CC BY
99
Технологии геологической разведки
УДК 551.243 553.79
ГЛУБОКОЕ БУРЕНИЕ И ОСВОЕНИЕ ЗАЛЕЖЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ РАССОЛОВ С АНОМАЛЬНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НА СИБИРСКОЙ ПЛАТФОРМЕ
А.Г. Вахромеев1
ООО «НафтаБурСервис», 664031, г.Иркутск, ул.Байкальская, 180
Обобщены разработки по методологии бурения и освоения месторождений промышленных рассолов осадочного чехла Сибирской платформы глубокими скважинами. Залежи редкометалльных промышленных рассолов, «жидкой руды» на литий, рубидий, цезий, редкие земли, характеризуются аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) и аномальными коллекторами (АК), чем обусловлена проблематика безопасной проводки глубокой скважины, последующих гидродинамических исследований. Выявлены основные факторы кристаллизации солей в стволе глубокой скважины и предложены технологические и технические решения борьбы с этим явлением.
Ключевые слова: глубокое бурение, аномально-высокое пластовое давление, аномальный коллектор, промышленные рассолы. Библиогр. 17 назв. Ил. 5.
DEEP DRILLING AND MINING OF INDUSTRIAL BRINES DEPOSITS WITH ABNORMAL PARAMETERS ON SIBERIAN PLATFORM
A.G. Vahromeev
LLC «NaftaBurService», Irkutsk, Russia
The author summarizes the workings on the methodology of drilling and mining the deposits of industrial brines in sedimentary rocks of Siberian platform by deep wells. The deposits of rare-metal industrial brines, «liquid ore» to lithium, rubidium, caesium, rare earths are characterized by abnormal- high layer pressures and abnomal collectors. This determines the problems of safe deep drilling and the following hydrodynamic researches. The author identifies basic factors of salts crystallization in a deep borehole. He also proposes technological and technical solutions to fight this phenomenon.
Key words: deep drilling, abnormal- high layer pressure, abnormal collector, industrial brines. 17 sources. 5 figures.
Изучение залежей предельно насыщенных рассолов осадочного чехла Сибирской платформы глубокими скважинами - наиболее проблемная на сегодня область теоретических и прикладных гидрогеологических исследований. Для обоснования постулата о новом промышленном типе сырья необходимо последовательно
ответить на вопросы, представленные на рис. 1.
Серьезным основным сдерживающим фактором в освоении уникальных залежей рассолов является отсутствие стандартных, теоретически обоснованных и отработанных в промышленном масштабе технологий гидрогеологического бурения
:Вахромеев Андрей Гелиевич - директор буровой компании ООО «НафтаБурСервис», кандидат геолого-минералогических наук, тел.: (3952) 50-07-31, e-mail: vahromeev@nbs.org
Vahromeev Andrey Gelievich - Director of Deep Drilling company LLC «NaftaBurService», Doctor of geological and mineralogical sciences, tel.: (3952) 50-07-31, e-mail: vahromeev@nbs.org
Рис. 1. Схема логистической цепочки обоснования сырьевой значимости предельно-насыщенных рассолов Сибирской платформы как гидроминерального сырья
_а) Потребность промышленности в сырье_
б) Гидрогеология и ресурсная база глубоких сверхкрепких и _предельно насыщенных рассолов_
в) Реальная буримость гидрогеологических скважин, добываемость, технология освоения залежей и добычи сырья - глубоких рассолов
г) Перерабатываемость сырья - конкретные промышленные _технологические переделы_
_е) Экологичность освоения нового типа сырья_
высокодебитной (АК-аномальный высоко-дебитный коллектор), аномальной по барическим параметрам (АВПД) и минерализации (АМ) насыщающих флюидов продуктивной зоны. С момента вскрытия глубокой разведочной или эксплуатационной скважиной АК-АВПД залежи мы имеем дело по сути с природно-технической системой. Поэтому исследование процессов и факторов, прямо или опосредованно влияющих на «природно-техническую» систему - действительно краеугольный камень освоения этого типа сырья. К таковым следует отнести гидравлику потока флюида в призабойной зоне продуктивного пласта (ПЗП), транспортировку предельно-насыщенных рассолов по лифтовым трубам в условиях, близких к фазовому переходу, апробацию на реальных объектах комплекса технических решений, которые обеспечили бы надежную бесперебойную добычу «жидкой руды» - брома, лития из предельно-насыщенной хлорид-ной кальциево-магниевой системы.
Путь к переработке рассолов на конечные продукты - бром, литий, безусловно, пролегает через бурение глубоких гидрогеологических скважин, транспортировку рассола по трубам с забоя до поверхности, через добычу. Добыча рассолов является конечным, итоговым циклом в общей цепочке «поиск - разведка - освоение залежи». Поэтому ключевая задача -доказать работоспособность природно-тех-нической системы, добываемость самого богатого в России по концентрациям брома и лития гидроминерального сырья [4,
7]. Важно подчеркнуть, что в практике геологоразведочных работ (ГРР) технические и технологические проблемные вопросы работы с АК-АВПД-АМ объектом начинаются с проектной стадии, с разработки и согласования проектных решений, с проекта бурения глубокой гидрогеологической скважины.
Для обоснования промышленного освоения концентрированных поликомпонентных рассолов наиболее важными представляются исследования термобарических условий выпадения солей из предельно-насыщенных рассолов и выработка мер борьбы с этим явлением при бурении, опробовании и эксплуатации гидрогеологических скважин. Рассматриваемые рассолы подвержены явлению раскристалли-зации солей и образования соляных пробок при опробовании скважин вследствие аномально большой минерализации, что было выявлено уже в 60-е годы (Тыретская скв. 6, Балыхтинская скв. 5, Шелонинская скв. 1-Б). Это значительно затрудняет качественное исследование скважин. «Необходимо отметить, что скептические оценки, высказываемые некоторыми исследователями по поводу возможности рентабельного извлечения рассолов из парфе-новских песчаников, вызваны низкими или отрицательными результатами опробования. Вместе с тем, в силу ряда причин, они неизменно оказывались существенно заниженными» (П.И. Трофимук, 1961). Необходимо также физико-химическое изучение этого явления, постановка экспериментальных работ по разработке мер борь-
бы с выпадением, кристаллизацией солей непосредственно в процессе бурения и испытания глубоких скважин. К числу причин, вызвавших получение низких параметров пласта, по мнению П.И. Трофи-мука (1963), следует отнести: неполноту его вскрытия (0,3-0,4 по таким скважинам, как Тулунская и Нижнеудинская); обсадку трубами и цементирование перед опробованием призабойной зоны рассолоносного горизонта; выпадение солей в стволе скважины при откачке рассола с образованием соляных пробок; высаливание №С1 в при-забойной зоне при вскрытии горизонта на соляном буровом растворе, в то время как пластовая вода имеет хлоридный кальциевый или магниево-кальциевый состав.
Для того чтобы корректно сформулировать основные этапы теоретических исследований рассматриваемой «природ-но-технической» системы, обозначим прикладные задачи, которые пришлось решать при проектировании, бурении и освоении, т.е. испытании и длительной опытной эксплуатации аномальной по своим характеристикам продуктивной рассолоносной зоны на Знаменском месторождении глубоких промышленных рассолов (МПР)
в Ангаро-Ленском артезианском бассейне.
Идея последовательной разработки процесса первичного вскрытия, исследования и освоения глубокой гидрогеологической скважиной аномальной по своим характеристикам (АК-АВПД-АМ) продуктивной зоны по выделяемым автором блокам (рис. 2) увязывает в единую логическую цепочку технические и технологические решения. Опираясь на уже проверенные, апробированные способы и конструктивные решения, мы по мере необходимости экспериментально дорабатываем их на практике [7].
Основные проблемные блоки (стадии, задачи), которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве глубокой гидрогеологической скважины, представлены на рис. 2. Основная цель -безопасное, безаварийное вскрытие «Аномальной» (АК-АВПД) зоны глубокой гидрогеологической скважиной и ее последующее освоение как «природно-техни-ческой» системы в плановом порядке. Другими словами, задача исследования - в выявлении проблемных блоков и разработке основных технических решений в каждом из обязательных циклов, этапов ГРР. Из
Рис. 2. Этапы бурения и освоения глубокой гидрогеологической скважины на концентрированные промышленные рассолы как стадии формирования природной технической системы:
ГИС - геофизические исследования скважин; ОПЭ - опытно-промышленная эксплуатация; КВД-кривая восстановления давления; ПТС - природно-техническая система
анализа схемы (см. рис. 2) следуют важные выводы:
• Рассолы после извлечения полезных компонентов (брома и лития) должны быть обязательно утилизированы.
• Утилизация должна быть предусмотрена на всех этапах гидрогеологического бурения в процессе ГРР, чему предшествует подготовка геологических объектов и технических решений по поглощающему горизонту.
• Утилизация получаемых из гидрогеологической скважины обьемов рассола на каждом этапе исследований решает свой набор задач.
• Утилизация рассолов в глубокие поглощающие горизонты безальтернативна как способ, а сами рассолы совместимы как геохимическая система.
Специфика переработки глубокого гидроминерального сырья на бром и литий заключается в том, что при получении относительно небольших количеств этих компонентов (3000 т и 80 т в год соответственно) перерабатывается значительный объем рассолов, в нашем случае - 350000 м3! Затраты на добычу и утилизацию таких количеств рассолов составляют, как правило, значительную часть себестоимости единицы продукции. В связи с этим, переработка рассолов должна быть максимально комплексной в сочетании с оптимизацией использования общих стадий технологических цепочек [15, 16, 17].
Другой важный практический аспект - вскрытие аномальной по фильтрационным и барическим параметрам зоны -пред-полагает высокую потенциальную опас-ность, связанную с возможностью некон-тролируемого аварийного выброса рассола - рапы дебитом до 10 000 м3 в сутки в про-цессе бурения, а также возможные выбро-сы и сбросы загрязняющих веществ на рельеф на всех стадиях ГРР и технологи-ческих циклов [3, 12, 1]. Площадки поис-ково-разведочного и кустового бурения, установки по переработке сырья, вспомо-гательные объекты при освоении место-рождения промышленных рассолов (МПР), - в
нашем примере Знаменского МПР, рассматриваются как объекты повышенной опасности и источники комплексного, концентрированного воздействия на окружающую среду, способного вызвать чрезвычайную ситуацию [3, 12, 1, 11].
Существование «рапоносных зон», встреченных в карбонатных породах ангарской, бельской и верхов усольской свит является одной из существенных проблем, встреченных при поисках и разведке месторождений углеводородов на юге Сибирской платформы. «Рапоносными зонами», или «рапопроявляющими горизонтами» в производстве, на буровых называют интервалы геологического разреза с характеристиками АК-АВПД-АМ. Необходимость перекрытия «рапопроявляющих горизонтов» приводит к серьезным потерям диаметра бурового ствола, причем даже использование «тяжелой» конструкции скважин и «сверхтяжелого» бурового раствора не дает гарантии успешного безаварийного вскрытия подсолевых нефтегазоносных отложений.
В практике глубокого бурения по фонтанирующим АВПД - объектам в Восточной Сибири - апробировано два принципиально разных подхода [7]. Первый -управляемое вскрытие за счет противодавления, создаваемого сверхтяжелым, с удельным весом до 2,5 кг/м3, буровым раствором. Для реализации этого подхода в проектных решениях предусматривают спуск дополнительной обсадной колонны для перекрытия аномального по дебиту и давлению продуктивного объекта. Такая конструкция скважины называется «тяжелой». Несомненным плюсом этой технологии является ее «традиционность», понятность инженерному персоналу и буровой бригаде. Минусами следует считать большую затратность за счет стоимости дополнительной колонны, большой массы химических реагентов для тяжелого раствора, дополнительных затрат на завоз и серьезные затраты времени на все дополнительные операции. Другими словами, схема ведет к существенному удорожанию буровых работ по двум разным статьям
затрат - затраты на материалы и затраты времени. Совершенно ясно, что такой подход позволяет «задавить» продуктивный пласт и бурить дальше. Это классическая версия технологии глубокого бурения на нефть и газ, когда целевые углеводородные горизонты расположены ниже по разрезу.
Если же рассолопроявляющий пласт, горизонт, продуктивная зона являются целевым объектом ГРР, то традиционный подход неприемлем. «Задавка» и последующая изоляция продуктивного пласта означает, по сути, его потерю для гидрогеологии и потерю всей гидрогеологической информации об этом пласте. Другим серьезным недостатком традиционного способа является его узкая целевая применимость, только в случае, когда при вскрытии объектов, характеризующихся АВПД, на первом месте стоит задача обеспечения безопасности буровых работ, а затем -качество вскрытия ниже залегающего пласта с углеводородным насыщением.
Второе решение, а именно оно было предложено, разработано и реализовано нами как альтернативное - разработка особой конструкции скважины и сопряженных технических решений, позволяющих вскрывать продуктивную зону АК-АВПД на переливе [7, 1, 2, 8,]. Перелив, даже с аномальным дебитом в несколько тысяч кубических метров в сутки, должен быть управляемым, безопасным для персонала и не создавать угрозы для окружающей среды. Бурение зоны АВПД как целевого объекта, например при проведении ГРР на промышленные воды, является принципиально другой задачей. Необходимо не только вскрыть глубокой гидрогеологической скважиной высокодебитную продуктивную зону АВПД, но и выполнить полный проектный комплекс гидрогеологических исследований для определения гидрогеологических параметров и подсчета извлекаемых запасов промышленных вод (металлоносных, бромоносных рассолов) и содержащихся в них ценных компонентов - лития, рубидия, брома, йода, стронция, магния.
В случае проведения специальных гидрогеологических исследований на продуктивность определение гидродинамических параметров продуктивного рассо-лоносного пласта с АВПД, использование известного, традиционного подхода вскрытия через создание противодавления невозможно, ибо основная задача, решаемая этим классическим способом, - предупреждение работы скважины переливом рассолов методом создания расчетной депрессии на продуктивный пласт. Задача гидродинамических исследований АВПД-объекта - получение качественной информации о продуктивности пласта. Решается эта задача через исследование его на нескольких разных депрессиях, значимо отличающихся друг от друга. Как и при исследованиях коллектора с углеводородным насыщением, создание депрессий в этом случае производится методом шту-цирования, т.е. регулирования дебита изливающего, фонтанирующего потока флюида - газа, нефти, рассола.
Таким образом, необходимо разработать техническое решение, позволяющее проводить безопасное вскрытие бурением «на переливе» и последующее управляемое испытание высоконапорных пластов, насыщенных крепкими рассолами. А также реализовать полный комплекс специальных гидрогеологических исследований АВПД как объекта любой длительности -либо путем экспресс-выпусков, измеряемых часами, либо путем длительной опытно-промышленной эксплуатации (добычей) в течение нескольких месяцев или лет. Это возможно только при работе скважины (АК-АВПД объекта) на перелив, т.е. с управляемым переливом при надежном решении параллельной утилизации получаемых на поверхность объемов пластового флюида. Для нефти в таких случаях производится сжигание получаемых объемов в специально оборудованных амбарах на факеле, для природного газа также сжигание или сброс на свечу рассеивания.
Работа над этой идеей, технологией гидрогеологического бурения на переливе
с параллельным захоронением рассолов, и над техническими решениями (конструкцией), которые бы обеспечили работоспособность этой технологии, привела нас к последовательной серии новых приоритетных технических решений, разработанных для «природно-технической» системы, эта-
пов «вскрытия - испытания - эксплуатации» аномальной по геохимии, дебитам и давлениям продуктивной зоны. Основным, базовым из представляемых технических решений является «Способ вскрытия продуктивного пласта» [5]. Идея реализована в двух вариантах (рис. 3), общим для кото-
Рис. 3. Схема вариантов утилизации отработанных рассолов, предложенная (1989 г.) и реализованная (1997 г.) на Знаменском МПР по [3, 2].
НКТ- насосно-компрессорные трубы
рых является опережающее формирование поглощающей зоны при бурении первого поглощающего пласта-коллектора ниже толщи регионального водоупора. В первом варианте, перед тем как проходить продуктивную зону с АК-АВПД, бурится нагнетательная скважина. В ней формируется зона поглощения, обвязываются устья нагнетательной и продуктивной гидрогеологических скважин. Вскрытие высокоде-битного пласта с АК-АВПД производится «на перелив» с одновременной закачкой в поглощающую зону. Во втором варианте это решение совмещено в единой конструкции разведочной гидрогеологической скважины. Решения обеспечивают захоронение поступающего из продуктивного интервала промышленного рассола на любом этапе ГРР (вскрытие, опробование, испытание, ОПЭ).
Следующим важнейшим этапом является научное обоснование, разработка технических решений и практическое подтверждение их работоспособности для исследуемой «природно-технической» системы, позволяющих обеспечить стабильную работу продуктивной скважины в заданном диапазоне ограничений, в режиме одной жидкой фазы. Для предотвращения негативных процессов в скважине при транспортировке рассола необходимо подобрать такие условия работы продуктивной зоны и транспортной системы, при которых термобарическое равновесие системы либо не нарушается, либо находится в допустимом интервале колебаний, не приводящих к сбросу солей на том или ином барьере.
С момента вскрытия долотом продуктивного АВПД-пласта (зоны) скважина начинает фонтанировать за счет разницы давлений «забой - устье». Поднимаясь по лифтовым трубам на поверхность, поток рассола (а в скважину поступает одна жидкая фаза) проходит через два природно-технических барьера, на которых меняются свойства системы, ее фазовое состояние. Это «температурный» и «барический» барьеры, природа которых аналогична известным геохимическим
барьерам [13, 14]. На «температурном» формируется твердая фаза - кристаллы солей, и поток далее становится двухфазным - жидкая и твердая фазы. На «барическом» идет дегазация водорастворенно-го газа, система также становится двухфазной - жидкость и газ. Пузырьки газа выступают центрами кристаллизации солей, и далее по потоку «система» превращается в трехфазную. Зарождение и формирование кристаллов солей - основная техническая проблема, обусловленная природой выявленных барьеров. Экспериментами доказано, что температурный барьер является главным для исследуемой при-родно-технической системы, определяющим в процессе кристаллизации солей в скважине. Барический барьер вторичен и усиливает эффект «лавинообразной» кристаллизации.
Отсюда - основное решение: разработка системы мероприятий по борьбе с температурным барьером. По условиям локализации в транспортной системе выделяемые барьеры подвижны, т.е. условная точка привязки барьера по глубине начала кристаллизации меняется при изменениях существенных РТ-условий - температуры колонны, давления по стволу на каждом режиме. В пределах ствола скважины происходящие в трубах «природно-техничес-кие» процессы обратимы. Если же выпадение солей сместится вниз, в призабойную зону (ПЗП), и далее в пласт, то процесс кольматации ПЗП мы считаем необратимым. При этом к способам борьбы с барическим барьером мы относим комплекс мероприятий, или ограничений, обоснованных экспериментально. Установлены ограничения дебита продуктивной зоны с одновременным контролем создаваемой депрессии. Не допуская смещения барического барьера вниз по стволу скважины до продуктивного интервала, т.е. в при-забойную зону пласта, мы сохраняем возможность доступа через рабочее пространство скважины в проблемную зону.
Учет «барического» ограничения также обеспечит однофазность потока рассола. Практически мы не должны понизить
рабочее давление в стволе скважины, точнее в трубном пространстве, ниже некоторой критической величины. При этом важно обеспечить работу скважины через равнопроходные трубы, или единое поперечное сечение, без расширений, где изменение (падение) скорости потока и расширение потока в объеме приведет к падению температуры и сформирует зону искусственной кристаллизации. Крайне важно, что технические решения, которые разработаны для борьбы с фазовыми переходами в процессе транспортировки предельно насыщенного рассола, т.е. для перевода системы в устойчивое, близкое к равно-
весному состояние, независимы друг от друга.
Для того чтобы уменьшить или свести на нет риски эксплуатации изучаемой «природно-технической» транспортной системы «продуктивная зона - скважина -устье», обусловленные температурным барьером, была предложена идея обеспечить постоянный прогрев эксплуатационной (лифтовой) колонны, который возможно искусственно решить через систему «термоса» - тепловой завесы, а также разработана [5, 10, 6] конструкция для ее осуществления (рис 4). Другое решение про-
1 - скважина;
2 - кровля продуктивного
высоконапор-ного рассолосодержащего пласта;
3 - продуктивный пласт;
4 - региональная водоупорная толща;
5 - зона гидроразрыва-поглощения;
6 - обсадные трубы;
7 - незацементированный интервал;
8 - узел регулирования дебита/давления;
9 - наземные приемные емкости;
10 - наземное насосное оборудование
Рис. 4. Принципиальная схема осуществления способа безопасного вскрытия (добычи) высоконапорных пластов, насыщенных крепкими рассолами, по [10,14]
верено и активно использовалось на практике - это периодическая подача горячей (70-80°С) пресной технической воды в колонну лифтовых труб через затрубное пространство, что снижает пересыщенность системы (минерализацию), меняя или смещая по существу точку фазового перехода вверх по стволу лифтовых труб в скважине. При этом температура системы растет или, по крайней мере, не падает [12]. Суть предлагаемого технического решения -возможность управления свойствами (тер-мобарически) нестабильной «природно-технической» системы, содержащей в своем составе флюиды, склонные к фазовым переходам. Именно к таким веществам относятся склонные к кристаллообразованию высококонцентрированные, предельно-насыщенные солевые системы с концентрацией солей выше 320-450 г/л., обычно 500630 г/л. Поясним разработанное техническое решение конкретным примером его выполнения и чертежом (см. рис. 4), на котором изображена принципиальная схема глубокой гидрогеологической скважины 3А Знаменской, в процессе бурения которой был осуществлен этот способ. Перед спуском эксплуатационной колонны в скважине посредством гидроразрыва пласта была сформирована зона поглощения, расположенная в интервале пластов-коллекторов, залегающих ниже пачки регионального водоупора. Зона гидроразрыва изолирована от других продуктивных и поглощающих горизонтов обсадными колоннами и сообщается по межколонному пространству с наземным приемным устройством и нагнетательным оборудованием [5].
Далее вскрыли бурением продуктивный пласт с аномальными АК-АВПД параметрами. В процессе испытания, освоения залежи и добычи жидкого полезного ископаемого защиту от кристаллизации солей осуществляли термостатированием эксплуатационной колонны в интервале вероятного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки горячего теплоносителя по межколонному пространству в сформированную зону по-
глощения. При этом в качестве теплоносителя использовали горячий рассол хлорида натрия. В перспективе после запуска опытного производства переработки «жидкой руды» с получением брома и лития предполагается использовать в этих целях технологические отходы - обезбромлен-ные и несколько разубоженные рассолы хлоридов кальция и магния.
В процессе вскрытия рассолоносного пласта по рабочему пространству бурильных труб в эксплуатационной колонне за четверо суток получено самоизливом около 6000 м3 с одновременной постоянной обратной закачкой горячего рассола буровыми насосами на выбранном оптимальном режиме (5-50 м3/час). Позже, во время опытно-промышленной эксплуатации скважины 3А в течение 6 месяцев получено на разных режимах самоизливом около 20000 м3 с параллельной постоянной закачкой в межколонное пространство буровыми насосами на выбранном оптимальном режиме горячего рассола, тем самым обеспечена бесперебойная работа добывающей (продуктивной) скважины.
Итак, на Знаменском месторождении промышленных рассолов в проблемном интервале разреза 0-800 м, отличающемся температурами ниже Ткрист. - 25°С, работа продуктивного пласта с Т>25°С была обеспечена на основе эффекта тепловой завесы. При этом использовались: явление теплового потока (тепломассопереноса); система изоляции эксплуатационной колонны (через затрубное - межколонное пространство) от горных пород в низкотемпературном (ниже 25°С, т.е. ниже температуры начала кристаллизации) интервале геологического разреза осадочного чехла.
Таким образом, для защиты сква-жинного оборудования от образования твердых осадков, препятствующих выходу добываемого природного сырья - рассола из скважины, предложен комплексный подход, предусматривающий: борьбу с выпадением солей в глубокой скважине; добычу высококонцентрированных промышленных рассолов; конструкцию, обеспечи-
вающую безопасность вскрытия пластов с АК-АВПД и их промышленную эксплуатацию. Термостатирование эксплуатационной колонны достигается конструкцией скважины, предусматривающей прокачку горячего отработанного рассола-теплоносителя по межколонному пространству за эксплуатационной колонной в поглощающий пласт. Это обеспечивает стабильность теплового режима эксплуатационной и лифтовой колонн. Прокачка спроектирована и защищена патентами по двум вариантам - проточный и оборотный в замкнутом цикле [5, 9]. Схема замкнутого цикла на обратном теплоносителе представлена на рис. 5.
Рис. 5. Схема замкнутого цикла на обратном теплоносителе
Разработанные способы и конструктивные решения для «природно-техничес-кой» системы «АК-АВПД-залежь-скважи-на» приоритетны и объединяют в единый
производственно - технологический цикл следующие аспекты:
1. Обоснование принципиально новой идеологии вскрытия зоны АК-АВПД-АМ через управляемое бурение на переливе с параллельной закачкой (захоронением) в зону поглощения обьемов рассола, поступающих из скважины (или с переработки) [4, 7, 12, 1]. Проектирование и строительство полигона захоронения - закачивающие гидрогеологические скважины -опережает работы по основной скважине с тем, чтобы обеспечить процесс захоронения поступающего из продуктивного интервала рассола на любом этапе ГРР (вскрытие, опробование, углубление, испытание, ОПЭ) [4, 7, 1].
2. Создание принципиально новой конструкции глубокой гидрогеологической скважины, обеспечивающей снижение уровня потенциальной опасности при вскрытии высокодебитного пласта с АВПД [4, 7, 12, 1].
3. Обеспечение теплового режима работы скважины в процессе геологоразведочного цикла - гидрогеологические исследования - через параллельную закачку прогретого (на устье и до глубины поглощающей зоны, инт. 0-700м.) рассола в зону захоронения по проточному циклу как способ борьбы с выпадением солей (в результате снижения температуры рассола и кристаллизации рабочего пространства скважины) [5, 10].
4. Обеспечение теплового режима работы скважины в процессе длительных циклов испытания, в совмещенных циклах испытание-переработка рассолов на ОПУ или ОПЭ-ОПУ. Предложена конструкция, позволяющая реализовать замкнутый цикл теплоносителя с одновременным регулированием температурного режима, работа с оборотным обьемом теплоносителя [9].
5. Обеспечение захоронения значительных объемов переработанного сырья или промышленных стоков в одной (единой) конструкции с добывающей скважиной без дополнительного бурения закачивающей скважины, что обеспечивает эко-
номический эффект в 1400-1750 тыс. $ [4, 12, 1, 6, 9].
6. Конструкцию обвязки устья скважины в производстве бурения, позволяющую одновременно с общепринятой схемой (3 превентора) обеспечить возможность 3 версий прокачки рассола по батарее задвижек от эксплуатационно-гидрогеологической скважины в межколонное пространство, через которые идет захоронение со снятием давления в расчетном объеме или без него [12, 1].
7. Обеспечение возможности прямой работы продуктивного высокодебитного пласта с АВПД в аварийной ситуации (кАп~ 2,65) через устьевую обвязку в поглощающий пласт [5].
Таким образом, в процессе изучения минерализованных рассолов на Сибирской платформе разработана и получила промышленное применение новая прогрессивная технология бурения, исследования и последующего освоения гидрогеологических скважин с АК-АВПД объектами, позволяющая вести углубление проявляющего высокодебитного пласта с параллельной утилизацией поступающих на поверхность объемов флюида. Прямая экономия от внедрения только при бурении Знаменского опытного участка составила 1,7 млн. долл. на одну разведочную скважину. Обеспечена непрерывность работы фонтанирующего объекта на перелив для гидродинамических исследований с получением важнейших гидрогеологических параметров, повышающая безопасность буровых работ и способствующая охране окружающей среды.
Выявлены и охарактеризованы закономерности фазовых превращений в потоке, происходящих при скважинной добыче предельно насыщенных рассолов. Сформулирована рабочая гипотеза процесса кристаллизации солей в лифтовых трубах, установлены факторы, влияющие на старт процесса и его развитие во времени. Научно обоснована и подтверждена на практике работоспособность технических решений для природно-технической системы «рас-солоносная АК-АВПД зона - скважина»,
позволяющих обеспечить стабильную работу продуктивной гидрогеологической скважины в заданном диапазоне ограничений, т.е. в допереходном режиме, в режиме одной жидкой фазы. Для предотвращения негативных процессов в скважине при транспортировке рассола подобраны такие условия, при которых равновесие системы либо не нарушается, либо находится в допустимом интервале колебаний параметров, не приводящих к сбросу солей.
Стационарность температурных условий в колонне лифтовых труб, работающей концентрированным промышленным бро-мо-литиевым рассолом, реализована благодаря постоянному прогреву эксплуатационной колонны через систему «термоса» - тепловой завесы. Разработана конструкция для ее осуществления, позволяющая управлять температурным «природно-техническим» барьером, добиться эффекта непрерывной работы скважины и, следовательно, всего подземного и наземного комплекса - промысла, включающего скважины, трубопроводы, установки по переработке рассолов.
Сформулировав представления о формировании «природно-технических» температурного и барического барьеров в рабочем пространстве «природно-техни-ческой» транспортной системы - гидрогеологической скважины, и решив на практике эти две физико-химические задачи через доступные технические приемы, мы решаем проблему бурения на АК-АВПД обьектах и последующей добычи концентрированных промышленных рассолов. Технические решения характеризуются дополнительным экономическим и экологическим эффектами и прошли всестороннюю апробацию на полигоне Знаменского месторождения.
Библиографический список
1. Абалаков А.Д., Половиткин В.П., Вахромеев А.Г. и др. Геоэкология кустового безамбарного бурения нефтегазовых месторождений. - Иркутск: Изд.-во "Арт-Пресс", 2003. - 334 с.
2. Вахромеев А.Г., Московских Л.И., Сеньков И.В., Сабанин К.Г. Поглощающие горизонты - потенциальный объект захоронения отработанных промышленных вод // Тезисы докладов к XIV конференции молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири. -Иркутск, 1990. - С 121-122.
3. Вахромеев А.Г., Карпов Ю.А., Кузьмин С.Б., Абалаков А.Д., Рябцев А.Д. Экологически чистые технологии: подземное захоронение отходов производства на месторождениях промышленных рассолов // Инженерная экология. - 2000- № 4.
4. Вахромеев А.Г. Знаменский рассо-лопромысловый проект // Геоэкологические исследования на Лено-Ангарском плато. - Иркутск: ИрГТУ, 2003. - С. 13-69.
5. Вахромеев А.Г. Способ добычи полезного ископаемого, склонного к температурному фазовому переходу. Патент № 2229587 // Бюллетень. 27.05.2004. №15.
6. Вахромеев А.Г. Конструкция глубокой скважины. Заявка № 2007118960 // приоритет от 21.05. 2007. Решение о выдаче патента от 07.10.2007.
7. Вахромеев А.Г. Ключевые аспекты освоения предельно-насыщенных металлоносных рассолов Восточной Сибири // Известия Сибир. отделения секции наук о Земле РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. - Вып. 5(31). - С.61-66.
8. Вахромеев А.Г. Геодинамическая модель формирования аномально-высоких давлений флюидов в разрезе осадочного чехла Сибирской платформы // Известия Отд. наук о Земле и природных ресурсах АН РБ. Геология. - 2008. - № 12. - С. 3951.
9. Вахромеев А.Г. Способ скважин-ной добычи жидкого полезного ископае-
доцент Иркутского гс
мого, склонного к температурному фазовому переходу. Патент № 2361067 // Бюллетень. 10.07.2009 № 19.
10. Вахромеев А.Г. Способ вскрытия высоконапорных пластов, насыщенных крепкими рассолами. Патент № 2365735 // Бюлл. № 24 от 27.08.2009.
11. Гидрогеологический контроль на полигонах закачки промышленных сточных вод. Методическое руководство. - М.: ИРЦ Газпром, 2000. - 122 с.
12. Данилов В.А., Вахромеев А.Г., Карпов Ю.А., Кузьмин С.Б.. Опыт формирования системы экологической безопасности при разведке и освоении высоконапорных рассолоносных горизонтов. (На примере Знаменского месторождения) // Разведка и охрана недр. -2001. - № 5. - С. 43-48.
13. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. - Новосибирск: Наука, 1982. -286 с.
14. Перельман А.И. Геохимия эпигенетических процессов. - М.: Недра, 1965. -272 с.
15. Руденко Н.Е. О комплексном использовании соляных рассолов Иркутской области. - Техн.-эконом. бюлл. Иркутского СНХ, 1962. № 2.
16. Рябцев А.Д., Коцупало Н.П. Вахромеев А.Г. Высокоминерализованные рассолы - перспективное сырье для получения брома и бромпродуктов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых - 2003. - №5. - С. 105113. / Journal jf Miming Science, USA.
17. Рябцев А.Д. Разработка технологии обогащения гидроминерального ли-тийсодержащего сырья // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. - 2005. - № 6. - С 93-94.
Рецензент кандидат геолого-минералогических наук гвенного технического университета Ю.Н. Диденков
