Рациональная технология бурения разведочных скважин для создания полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов

Актуальность работы. Предупреждение вредного воздействия токсичных, в том числе и радиоактивных промышленных стоков (РАО) на человека является одной из важнейших проблем первой половины XXI века. Восстановление природного равновесия, нарушенного человеком, в том числе при образовании отходов, является крупной задачей современности и ближайшего будущего.

Бурение разведочных скважин предшествует разработке технологии создания эксплуатационных скважин на полигонах подземного захоронения промстоков.

Разведочные скважины полигонов захоронения существенно отличаются от типовых геологоразведочных, нефтегазовых и гидрогеологических в части требований к их надежности по разобщению горизонтов, качеству изоляционных материалов и контролю технического состояния, так как они служат для разработки технических требований для сооружения эксплуатационных скважин. Это скважины специальной конструкции, учитывающей как технологию их сооружения, геологические условия бурения крепления и освоения, так и характеристики подземных вод. Скважины, как основной элемент системы глубинного захоронения, являются наиболее ответственными сооружениями и определяют эффективность работ по захоронению. От их конструкции, технического состояния и режимов эксплуатации в значительной степени зависит эффективность и безопасность захоронения.

Недра, ранее использующиеся только для извлечения полезных ископаемых, в настоящее время играют важную роль для глубинного захоронения промышленных стоков на специальных полигонах. Основу инженерного комплекса полигонов захоронения как РАО, так и вредных промстоков различных производств, составляют подземные сооружения — буровые скважины различного назначения: разведочные и эксплуатационные.

Эффективность сооружения эксплуатационных скважин полигона, обеспечивающих соблюдение экологических требований, во многом определяет технология бурения разведочных и является актуальной задачей.

Цель работы. Разработка рациональной технологии сооружения разведочных скважин для типовых гидрогеологических условий с целью повышения технико-экономической эффективности и экологической безопасности сооружения разведочных скважин на полигонах для захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Идея работы.

Разработка эффективной технологии бурения разведочных скважин для комплексного решения задач, обеспечивающих сооружение эксплуатационных скважин полигонов подземного захоронения в типовых гидрогеологических условиях с минимальным экологическим риском.

Объект исследований.

Эффективная технология, бурения разведочных скважин применительно к конкретным геологическим и гидрогеологическим характеристикам, как основа для проектирования и сооружения специальных скважин полигонов захоронения токсичных и радиоактивных отходов.

Задачи исследований.

1. Изучение опыта сооружения и эксплуатации скважин полигонов подземного захоронения (11 113) токсичных промышленных стоков (промстоков), и жидких радиоактивных отходов в различных геолого-гидрогеологических условиях с целью оптимизации их проектирования и строительства.

2. Разработка типовой конструкции специальной разведочной скважины с учётом количества спускаемых обсадных колонн, глубины их установки, диаметра и материала применяемых обсадных труб, диаметра и конструкции долот для бурения под каждую колонну, высоты подъёма тампонажного раствора в затрубном пространстве и минимизации степени экологического риска с целью обеспечения безаварийного и качественного строительства и эксплуатации скважины.

3. Разработка рациональной гидравлической программы сооружения специальных разведочных скважин, обеспечивающих снижение репрессии на разбуриваемые пласты и пластколлектор для предупреждения потери устойчивости скважины, расчета величины гидравлических давлений при спуске бурильной и обсадных колонн, работе гидромониторных долот и оценки величины скин-эффекта.

4. Разработка рациональной технологии бурения скважин и цементирования обсадных колонн, в том числе «хвостовиков», обеспечивающих высокую производительность при снижении репрессии на пласт-коллектор и степени его загрязнения.

Методика исследований.

При решении поставленных задач применялся комплексный метод исследований, включающий анализ и обобщение опубликованных работ по выбранной теме, а также теоретические, стендовые и экспериментально-производственные исследования с применением современных методов прикладной математики.

Обработка данных исследований, в том числе практических данных при проектировании и строительстве специальных скважин, производилась с использованием персонального компьютера.

Научная новизна исследований.

1 .Установлена зависимость критической температуры нагрева труб фильтровой колонны при эксплуатации скважины от длины обсадной трубы, удельного момента инерции и коэффициента линейного расширения материала трубы, позволяющая определять величину прогиба фильтровой трубы от температуры нагрева.

2. Уточнена формула Мариотта применительно к расчёту обсадных труб на внутреннее давление с учётом их овальности и установлено условие появления потери продольной устойчивости овальных обсадных труб, используемое для проведения проектных расчётов.

3. Выявлена зависимость силы взаимодействия между обсадной трубой и цементным кольцом в однослойной крепи от распределённых нагрузок после 6.

ОЗЦ и в период эксплуатации, позволившая определить зазор между трубой и цементным кольцом после выравнивания давлений в обсадной колонне и за колонной между трубой и цементным кольцом.

4. Установлена зависимость прочности материала цементного кольца для трёхслойной крепи от диаметров обсадных труб внешнего избыточного давления, модулей упругости, толщины слоёв крепи, объёма цементного геля, степени гидратации цемента, удельного объёма исходного цемента, водоцементного отношения, удельного объёма каппилярных пор, массы и удельного объёма инертного наполнителя, массы цемента, позволившая определить рациональную прочность материала цементного камня крепи.

5. Определена закономерность изменения. минимально допустимого значения репрессии и показателя скин-эффекта на вмещающий коллектор при бурении и цементировании эксплуатационной колонны, что позволило разработать рациональную гидравлическую программу вскрытия пласта — коллектора.

Практическая ценность диссертации.

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований:

1. Разработаны и реализованы временные технические условия ВТУ 0227 на бурение, крепление, опробование и приемку скважин всех назначений полигона подземного захоронения отходов на площадке 27 предприятия п/я А3487 (горно-химического комбината, г. Железногорск).

2. Разработана и реализована эффективная конструкция насадки гидромониторного трехшарошечного долота, конфузорная конструкция которой позволяет получить гидромониторный эффект при отношении длины прямолинейного участка канала насадки к диаметру канала на выходе, равном 051-Ю, 53.

3. Разработана и реализована технология, обеспечивающая герметичное соединение фильтровой и глухой секций эксплуатационной колонны из труб коррозионностойких сталей для эксплуатационных скважин площадки 27, с применением которой пробурено 29 скважин различного назначения с общим объемом бурения 22 370 м.

4. Приведенные в работе теоретические и экспериментальные материалы рекомендуются к практическому применению в производственных условиях также для скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые.

5. Результаты исследований могут быть использованы в учебных процессах в рамках курса «Бурение разведочных скважин на жидкие и газообразные полезные ископаемые».

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций.

Защищаемые научные положения и практические рекомендации обоснованы необходимым объёмом теоретических, лабораторных и экспериментально-производственных исследований, а также проверкой основных защищаемых положений, выводов и рекомендаций в производственных условиях и достаточной сходимостью экспериментальных данных и результатов теоретических исследований. При проведении исследований в лабораторных условиях были рассчитаны конструктивные параметры стендов имитирующих приза-бойные условия и контакт цементного камня с обсадной колонной.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных международных научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников, аспирантов и студентов РГГРУ имени Серго Орджоникидзе «Новые идеи в науках о земле», «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и освоении месторождений полезных ископаемых на рубеже XX—XXI вв. (2003, 2004, 2005, 2006, 2007 и 2008 г. г.).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 11 опубликованных работах, поданы четыре заявки на предполагаемые изобретения, которые находятся на рассмотрении в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 61 наименования. Диссертация содержит 11 таблиц и 38 рисунков.

5.5. Основные выводы и рекомендации.

1. На основании исследований разработаны и внедрены технические решения и технико-технологические рекомендации по рациональной конструкции и технологии бурения разведочных и эксплуатационных скважин, обеспечивающие герметичность обсадных колонн и надёжную изоляцию затрубного пространства и водоносных горизонтов в течение всего времени эксплуатации скважин на основе применения рациональных конструкционных материалов обсадных труб, новых рецептур цементного раствора и усовершенствованной технологии их цементирования.

2. Установлена зависимость, описывающая изменение механической скорости бурения во времени от режимных параметров, физико-механических свойств буримых горных пород с учетом напряженного состояния забоя от взаимодействия с породоразрушающими элементами бурового долота и уточненной гидравлической программы вскрытия водоносных горизонтов.

На основании этой зависимости даны рекомендации по выбору наиболее эффективных типов шарошечных долот для бурения в конкретных геолого-технических условиях.

3. Предложена классификация видов контроля технического состояния скважин.

В дополнение к известным методам контроля качества изоляции затрубного пространства при эксплуатации специальных скважин, а также нефтегазовых и гидрогеологических разработан и рекомендуется гелиеметрический метод.

4. Разработанные рекомендации по совершенствованию технологии сооружения разведочных скважин внедрены в производство при бурении эксплуатационных скважин на полигоне подземного захоронения радиоактивных и токсичных отходов с получением значительного экономического эффекта при снижении экологических рисков.

Для совершенствования технологии бурения разведочных скважин необходимо:

— дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных методов исследований механизации разрушения горных пород шарошечными долотами;

— разработка компьютерных технологий проектирования и выбора поро-доразрушающего инструмента и режимов бурения им.