замораживание и обжиг.

Электрохимическое упрочнение глинистых пород основано на использовании постоянного электрического тока, пропускаемого через эти породы и глиноцементные тампонажные смеси. При пропускании тока в тампонажной смеси происходят различные процессы: электролиз, электроосмос и другие процессы.

В результате коагуляции частиц и их кристаллизации образуется прочная масса. Способ тампонирования заключается в следующем. В скважину на бурильных трубах опус-кают колонковые трубы длиной, соответствующей мощности осложненной зоны. В затрубное пространство нагнетают тампонажную смесь. Производят электрообработку смеси. При этом трубы перемещают вверх и вниз на небольшое расстояние. Полярность электрода-трубы меняется через 15-20 мин; продолжительность элсктрообработки - 1 ч.

Термическое упрочнение горной породы производят в песках и глинистых породах за счет их плавления и спекания. Существует два способа термического упрочнения. Первый заключается в нагнетании в пористую породу горячего воздуха, нагретого до 600-900 °С в специальных агрегатах. При температуре 700-900 °С породы приобретают свойства кирпича. Радиус упрочнения вокруг скважины 1-1,5м. Второй, способ заключается в сжигании в скважине горючих материалов. Порода, упрочненная таким способом, в 2-3 раза повышает свою прочность.

Плывуны можно упрочнять электроплавлением с помощью электронагревателя, спускаемого в скважину и создающего температуру в скважине через 10 мин до 2500 °С. Прочность горной породы увеличивается до 430 кгс/см².

Замораживание применяют, когда водонасыщенным породам требуется создать временные прочность и водонепроницаемость.

Сущность метода заключается в использовании охлажденной до -10 (-20) °С промывочной жидкости, которая, циркулируя в скважине, замораживает воду в горной породе.

В качестве промывочной жидкости в США находит применение керосин, охлажденный сухим льдом до температуры -8 (-10) °С. В отечественной практике для замораживания горной породы используют жидкий азот с температурой -196 °С, транспортируемый в зону осложнения в теплоизоли­рованной желонке.

В Красноярском филиале СНИИГГиМСа разработан термохимический способ изоляции проницаемых пластов, заключающийся в закачивании в поглощающий горизонт термосолевых составов, которые, остывая в пласте до температуры кристаллизации смеси, закупоривают каналы ухода бурового раствора.

Термосолевые составы относятся к истинным растворам и обладают высокой проникающей способностью, отличаются технологичностью и простотой приготовления, состоящей из растворения хлористого кальция и добавки (полимерной или сульфатной) в воде. Полимеры (КМЦ или ПАА) и сульфат алюминия добавляют в раствор хлористого кальция для повышения прочности и устойчивости к размыву и растворению кристаллогидратов хлористого кальция.

При растворении хлористого кальция температура раствора повышается до 70 °С и выше. Тампонажный состав: 56,5% СаС1₂, 32,9-41,4% воды с добавкой полимера (КМЦ-. 2,8% или ПАА-2,1%), или сульфата алюминия Аl₂(SО4)_з-4,4%. После кристаллизации хлористого кальция состав характеризуется полным отсутствием свободной (несвязанной) воды, а образующийся тампонажный камень устойчив к размыванию и растворению промывочными жидкостями.

Тампонажные смеси, как и все дисперсные си­стемы, состоят из дисперсной твердой фазы и дисперсионной среды. В качестве дисперсной фазы применяют различные вяжущие материалы: неорганические (цемент, гипс, известь, глина, силикаты натрия) и органические (синтетические смо­лы, латексы, полимеры, битумы).

В качестве дисперсной фазы чаще всего используют цементы. В качестве дисперсионной среды обычно используют воду, очень редко - углеводородные жидкости.

Для регулирования свойств тампонажных смесей используют различные добавки: для изменения плотности - утяжеляющие и облегчающие добавки; для повышения закупоривающей способности - наполнители; для увеличения прочности камня и уменьшения расхода вяжущих материалов минеральные добавки; для регулирования сроков схватывания ускорители и замедлители схватывания; для повышения текучести - пластификаторы (разжижители); для стабилизации - полимеры и т.д.