Буровые скважины для гидродобычи полезных ископаемых

Характерной особенностью буровых скважин для гидродобычи полезных ископаемых является их относительно небольшая глубина (до 200 м) при значительных поперечных размерах (350—400 мм).

Одним из важнейших требований при СГД является сокращение сроков разработки месторождений при минимальных капитальных затратах. Этот критерий должен быть положен в основу решения задач по определению экономической целесообразности использования скважин различных поперечных размеров для добычи полезных ископаемых. Оценивая по этому критерию скважины разного диаметра, можно отметить, что скважины малого диаметра быстрее вводятся в эксплуатацию, чем большего диаметра. Применение долот уменьшенного диаметра способствует снижению трудоемкости выполняемых спускоподъемных операций за счет снижения массы бурового инструмента и затрат времени на СПО, при этом повышается скорость бурения и снижается себестоимость 1 м проходки скважин.

Однако для скважин большего диаметра можно применить более мощное добычное оборудование, увеличить радиус размыва и количество руды, добытой из одной скважины. При больших диаметрах бурения достигается разрежение сетки скважин, что приводит в свою очередь к уменьшению числа охранных целиков. При разработке месторождений с разреженной сеткой достигается экономия капитальных затрат на проведение добычных работ, а также уменьшаются текущие расходы по обслуживанию добычных агрегатов за счет уменьшения их общего числа.

Как показали проведенные исследования при увеличении диаметра скважин более какой-то оптимальной величины прирост радиуса размыва и коэффициента извлечения замедляется, что приводит в свою очередь к замедлению получаемой экономии при увеличивающихся затратах на бурение скважин. В результате может наступить момент, при котором дальнейшее увеличение поперечных размеров добычного оборудования и буровых скважин станет экономически невыгодным. Таким образом, критерием выбора диаметра скважин при скважинной гидродобыче, в конечном счете, является стоимость добытой руды.

Очевидно, что переход па бурение скважин уменьшенных диаметров снижает стоимость каждой скважины, что позволяет при данном суммарном объеме капитальных затрат пробурить большее число скважин.

При скважинах больших поперечных размеров достигается экономия капитальных затрат на проведение добычных работ, но возрастают капитальные затраты, связанные с бурением скважин. Дополнительные капитальные затраты, связанные с бурением скважин большего диаметра, по сравнению с затратами на бурение скважин меньшего диаметра можно определить по формуле

ΔК₁ =  N₁Δ  C₁ d    (5.6)

где  N₁ —число скважин большего диаметра на данном участке; d = N₁/N₂ — коэффициент, учитывающий сокращение скважин большего диаметра по сравнению со скважинами меньшего диаметра для разработки данного участка; N₂ —число скважин меньшего диаметра; ΔC₁ —увеличение стоимости бурения одной скважины большего диаметра.

Экономию, полученную от увеличения диаметров буровых скважин на стадии добычи руды, можно определить

ΔК₂ = N₂ Δ C₂d     (5.7)

где Δ С₂ —уменьшение затрат на добычу руды из скважины большего диаметра.

Если Δ  К₂ > Δ К₁, то применение скважин больших диаметров является оправданным.

Проектная конструкция скважин при СГД должна обеспечить: высокие скорости бурения и оборудования, что позволяет обеспечить своевременный ввод их в эксплуатацию (это обусловлено в первую очередь временем нахождения стенок скважин в устойчивом состоянии и эффективностью метода СГД); получение необходимой информации о пласте полезного ископаемого; нормальные условия спуска и работы добычных устройств гидромониторов и гидроэлеваторов); наименьшую трудоемкость выполняемых спускоподъемных и других вспомогательных операций в процессе бурения и оборудования скважин; минимальную стоимость бурения и оборудования скважин.

Конструкции эксплуатационных скважин для СГД зависят от конструктивных особенности добычных снарядов, которые могут создаваться по двум основным направлениям.

• Первый вариант гидродобычного снаряда предусматривает изготовление, монтаж и спуск гидромониторного узла совместно с корпусом снаряда. Гидромониторный узел с гидроэлеваторами находится в нижней части добычного снаряда и имеет продольное перемещение относительно статического положения наружной трубы на длину, превышающую мощность рудного пласта. При этом наружный диаметр гидромониторного узла равен наружному диаметру корпуса (трубы).
• Второй вариант гидродобычного снаряда предусматривает раздельное изготовление, монтаж и спуск гидромониторного узла и корпуса снаряда. Наружная труба добычного снаряда может использоваться в качестве обсадной. Гидромониторный узел опускается на забой отдельно от наружной трубы. Вместе с внутренней трубой, по которой подается на забой вода для размыва породы и подъема пульпы, он опускается через наружную трубу после ее спуска и закрепления низа и устанавливается на специальный упор (металлический пакер). При необходимости гидромониторный узел может извлекаться без подъема наружной трубы. Пульпа подается на поверхность по межтрубному зазору. 

Обсадка основного ствола скважин трубами при применении первого варианта добычного снаряда не предусматривается ввиду высокой стоимости таких скважин. Применение обсадных труб для предотвращения обвалов и течения стенок скважин, сложенных глинистыми породами, вызывает увеличение диаметров бурения, затрат времени на подготовку скважин к работе, повышает трудоемкость сооружения скважин. Это приводит к снижению производительности и повышению стоимости бурения и оборудования гидродобычных скважин, а в результате и к снижению эффективности метода СГД.

При втором варианте гидродобьгчного снаряда в качестве обсадных    труб используются наружные трубы снаряда. При этом закрепление низа    обсадных труб путем цементирования или использования пакерных устройств является обязательным. После завершения отработки скважины и выемки рудного пласта необходимо предусмотреть извлечение эксплуатационной обсадной колонны с целью ее повторного использования. Разработка мероприятий по извлечению обсадных труб при СГД является весьма актуальной задачей ввиду значительной стоимости обсадных труб и их большого расхода, так как радиус размыва в существующих конструкциях гидродобычных снарядов не превышает 7—8 м.

Для получения необходимой информации о рудном пласте на месте забуривания эксплуатационных скважин обязательным является бурение разведочной скважины с отбором керна в зоне рудного пласта. Это необходимо для уточнения контактов рудного горизонта, его мощности, условий залегания и др.

Другим важным требованием для скважин СГД является расширение их призабойной зоны для образования камеры диаметром 500—1200 мм в зависимости от диаметра и конструкции добычного агрегата. Это обусловлено тем, что требуется обеспечить нормальные условия работы гидромониторов и подъемных устройств (гидроэлеваторов) в период их  включения. I

При сооружении эксплуатационных гидродобычных скважин в условиях одного из месторождений осадочного типа в случае применения второго варианта добычного снаряда требуется выполнение следующих основных этапов:

• бурение разведочной скважины с отбором керна в зоне рудного пласта;
• бурение основного ствола (углубление прекращается, не доходя рудного пласта 0,5- 1,0 м);
• спуск эксплуатационной колонны труб с надежным закреплением нижнего конца (цементирование, пакер и др.);
• вскрытие рудного пласта с перебуриванием нижележащих пород на глубину до 6-8 м.

Диаметр скважин должен обеспечить спуск расширителей для образования камеры; расширение нижней части скважины с помощью специальных расширителей для образования камеры диаметром 1000 - 1200 м.

Типовая конструкция эксплуатационных скважин и основные этапы ее сооружения для добычных снарядов, у которых наружный диаметр корпуса (трубы) равен 273 мм, для условий одного из месторождений осадочного типа, приведена на рис. 5.6.

Рис. 5.6. Типовые конструкции и основные этапы сооружения эксплуатационных скважин для скважинной гидродобычи:
а — разведочная скважина; б— этап при сооружении эксплуатационной скважины; в —подготовленная к эксплуатации скважина; 1 — эксплуатационная колонна, 2 — металлический  пакер, 3 — цементный стакан

Предлагаемый вариант конструкции гидродобычных скважин имеет следующие преимущества:

• легко закрепляется низ обсадной трубы, что улучшает условия ведения добычных работ,
• снижается разубоживание пульпы из-за предотвращения попадания пород со стенок скважины в отрабатываемую камеру.

Кроме того, закрепление низа обсадной колонны способствует повышению устойчивости стенок скважины и уменьшению обвалов; в случае осложнений гидромониторный узел вместе с внутренней трубой добычного снаряда можно легко извлечь из скважины, оставив там только наружную трубу; упрощается извлечение эксплуатационной колонны труб, так как при удержании в скважине столба жидкости стенки скважины находятся в более устойчивом состоянии; улучшаются условия добычи благодаря более точному центрированию низа добычного снаряда по отношению к оси пробуренной скважины.

Из недостатков этого варианта конструкции скважин необходимо отметить следующие:

• уменьшаются поперечные размеры добычного снаряда, что может привести к уменьшению радиуса размыва и снижению эффективности добычи;
• цементирование низа обсадных труб увеличивает силы сопротивления при извлечении труб из скважины;
• возрастает объем бурения по образованию камеры, так как расширение производится от меньшего начального диаметра скважины.

Закрепить низ добычного агрегата, кроме самого распространенного способа - цементирования, можно с помощью специальных пакерных устройств. Однако для условий скважинной гидродобычи скомпоновать существующие конструкции пакерных устройств и добычных снарядов не представляется возможные Применение различных надувных пакерных приспособлений, которые можно расположить поверх трубы добычного снаряда, сопряжено со значительными трудностями, связанными со спуском их в скважину на конечную глубину (из-за выпучивания глин они могут быть разрушены), а также с приведением их в действие. Потребуется специальный канал для подачи к пакеру жидкости или воздуха. Для этих целей потребуется разработка пакеров специальной конструкции.

Уменьшение металлоемкости буровых скважин при СГД является важной задачей, так как применяющиеся обсадные трубы больших диаметров имеют значительную стоимость. Для рассматриваемых условий месторождения в приведенной конструкции гидродобычной скважины не предусматривается перекрытие верхних интервалов пород (пески, гравелиты) обсадными трубами,

Однако применение обсадных труб для перекрытия песков и гравелитов предотвращает размыв устья скважин в процессе бурения, облегчает работы по спуску добычного агрегата и способствует уменьшению сил сопротивления при его подтипе, а также извлечении обсадных труб. В этом случае предъявляются меньшие требования к качеству глинистых растворов, и появляется в дальнейшем возможность применения для бурения основного ствола (по глинам) более прогрессивных способов проходки скважин, связанных с применением воды в качестве промывочной жидкости и гидродинамического бурения.

При использовании воды для промывки скважин и подаче се на забой в больших количествах с помощью центробежных насосов позволяет, как показали выполненные исследования, резко повысить механическую скорость бурения до 50 м/ч. Внедрение гидродинамического бурения при СГД позволит коренным образом изменить технологию бурения и оборудования скважины и совместить процесс бурения со спуском добычного агрегата.