CC BY
181
---------------------------------- © В.В. Лысик, Ю.Н. Скоморошко,
2007
УДК 550.822:622.24
В.В. Лысик, Ю.Н. Скоморошко
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ РАЗВЕДОЧНОГО БУРЕНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
1ТГ урение геологоразведочных скважин вместе с проведени-
ЛЗ ем горно-разведочных выработок являются основными работами при подготовке мес-торождений твердых полезных ископаемых к разработке. Но в ряде случаев получить фактический материал, необходимый для опробования горных пород и полезного ископаемого и составления фактического геологического разреза, можно только путем бурения геологоразведочных скважин.
Однако процесс геологоразведочного бурения негативно влияет на состояние окружающей среды. При проводке скважин нарушается экология поверхностного слоя земли (очистка площадок под буровые от растительности, нарушение почвенного слоя, засорение его ГСМ, буровыми промывочными и тампонажными растворами). Кроме того, при проводке геологоразведочных скважин буровые промывочные и тампонажные растворы загрязняют вмещающие горные породы и отрицательно влияют на гидрогеологию в зоне влияния ствола скважины.
Негативное действие буровых промывочных растворов значительно увеличивается при разведке МПИ в регионах с многолетнемерзлыми горными породами, которые занимают до половины всей территории страны. Буровые растворы содержат в малых концентрациях нефтепродукты, поверхностно-активные вещества (ПАВ) и другие токсичные материалы, которые загрязняют окружающую среду. Так в северных районах 100 г нефтепродуктов загрязняют до 8 т воды до состояния ее полной непригодности, как для живой природы, так и для хозяйственного использования [1]. Распад нефтепродуктов и активных промывочных жидкостей происходит очень медленно, особенно при низких температурах. Например, в аэробных условиях полное окисление нефтепродуктов происходит за 100 - 150 суток, в анаэробных и того больше. Самоочистка воды
в северных реках происходит на участках протяженностью до 2000 км, в то время как в средней полосе до 300 км [1].
Газожидкостные смеси (ГЖС) и активные промывочные жидкости, широко применяющиеся в геологоразведочном бурении, содержат ПАВ, которые загрязняют источники питьевого, хозяйственного и рыбопромыслового пользования. Попадая в водоемы, ПАВ нарушают их санитарный режим, истощают запас кислорода растворенного в воде, который используется на окисление ПАВ. Они оказывают токсичное воздействие на животный и растительный мир. Известно, что некоторые ПАВ уже при концентрации 10 г/м3 снижают на 15 % растворение кислорода в воде по сравнению с аналогичным процессом в чистой воде, а при биологическом разложении ПАВ происходит поглощение растворенного в воде кислорода. Также при концентрации ПАВ (0,3-0,4) г/м3 вода начинает горчить, при концентрации ПАВ (0,15-0,3) г/м3 - мыльный или керосиновый запах [1].
Если негативное воздействие разведочного бурения на поверхностный слой земли можно уменьшить до минимума выполнением организационных мероприятий по защите окружающей среды, то полная нейтрализация негативного влияния буровых промывочных и тампонажных растворов на вмещающие горные породы и гидрогеологический баланс района практически невозможна. Этот фактор можно только снизить до безопасного для окружающей среды путем уменьшения потерь промывочной жидкости при бурении скважины.
При проводке геологоразведочных скважин во многих случаях промывочная жидкость теряется частично или полностью, уходя из скважины по каналам, трещинам и порам горных пород, и не выходит на поверхность. Проводка геологоразведочных скважин в простых горно-геологических условиях возможна и при полном поглощении, если промывочная жидкость не оказывает негативного воздействия на окружающую среду и это экономически целесообразно (геологоразведочное бурение на ряде месторождений каменного угля в Южно-Якутском каменноугольном бассейне).
Но при бурении в сложных горно-геологических условиях и при дефиците промывочной жидкости необходимо, чтобы она не терялась в скважине и полностью выходила на поверхность, т.е. циркулировала по замкнутому контуру «приемная емкость - насос -скважина - система очистки - приемная емкость». При такой схеме
циркуляции в скважине промывочная жидкость оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, особенно при использовании буровых растворов, изготовленных из токсичных, дорогих или дефицитных материалов. Кроме этого, по потоку выходящего из скважины раствора (по «обратке»), контролируются его технологические свойства и косвенно фиксируются признаки возможных геологических осложнений.
Это особенно важно при высокоскоростном бурении (более 500 об/мин) с использованием алмазного породоразрушающего инструмента (ПРИ). Но при таких режимах бурения значительно повышаются затраты мощности на ее вращение и возникает вибрация бурильного вала. Для нейтрализации этих нежелательных для бурения факторов в промывочную жидкость добавляются различные смазочные материалы и поверхностно-активные вещества, понижающие коэффициент трения между колонной бурильных труб и стенками скважины и вибрацию бурильного вала. Смазывающие материалы и поверхностно-активные вещества относятся 3 классу по опасности [1], имеют большой период разложения на нейтральные элементы и негативно влияют экологию участка буровых работ. Об этом было сказано выше. Для уменьшения отрицательного влияния промывочной жидкости на окружающую среду следует снизить до минимума ее потери в скважине при ее проводке, и как следствие этого, добиваться полного выхода промывочной жидкости на поверхность.
Для предупреждения и нейтрализации поглощений промывочной жидкости в зависимости от их дебита применяются различные методы:
- уменьшение плотности и увеличение реологических свойств бурового раствора (в частности применением аэрированных жидкостей или ГЖС);
- применение различных способов оперативного тампонирования;
- перекрытие интервала поглощения обсадными трубами.
Уменьшением плотности и увеличением реологических
свойств бурового раствора в некоторых случаях можно ликвидировать небольшие по мощности интервалы поглощения, что не всегда возможно при бурении алмазным ПРИ. Для бурения с ГЖС требуются дополнительные технические средства, а также усложняется технология бурения алмазными коронками.
Чаще всего для ликвидации поглощений промывочной жидкости применяются различные по технологии способы оперативного тампонирования. Но, как правило, для этого необходимо применение специальных насосов способных доставить тампонажный раствор в интервал осложнения, так как плунжерные буровые насосы, применяемые в геологоразведочном бурении, не могут перекачивать высокоструктурированные тампонажные смеси. Кроме этого материалы для приготовления тампонажных растворов (цемент и реагенты) имеют малый срок хранения (как правило, не более 0,5 года) и транспортабельноемкие, что неприемлемо при ведении геологоразведочного бурения на значительном удалении от баз снабжения.
Изоляция зон поглощения обсадными трубами не всегда возможна, так как подразумевает дальнейшее бурение скважины меньшим диаметром, что ведет к усложнению конструкции скважины и увеличению стоимости ее проходки.
В этих условиях одним из важных и эффективных средств ликвидации поглощений промывочной жидкости является метод «сухого» тампонирования. Положительной особенностью этого метода является то, что тампонажный камень не разбуривается после затвердевания, так как в процессе «сухого» тампонирования на стенках скважины образуется кольцевая изолирующая оболочка с внутренним диаметром равным диаметру породоразрушающего инструмента. Применяемая для этого тампонажная смесь, имеет малые сроки схватывание и затвердевания тампонажного камня и большие сроки хранения, так как защищена от воздействия окружающей среды полиэтиленовой оболочкой.
Для проверки этого утверждения способ «сухого» тампонирования применялся для борьбы поглощениями промывочной жидкости и закрепления неустойчивых стенок скважины при ведении геологоразведочного бурения на Десовском железорудном месторождении.
Десовское месторождение сложено моноклинально залегающими кристаллическими породами, имеющими субширотное простирание и падение на юг под углом 40-60°. Месторождение сложено тремя продуктивными пачками, каждая из которых имеет верхнюю, среднюю или рудную и нижнюю толщи. Верхняя толща сложена кристаллосланцами, гнейсами и кальцифирами, рудная -магнезиальными скарнами, магнезиальными гидропликативными
породами, мигматитами и рудами и нижняя - биотит-амфиболовыми кристаллосланцами, гнейсами и мигматитами.
Четвертичные отложения на площади месторождения сплошным чехлом покрывают коренные породы и представлены глыбами и обломками пород сцементированных песчано-глинис-тым материалом. Мощность отложений достигает 12 м.
Из интрузивных образований на месторождении наиболее широко распространены архейские граниты, залегающие в виде штоков. На контактах с вмещающими породами граниты переходят в мигматиты, залегающие в виде секущих и согласных тел, полос и зон мощностью до 100 м.
На месторождении широко развиты тектонические нарушения с различной амплитудой и углами падения. Среди рудной зоны развиты зоны повышенной трещиноватости и дробления, являющиеся локальными ответвлениями от основных швов разломов. На участках тектонической деятельности имеются зоны окисленных руд мощностью 4 - 40 м, где руда имеет вид «сыпучки».
Месторождение расположено в области островного развития многолет-немерзлых пород, мощность которых в пределах участка не превышает 30-40 м. Основной вид подземных вод - трещинножильные, которые носят характер подмерзлотных и являются напорными, который иногда достигает 35-70 метров. По химическому составу трещинные воды гидрокарбонатные и магниевые или гидрокарбонатные магниево-кальциевые с минерализацией до 64 мг/л, температура воды 2,5-3°.
Метод «сухого» тампонирования применялся для нейтрализации геологических осложнений на Десовском железорудном месторождении. Технические средства и технология «сухого» тампонирования изложены в многочисленных источниках, в частности в работе [1], и поэтому в статье не описываются.
Суть этого способа заключается в нанесении специальным устройством и последующим задавливанием в трещины и поры стенок скважины сухой быстросхватывающей смеси БСС гидратированной в зоне тампонирования промывочной жидкостью (технической водой). Затем эта смесь в течение 40-60 минут затвердевает на стенках скважины с образованием изолирую-Таблица 1
Физико-механические свойства БСС [2]
Содержа- | Сроки схватыва- | Прочность образцов в водной среде | Водопо- ~
ние гек- ния, мин при одностороннем сжатии, МПа глоще-
саферрита бария, Начало Конец 1 ч 2 ч 24 ч 72 ч ние, %
0,01% 7 9 2,5 2,0 7,5 13,0 3
щей кольцевой оболочки, способной выдержать значительное механическое и гидравлическое воздействие.
Нейтрализация геологических осложнений на Десовском железорудном месторождении методом «сухого» тампонирования проводилась при бурении 13 скважин. Состав применяемой БСС включает:
- 50 % глиноземистого цемента;
- 50 % полуводного гипса;
- 0,01 % гексаферрита бария.
Физико-механические свойства БСС приводятся в табл. 1.
Результаты проведения «сухого» тампонирования приводятся ниже.
«Сухое» тампонирование применялось для нейтрализации поглощения промывочной жидкости при проходке 6 скважин. В 5 скважинах с положительным результатом 94% было ликвидировано поглощение промывочной жидкости. В 2 скважинах катастрофическое поглощение переведено в частичное с выходом промывочной жидкости 60-70 %, в 3 скважинах поглощение ликвидировано полностью. В 1 скважине катастрофическое поглощение ликвидировать не удалось, и этот интервал был перекрыт обсадными трубами.
С целью восстановления устойчивости стенок скважин «сухое» тампонирование при проходке 7 скважин с положительным результатом 60 %. В 4 скважинах удалось закрепить неустойчивые стенки скважины. В 2 скважинах с помощью применения «сухого» тампонирования осложненный интервал удалось перекрыть обсадными трубами. А при бурении 1 скважины не удалось закрепить стенки скважины, так как зона осложнения была значительной по мощности и имела повышенную кавернозность.
Также были проведены лабораторные работы для определения степени сцепляемости цементного камня с характерными горными породами Десовского месторождения. Результаты лабораторных работ приводятся ниже:
- железная руда - 63 % положительных результатов;
- граниты - 40 % положительных результатов;
- карбонатные породы - 20 % положительных результатов.
Данные лабораторных и опытно-производственных работ по
применению метода «сухого» тампонирования позволяют сделать вывод, что «сухое» тампонирование можно с успехом применять для тампонирования осложненных интервалов железных руд и горных пород, содержащих полевые шпаты, слюду и кварц. Для этого рекомендуется по фактическому бурению четко отбивать зоны осложнений и строго выдерживать технологию проведения тампонирования. Тампонирование же нужно проводить после вскрытия кровли зоны осложнения не более чем на 4-5 м и с забоя скважины. Не рекомендуется проводить «сухое» тампонирование в зонах с водопритоками и значительной кавернозностью стенок скважины.
В заключении можно констатировать, что оперативное тампонирование зон поглощений промывочной жидкости методом «сухого» тампонирования позволит значительно снизить негативное воздействие активных и водоэмульсионных промывочных жидкостей на окружающую среду и его можно рекомендовать как один из методов профилактики геологических осложнений при геологоразведочном бурении на твердые полезные ископаемые.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Яковлев А.М., Коваленко В.И. Бурение скважин с пеной на твердые полезные ископаемые. - Л.: Недра, 1987. - 128 с.
2. Лысик В.В., Гриб Н.Н. Промывка и крепление геологоразведочных скважин: Учебное пособие. - Томск: Изд.-во ТПУ, 2005. - 334 с.
3. Терещенко Л.А. Пути улучшения свойств сухих тампонажных смесей // Техника и технология геологоразведочных работ; организация производства: сборник. - Вып. 6. - 1985. - С. 18-23.
— Коротко об авторах -----------------------------------------
Лысик В.В. - доцент,
Скоморошко Ю.Н. - кандидат технических наук, доцент,
НТИ (ф) ЯГУ, г. Нерюнгри, Саха (Якутия), Российская Федерация
