СПОСОБ ЛИКВИДАЦИИ ЗАМОРАЖИВАЮЩИХ И КОНТРОЛЬНЫХ СКВАЖИН ПРИ УСТРОЙСТВЕ ШАХТНЫХ СТВОЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОСТРУЙНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR ELIMINATING FREEZING AND CONTROL WELLS WHEN INSTALLING MINE SHAFTS USING HYDROJET TECHNOLOGY AND A SYSTEM FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности. Предназначено для производства работ по ликвидации скважин с поверхности земли на глубину до 800 метров.
В технике известны различные способы для ликвидации замораживающих скважин.
Так, из уровня техники известно проведение перфорации гидромеханическим прокалывающим перфоратором при ликвидации замораживающих колонок, описанное в патенте RU 2087685. Способ включает спуск в скважину на геофизическом кабеле перфоратора с камерой, инструментом для формирования канала, гидронасосом с электродвигателем, создание давления в камере, перемещение инструмента, формирование канала и возврат инструмента, отличающийся тем, что камеру перфоратора выполняют с отделом низкого давления, накопительной масляной емкостью, золотником, подпружиненной и связанной между собой парой поршень шток, помещенной в отделе камеры низкого давления и образующей под штоком отдел камеры высокого давления, который имеет рабочий поршень и инструмент для формирования канала, помещенный на рабочем поршне, при этом давление в камере создают в ее отделе низкого давления, передают его в накопительную масляную емкость и под поршневое пространство пары поршень - шток через золотник, перемещение инструмента осуществляют за счет перемещения рабочего поршня под давлением в отделе камеры высокого давления, а возврат инструмента осуществляют под действием пружины и давления жидкости в скважине.
Технической проблемой аналога является недоход перфоратора до заданной глубины, падение давления и появление полной циркуляции при проведении перфорации вследствие порыва ГНКТ (гибкого шланга) без падения веса, а также обрыв ГНКТ (гибкого шланга) с перфоратором и падение веса.
Известно проведение сверлящей перфорации при ликвидации замораживающих колонок, описанное в патенте RU 2298644. Способ заключается в том, что в заданный интервал скважины спускают устройство для перфорации, которое выполняют в виде корпуса с продольным фигурным пазом и радиальным каналом с проточкой, выдвижного гибкого отклонителя с помещенным в нем гибким валом с режущим инструментом в нижней части, узла торможения нижней части гибкого вала и узла прижатия и фиксации устройства к стенке скважины, после чего прижимают и фиксируют устройство к стенке скважины, передают вращение гибкому валу и при ограниченном осевом перемещении притормаживают движение гибкого вала в нижней части в зоне режущего инструмента, увеличивают продольную жесткость гибкого вала, чем устраняют его крутильные колебания и при увеличении осевого усилия на гибкий вал увеличивают радиус его искривления, затем при рабочих режимах осевой подачи и стабильного вращения приторможенного вала осуществляют перфорацию неоднородной среды скважины.
Технической проблемой аналога является то, что сверление колонны и горной породы снижает надежность работы, усложняет конструкцию. Криволинейный направляющий канал с малым радиусом ограничен габаритами и конструкцией устройства, возникают большие знакопеременные нагрузки на гибкий вал и режущий инструмент, кроме того, сверление под углом приводит к разрушению режущего инструмента и гибкого вала.
Известно проведение прострелочно-взрывных работ при ликвидации замораживающих колонок по патенту RU 2065932. Способ включает снаряжение перфоратора, спуск перфоратора в скважину, установку перфоратора в заданном интервале глубин разреза и перфорацию интервала с заданной плотностью отверстий.
Технической проблемой аналога является то, что конструктивные особенности перфораторов не содержат возможности снижения негативного воздействия залповой перфорации на техническое состояние колонны обсадных труб и целостность цементного камня в затрубном пространстве скважины.
Высока вероятность непрострела при простреле колонны из 2 и более обсадных труб.
Наиболее близкими к предлагаемому нами решению являются механизмы и способы, описанные в патенте RU 151088U, опубл.: 20.03.2015, при гидропескоструйной перфорации скважин. Так, в прототипе отражено, что перфоратор спускают в скважину на заданную глубину. В колонну НКТ с устья скважины опускают шар опрессовочного клапана, который садится в седло на торце перфоратора, и проводят опрессовку колонны на прочность и плотность. Далее обратной промывкой вымывают опрессовочный шар. Затем в колонну НКТ опускают шар рабочего клапана перфоратора, который садится в седло на торце хвостовика, после чего поток жидкости при закачке в НКТ может выходить только через насадки, закрепленные в перфораторе при помощи держателей. Насадки устанавливают напротив нефтенасыщенного интервала пласта. В НКТ закачивают при помощи насосов технологическую жидкость, обычно воду, с кварцевым песком под расчетным давлением. Струя с абразивом разрушает обсадную колонну, цементный камень и пласт, образуя в пласте грушевидный канал диаметром до 5 см и длиной 20-30 см, по которому нефть в дальнейшем фильтруется из пласта в скважину. Обратный поток жидкости через кольцевое пространство между НКТ и обсадной колонной выносит отработанный песок с кусочками выработанной породы на поверхность. По окончании перфорации на горизонте обратной промывкой вымывают рабочий шар перфоратора и промывают забой скважины от осевшего песка через хвостовик.
Применение в прототипе гидропескоструйного перфоратора с тремя насадками, повернутыми друг относительно друга на 120°, позволяет за одну установку перфоратора прорезать три канала, а разнесение насадок по оси перфоратора на 400 мм позволяет вскрыть за один рез метр пласта. Смещение оси насадки от перпендикуляра на 2° вниз позволяет снизить противодействие режущей струе со стороны отраженной струи, увеличивая при этом глубину перфорационного канала.
Технической проблемой прототипа является то, что известная технология описывает разрушение с помощью подаваемой под высоким давлением водопесчаной смеси стенок скважины и слоя цементного камня ее окружающего, а затем горных пород вокруг скважины. Закачка водоцементной смеси монитором при этом не производится, сама скважина при этом цементным раствором не заполняется, грунт вокруг скважины не укрепляется. Поэтому, известный метод применяется для повышения отдачи скважины.
Отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что предлагаемое изобретение основано на разрушении (перфорации) стенок скважины водоцементной смесью, подаваемой под высоким давлением в монитор, закреплении этой смесью массива слабого грунта в затрубном пространстве и заполнении полного сечения буровой скважины цементным раствором. Кроме того, перфорация сердечника скважины и заполнение затрубного пространства водоцементной смесью происходит в заявленном изобретении с использованием гидроструйной технологии.
Техническим результатом изобретения является заполнение полости скважины цементным раствором, обеспечение ее сплошности и устойчивости окружающего массива грунта. Также, экономится время на ликвидацию замораживающих и контрольных скважин, а также исключается засорение скважины и призабойной зоны пласта, и не требуется дополнительных операций на промывку скважины.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен способ ликвидации замораживающих и контрольных скважин при устройстве шахтных стволов, характеризующийся гидропескоструйной перфорацией скважин, с опусканием перфоратора в скважину на заданную глубину и перфорацией обсадной трубы скважины и заполнение затрубного пространства водоцементной смесью, отличающийся тем, что перфорацию обсадной трубы  скважины водоцементной смесью осуществляют гидроструйным способом. Процесс ликвидации скважин осуществляют в последовательности этапов:
- на поверхности устанавливают насосный агрегат, смеситель;
- перед спуском гидромонитора на заданный интервал производят шаблонирование замораживающей или контрольной скважины и устье скважины обвязывают арматурой, обеспечивающей возможность собирать скважинную жидкость в замораживающей галерее; при необходимости осуществляется сбор попутных газов;
- на тросе через существующее устье обсадной замораживающей колонны спускают гидроструйный монитор до уровня чуть выше конечной глубины скважины, причем во время спуска гидромонитора к тросу крепят гибкий шланг (рукав высокого давления) для подачи цементной смеси (раствора);
3
- проводят гидроперфорацию, при помощи энергии цементной смеси, содержащей 750 - 1000 кг цемента на 1 м жидкости;
- гибкий шланг (рукав высокого давления) промывается с изливом через устье скважины;
- устье скважины герметизируется, через цементировочную головку производится закачка цементной смеси (раствора) в пласт, через перфорационные отверстия;
- начала схватывания цемента в течение 2-3 часов;
- гибкий шланг с гидромонитором повторно спускают на пять метров выше интервала перфорации и производят промывку скважины с целью извлечения цементного раствора распространенного выше ликвидируемого интервала пласта;
- гибкий шланг (рукав высокого давления) вместе с гидромонитором поднимают, устанавливая  на следующий интервал;
- все этапы процесса повторяют в отношении всех скважин, совершая движение по кругу.
Система, реализующая вышеописанный способ содержит насосный агрегат высокого давления, подключенный через гофрированный шланг к смесителю, имеющему цементный силос с миксерной станцией, где смеситель подключен гидравлическим рукавом к емкости для отработанного раствора через перистальтический насос, выход которого по гидравлическому рукаву связан с емкостью для жидкости; также содержит универсальный подъемный механизм для колонки в виде барабана лебедки и барабана намотки троса, размещаемые на опорах, причем к головке колонки подведен гибкий рукав высокого давления на 400-770 атмосфер, который подключен к насосному агрегату высокого давления для подачи смеси из смесителя; все электропитание оборудования имеет подключение через электрический распределительный шкаф, подключенный к точке питания электроэнергией.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показана схема примера реализации изобретения - план расположения оборудования для реализации способа (вид сверху).
На Фиг.2 показан вертикальный разрез скважины по срезу А-А схемы Фиг.1 (увеличенный) на этапе перфорации.
На Фиг.3 показан вертикальный разрез скважины по срезу А-А схемы Фиг.1 (увеличенный) при герметизации скважины.
На чертежах: 1 - барабан лебедки, 2 - емкость для отработанного раствора, 3 - направление движения, 4 - насосный агрегат, 5 - смеситель, 6 - емкость для жидкости, 7 - гофрированный шланг, 8 - маслостанция, 9 - перистальтический насос, 10 - силос цемента, 11 - электрический распределительный шкаф, 12 - гидравлические рукава, 13 - рукав высокого давления, 14 - замораживаемая скважина, 15 - нижняя отметка обсадной трубы, 16 - пятый горизонт перфорации, 17 - четвертый горизонт перфорации, 18 - третий горизонт перфорации, 19 - второй горизонт перфорации, 20 - первый горизонт перфорации, 21 - конечная глубина скважины, 22 - гидромонитор, 23 - барабан лебедки, 24 - существующая замораживающая колонна , 25 - ручная лебедка, 26 - окончание перфорации на горизонте, 27 - перфорационные отверстия к стволу и от ствола.
Осуществление изобретения
Способ ликвидации скважин состоит из следующих этапов.
1. На поверхности устанавливают насосный агрегат 4, смеситель 5 (см. Фиг.1).
2. Перед спуском гидромонитора 22 (см. Фиг.2) на заданный интервал производится шаблонирование замораживающей 14 или контрольной скважины (шаблоном диаметром не менее диаметра гидромонитора).
3. До спуска гидромонитора 22 устье скважины 14 обвязывают арматурой, обеспечивающей возможность собирать скважинную жидкость в замораживающей галерее.
4. На тросе через существующую замораживающую колонну 24 колонки спускают гидроструйный монитор 22 до уровня чуть выше конечной глубины скважины 21. Расположение гидромонитора 22 относительно вскрываемого пласта определяют с помощью механического, либо электронного счетчика, либо с точным измерением длины троса с помощью рулетки, на которых спускают гидромонитор. Во время спуска гидромонитора 22 к тросу «клямсами» крепят гибкий шланг через который будет осуществляться подача раствора.
5. Герметизация во время перфорации по предлагаемой технологии не производится.6. Проведение гидроперфорации (см. Фиг.2).
3
• Закачивают цементную смесь, содержащую 750-1000 кг цемента на 1 м жидкости. Фракционный состав цемента не изменяется.
• При вскрытии замораживающих и контрольных скважин в качестве жидкости используется пресная вода
• Подача насосов составляет 2-4 л/с, что обеспечивает скорость истечения из насадок перфоратора 200-260 м/с при перепаде давления на них 18-22 МПа.
• Водоцементная смесь образует углубления в стенке замораживающей или контрольной скважины со скоростью 0,6-0,9 мм/с.
• На обработку одного интервала пласта затрачивают 0,5-1,5 мин, после чего прокачку смеси прекращают и гибкий шланг вместе с гидромонитором поднимают, устанавливая у следующего интервала.
• Процесс перфорации повторяют, совершая движение в направлении 3.
• Одной из основных задач в процессе перфорирования является поддержание закачки цемента в пласт, а также создание цементной рубашки по горизонтам радиусом не менее одного метра от центра скважин.
7. После прорезания верхних отверстий пласта в замораживающей 14 или контрольной скважине производится подъем перфоратора с гибким шлангом на устье скважины.
8. Гибкий шланг промывается с изливом через устье скважины.
9. Устье скважины герметизируется, через цементировочную головку производится закачка цементной смеси (раствора) в пласт, через перфорационные отверстия 27 (см. Фиг.3). Давление закачки раствора определяется в каждом случае индивидуально, в зависимости от горизонта.
10. Ожидание схватывания цемента в течение 2-3 часов.
11. Гибкий шланг с гидромонитором 22 повторно спускается на отметку, которая на 2-5 метров выше интервала перфорации и производится промывка скважины с целью извлечения цементного раствора, который находится выше ликвидируемого интервала пласта.
12. Гибкий шланг с гидромонитором 22 извлекается из замораживающей 14 или контрольной скважины на поверхность.
Сущность гидроструйной перфорации заключается в том, что гидромонитор 22, спущенный в скважину на гибком шланге и привязанный к заданному интервалу глубин с помощью счетчика расположенного на барабане лебедки 1, оснащенный необходимым количеством сопел, позволяет сформировать в обсадной колонне определенное количество отверстий и воздействует через них высоконапорными струями жидкости вскрытия, разрушает цементное кольцо и породу в призабойной зоне с образованием каверн.Гидроструйный монитор 22 представляет собой корпус из стального сплава с четырьмя форсунками из твердых сплавов с фазировкой 90 градусов. Форсунки находятся на одной горизонтальной оси. При прокачке смеси через форсунки с определенным расходом достигается необходимая скорость струи при расчетном давлении (400-770) атм. Перепад давления жидкости на насадке, без учета потерь на трение в гибком шланге составляет 10-12 МПа при диаметре сопла 2,0-2,5 мм.
При гидроструйной перфорации в качестве абразива применяется цементная смесь, которая в дальнейшем закачивается в пласт. Для проведения работ необходим гидромонитор 22, гибкий шланг, насосный агрегат 4, смеситель 5, емкости для жидкости 6, а также жидкость – носитель и цемент. В качестве жидкости - носителя используют воду (допускается замес тампонажного раствора на соленном рассоле или с добавлением присадок для придания раствору нужных свойств). При работах в интервале непродуктивного пласта обычно используют пресную воду. Концентрация цемента должна составлять 750-1000 г/литр.
Процесс гидроструйной перфорации осуществляют последовательно с нижних интервалов 20, 19, 18 на верхние 17, 16. Компоновка оборудования, следующая: переходник - гибкий шланг, механический разъединитель, гидроструйный монитор 22. Перфорация интервалов и закачка цемента в пласт происходит последовательно. Продолжительность процесса при точечном вскрытии составляет не более 1,5 мин.
Для перфорации сердечника используется высоконапорная струя с абразивными частицами. Пространственное положении точек перфорации контролируется с помощью считывающего устройства, интервал точек перфорации 20 см.
Перфорационные отверстия 27 числом до пяти или более  выполняют к стволу и от ствола от первого уровня перфорации 20 до уровня 26 окончания перфорации на горизонте, затем на каждом следующем уровне выше: 19, 18, 17, вплоть до верхнего 16, причем на верхнем уровне 16 самое верхнее перфорационное отверстие 27 к стволу и от ствола находится ниже, чем край нижней отметки 15 обсадной трубы.
Такой способ вскрытия практически исключает отрицательное воздействие взрывных нагрузок на пласт и на эксплуатационную колонну, а получаемые отверстия значительно больше, чем при использовании кумулятивных зарядов при аналогичных условиях. Кроме того, возможно проведение работ по технологии гидроструйной перфорации практически в любых скважинах: большая кривизна скважины, наличие двух колонн в компоновке, диаметры колонн от 73 до 325 мм.
Перфорация и заполнение полости скважины выполняется с помощью одного комплекта оборудования.
За счет того, что перфорация обсадной трубы скважины происходит с использованием гидроструйной технологии,  а заполнение затрубного пространства водоцементной смесью с помощью низконапорной инъекции, обеспечивается экономия время на ликвидацию замораживающих и контрольных скважин, а также исключается засорение скважины и призабойной зоны пласта.
Оборудование подачи бетонной смеси состоит из насосного агрегата 4 струной цементации (насос высокого давления), цементного силоса 10 с миксерной станцией, а также универсальный подъемный механизм в виде барабана лебедки 1 и барабана намотки троса 23, размещаемые на опорах.
На резку трубы в ходе выполнения работ используется раствор на абразиве из цемента с водоотношением 1. Цемент используется  классом не ниже 32,5. Давление используемое для резки трубы может быть разным в зависимости от глубины и составлять от 450 до 700 атм. Диаметр форсунки может быть от 2 до 3 мм. В ходе работ применяется гибкий рукав 13 высокого давления на 400-770 атмосфер, подключаемый к насосному агрегату 4. Отведение отработанного раствора осуществляется в емкость для жидкости 6 по гидравлическому рукаву 12. Аналогичный гидравлический рукав 12 используется для подачи масла от маслостанции 8 на участок выполнения работ в колонне.
Электропитание оборудования ведут через электрический распределительный шкаф 11, подключенный к точке питания электроэнергией.
Гидромониторы 22 опускаются в скважину с помощью универсального подъемного устройства, например, ЧПМ-300 по РВД (рукав высокого давления) и тросу, присоединенных к гидромонитору 22.
Подача воды на миксерную установку смесителя 5 осуществляется от точки подключения воды.
Расположение маслостанции 8, электрического шкафа 11, перистальтического насоса 9 и другого оборудования может быть изменено в процессе производства работ.
Емкость для сбора отработанного раствора 2 может быть заменена на три аналогичные емкости меньшего объема.
Ручная лебедка 25 рычажного типа используется при выполнении несложных монтажных работ на скважине.