Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Повышение эксплуатационной надежности и экологической безопасности строительства и эксплуатации водозаборных скважин (литературный обзор) 12
1.1. Особенности проектирования и эксплуатации водозаборных скважин 12
1.2. Призабойная зона водозаборных скважин, её элементы и функции 14
1.3. Причины ухудшения эксплуатационных характеристик водозаборных скважин 21
1.4. Закономерности проявления эффекта кольматации призабойной зоны водозаборных скважин 22
1.5. Современные физико-химические методы повышения эксплуатационной надежности и экологической безопасности строительства и эксплуатации водозаборных скважин 23
Выводы по главе 1 31
Глава 2. Моделирование процессов и установление условий экологически безопасной эксплуатации водозаборных скважин 33
2.1. Анализ условий моделирования процессов экологически безопасного строительства и эксплуатации водозаборных скважин 33
2.2. Моделирование загрязнения и очистки призабойной зоны в процессе строительства и эксплуатации водозаборных скважин 34
2.3. Методика экспериментальной оценки влияния буровых растворов и промывочных жидкостей на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин 40
Выводы по главе 2 44
Глава 3. Исследование влияния буровых растворов на кольматацию призабойной зоны и разработка эффективных биополимерных систем, обеспечивающих экологически безопасноестроителбство водозаборных скважин 45
3.1. Исследование буровых растворов используемых в современной практике строительства водозаборных скважин 46
3.2. Изучение влияния состава и свойств ингибирующих биополимерных буровых растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин 49
3.3. Разработка эффективных ингибирующих биополимерных буровых растворов с мраморной крошкой, обеспечивающих экологически безопасное строительство водозаборных скважин 59
Выводы по главе 3 73
Глава 4. Анализ закономерностей и разработка эффективных кислотных растворов обеспечивающих восстановление проницаемости в призабойной зоне водозаборных скважин 75
4.1. Анализ закономерностей и факторов влияющих на эффективность кислотных обработок 77
4.2. Разработка эффективных соляно-кислотных растворов, обеспечивающих эффективное восстановление проницаемости призабойной зоны и продуктивности водозаборных скважин 83
Выводы по главе 4 97
Заключение 98
Список используемых литературных источников 100
- Закономерности проявления эффекта кольматации призабойной зоны водозаборных скважин
- Моделирование загрязнения и очистки призабойной зоны в процессе строительства и эксплуатации водозаборных скважин
- Изучение влияния состава и свойств ингибирующих биополимерных буровых растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин
- Разработка эффективных соляно-кислотных растворов, обеспечивающих эффективное восстановление проницаемости призабойной зоны и продуктивности водозаборных скважин
Введение к работе
Актуальность работы. В России за последние 100 лет централизованным водоснабжением были обеспечены почти 99,8% городов и 88% поселков городского типа. Однако на практике высокая централизация систем водоснабжения (единый общегородской водозабор, единая водоочистная станция и т.д.) создает опасность тяжелых последствий при возникновении чрезвычайных ситуаций. В проектах Федеральных законов: «О питьевой воде и питьевом водоснабжении» и «О безопасности водоснабжения», в «Концепции водоснабжения Волгоградской области «Чистая вода» (2009-2020гг.) и других документах предпочтение отдается использованию подземных вод, а там, где используется поверхностный источник, на случай чрезвычайных ситуаций рекомендуется строительство резервного, дополнительного забора подземных вод, который обеспечивает население питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве, снижение риска для здоровья, улучшение уровня жизни населения, и повышение качества предоставления коммунальных услуг.
В настоящее время, резервные водозаборы подземных вод работают в Брянске, Зеленограде, Кемерове, Нижнем Новгороде, Томске, Тюмени и др. Однако, многие крупные города не имеют резервных водоисточников для действующих систем водоснабжения (Барнаул, Новосибирск, Омск и др.), что с точки зрения безопасности недопустимо. Кроме того, там, где резервные водоисточники используются, не решены вопросы обеспечения их безопасного строительства и эксплуатации, обусловленные комплексом физико-химических процессов кольматации происходящих в призабойной зоне водозаборных скважин.
Полностью предотвратить явление кольматации пласта в процессе строительства и эксплуатации скважин невозможно. Поэтому, основным направлением работы стала разработка методов воздействия на призабойную зону максимально сохраняющих (восстанавливающих) её проницаемость. При этом необходимым условием является обеспечение экологической безопасности использования таких технологических жидкостей в системах водоснабжения городских комплексов.
Цель работы: повышение эксплуатационной надежности и экологической безопасности строительства и эксплуатации водозаборных скважин, за счет снижения эффекта кольматации в призабойной зоне.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие основные задачи:
- изучение современного состояния инженерно-технического обеспечения эффективности водоснабжения городских комплексов из подземных источников;
- анализ средств и методов обеспечения эксплуатационной надёжности и экологической безопасности водозаборных скважин;
- обобщение закономерностей и обоснование условий моделирования фильтрационных процессов, происходящих в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- установление основных факторов, снижения проницаемости в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- исследование влияния состава и свойств буровых растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин;
- разработка составов буровых растворов, эффективно сохраняющих (восстанавливающих) естественную проницаемость призабойной зоны при строительстве водозаборных скважин и обеспечивающих их дальнейшую безопасную эксплуатацию;
- изучение закономерностей, влияющих на взаимодействие растворов кислот с карбонатной породой пластов призабойной зоны водозаборных скважин;
- разработка эффективных составов кислотных растворов, восстанавливающих проницаемость призабойной зоны и увеличивающих продуктивность водозаборных скважин;
Основная идея работы состоит в повышении эксплуатационной надежности и экологической безопасности систем водоснабжения городских комплексов из подземных источников, путем разработки методов эффективно сохраняющих и восстанавливающих проницаемость призабойных зон водозаборных скважин.
Методы исследования включали: физическое и математическое моделирование изучаемых процессов, лабораторные и экспериментальные исследования свойств применяемых реагентов, пористых сред на установках, моделирующих пластовые условия, обработку полученных результатов методами математической статистики.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обоснована применением классических методов теоретического анализа, физического и статистического моделирования изучаемых процессов, и подтверждена удовлетворяющей сходимостью полученных экспериментальных данных с результатами других авторов.
Научная новизна работы состоит в том, что:
- определены закономерности обеспечения эксплуатационной надежности и экологической безопасности водозаборных скважин, за счет сохранения (восстановления) проницаемости в призабойной зоне водозаборных скважин;
- установлены основные факторы снижения проницаемости в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- получены результаты отрицательного влияния глинистых буровых растворов на проницаемость призабойной зоны водозаборных скважин;
- установлена способность биополимерных буровых растворов сохранять проницаемость в призабойной зоне водозаборных скважин;
- выбор фракционного состава и использование качественного закупоривающего материала позволяют предотвратить проникновение фильтрата и раствора в пласт, призабойную зону водозаборных скважин и максимально сохранить её проницаемость;
- впервые установлено, что эффективное сохранение проницаемости в призабойной зоне обеспечивается при использовании ингибирующих биополимерных буровых растворов с добавлением мраморной крошки;
- установлены факторы, определяющие эффективность взаимодействия растворов кислот с карбонатной породой пластов призабойной зоны водозаборных скважин;
- показано, что основным способом повышения эффективности кислотных обработок является применение реагентов, снижающих скорость реакции кислоты с карбонатной породой, что позволяет увеличить глубину проникновения кислотных растворов в призабойную зону водозаборных скважин;
- впервые, установлена способность соляно-кислотных растворов, на основе соляной кислоты, ингибитора и комплексообразователя глубоко проникать в пласт, восстанавливая при этом проницаемость призабойной зоны и продуктивность водозаборных скважин в 3-4 раза.
Практическая значимость работы:
- выполнена оценка современной водохозяйственной обстановки в городах и населенных пунктах, уровня надежности и безопасности источников водоснабжения;
- на основе экспериментальных исследований получены данные о современном состоянии процессов происходящих в призабойной зоне при строительстве и эксплуатации водозаборных скважин;
- выполнена экспериментальная оценка влияния различных по составу и свойствам методов на кольматацию пород призабойной зоны водозаборных скважин;
- разработаны рекомендации по выбору и обоснованию методов, повышающих надежность и экологическую безопасность эксплуатации водозаборных скважин.
Реализация результатов работы:
Работа проводилась в соответствии с комплексной Федеральной целевой программой «Экология и природные ресурсы России» (2002 – 2010 г.г.), Федеральной программой «Чистая вода», Федеральной национальной программой «Вода России XXI века», Федеральной Водной стратегией до 2020 года и тематическим планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Результаты исследований, включенные в диссертацию, были внедрены: в МУ ГУАОККОПС при оценке экологической безопасности водозаборных скважин, в ООО СП «Волгодэминойл» при подготовке технических заданий для разработки проектов по строительству и ремонту водозаборных скважин и в учебном процессе кафедрой «ПБ и ГЗ» ФГБОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно – строительный университет при подготовке инженеров по специальности: «Защита в чрезвычайных ситуациях».
На защиту выносятся:
- научная оценка закономерностей влияния состава и свойств растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин и разработка рекомендаций по её предотвращению или снижению;
- решение проблемы обеспечения надежности и экологической безопасности систем водоснабжения городских комплексов, за счет совершенствования методов строительства и эксплуатации водозаборных скважин, путем разработки составов буровых и промывочных жидкостей, осуществляющих сохранение (восстановление) проницаемости их призабойных зон;
- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность использования ингибирующего биополимерного бурового раствора для экологически безопасного строительства и проведения ремонтно-изоляционных работ водозаборных скважин;
- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие эффективность и экологическую безопасность использования соляно-кислотных растворов для восстановления проницаемости призабойных зон и продуктивности водозаборных скважин.
Апробация результатов работы: Основные положения и результаты работы докладывались и получили одобрение на: 43 - НТК ВолгГТУ (Волгоград 2006); III Междунар. НТК «Безопасность. Технологии. Управление». (Тольятти, 2009г.); Качество внутреннего воздуха и окружающей среды (г. Волгоград, 2009г.); Междунар. НК «Развитие теории и практики фундаментальных и прикладных наук» (Пенза, 2009г.); VI Междунар. НПК «Экологические проблемы современности» (Пенза, 2010г.), VII Междунар. НПК «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (Тольятти, 2010г.), Ежегодных НТК профессорско-преподавательского состава ВолгГАСУ (Волгоград, 2009-2011гг.), XI Междунар. НПК «Экология и ресурсо- и энергосберегающие технологии на предприятиях народного хозяйства» (Пенза, 2011г.), MNPK«Perspectywiczne opracowania sa nauka i technikami - 2011» (Poland, 2011).
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе: 4 изданиях, рекомендованных ВАК РФ и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и общих выводов, списка используемых литературных источников и приложений. Общий объем диссертации включает 148 страниц основного текста, содержавшего 30 таблиц, 40 рисунков, список используемых источников из 195 наименований и 5 приложений на 28 страницах.
Закономерности проявления эффекта кольматации призабойной зоны водозаборных скважин
Призабойная зона водозаборных скважин представляет собой совокупность взаимодействующих элементов: пористой среды, её основное функциональное назначение - хранение, обеспечение условий перемещения, и доставки воды; вода - вторая составляющая, заполняющая пористую среду.
Пористая среда является основным компонентом призабойной зоны, от которого зависит надежность и экологическая безопасность строительства и эксплуатации водозаборных скважин. Она состоит из множества твердых частиц, тесно прилегающих друг к другу, сцементированных или несцементированных, пространство между которыми заполнено природными флюидами, которые могут пребывать в состоянии покоя или двигаться [170]. Их движение происходит как вследствие естественных процессов, так и в результате деятельности человека, связанной с добычей воды [171].
Поровое пространство терригенных пород имеет сложную нерегулярную систему сообщающихся или изолированных межзеренных пустот с размерами пор, составляющими единицы или десятки микрометров -к капиллярным порам относят поры с диаметром больше 1 мк [68], а к микрокапиллярам - поры диаметром менее 1 мк.
В карбонатных породах система пор более неоднородна, кроме того, гораздо более развита система вторичных пустот, возникших после образования самой породы. Сюда относятся трещины, вызванные тектоническими напряжениями, а также каналы и каверны, возникшие благодаря растворению скелета породы водой, иногда сопровождающемуся химической реакцией. Протяженность трещин и размеры каверн могут намного превосходить размеры первичных пор [12,91,110].
Поровое пространство природного пласта, ввиду сложности и нерегулярности его структуры, можно рассматривать как подсистему с большим числом однородных элементов, слабо связанных между собой. Они могут быть описаны как некоторые сплошные среды, свойства которых не выражаются через свойства составляющих элементов, а являются усредненными характеристиками достаточно больших объемов среды.
Макроскопическое фильтрационное течение пластовых флюидов проявляется как совокупность множества отдельных микродвижений в неупорядоченной подсистеме поровых каналов (рис. 1.4). С возрастанием числа таких микродвижений начинают проявляться статистические закономерности, характерные для движения в целом, но не для одного порового канала или нескольких каналов. Это позволяет в качестве исходного допущения теории фильтрации, так же как и в гидродинамике принять, что пористая среда и насыщающие ее флюиды образуют сплошную среду и заполняют любой выделенный элементарный объем непрерывно (рис. 1.5).
Движение флюидов в пласте происходит с очень малыми скоростями, порядка микрометров в секунду и при наличии теплоотводящих поверхностей большого размера, процесс фильтрации с высокой степенью точности в большинстве случаев можно считать изотермическим. В то же время при фильтрации в горных породах возникает значительная сила трения. При движении флюидов в пустотном пространстве коллектора соприкосновение между твердым скелетом и жидкостью происходит по огромной поверхности.
Поверхность пористой среды состоит из различных минералов и теоретически может включать в себя все элементы периодической системы Д.И. Менделеева: алюминий, содержится в известняках в количестве 0,03 - 1,45 %, наиболее высокое его содержание в глинистой и легкой фракциях, несколько ниже в тяжелой фракции; барий находится в породе в виде примесей в минералах легкой фракции, его содержание может достигать десятых долей процента, в тяжелых фракциях - сотых долей; бериллий, является типичным элементом глинистой фракции в концентрации до 1 10"3 %, в стилолитовых швах - до гі 1ХҐ % [159]; содержание ванадия изменяется в пределах от 1,0 10"3 до 5,2 10 %; галлий находится в улътрарассеянном состоянии [160] в известняках и в глинистой фракции 1,0 10"3 %; железо является наиболее распространенным элементом земной коры (0,1 - 0,9 %) - в серошзетных известняках, находится в виде сульфидов, окислов; в стилолитовых швах и трещинах его содержание увеличивается до 5 %; кобальт в осадочных породах присутствует в небольших количествах, так, в известняках Урало - Поволжья его концентрация колеблется от 2,3 10" до 1,1 10-3 %, в доломитах от 9,5 10"5 до 2,5 10 4 % [141,172]; кремний присутствует во всех компонентах породы (до 10 %) - фракциях нерастворимого осадка, веществах, заполняюших трешинки и стилолитовые швы, золе нефти, сухих остатках подземных вод, в пластовых водах кремний присутствует в количестве тысячных долей процента, в золе нефти - до нескольких процентов; марганец в осадочных породах присутствует в виде окислов, его содержание составляет сотые доли процента, также встречается в стилолитовых швах и трещинах; распределение молибдена в сероцветных неокисленных образцах находится в определенной зависимости от присутствия сульфидной серы и органического вещества в пределах п 10 ... п 10"2 %, в окисленных породах - п 10" %; никель в осадочных породах присутствует в небольших количествах, в известняках концентрация его составляет от 2,6 10 3 до 3 10 % 53,54], для песчаников в 1,5 - 3,0 раза ниже; олово и серебро являются редкими элементами, и обнаружены они в глинистых фракциях в концентрации тысячных долей процента; стронций присутствует в одних и тех же количествах как в бурых, так и в сероцветных известняках, в битуминозных образованиях - п 10 3 %; титан содержится в породе в виде минералов, его концентрация составляет тысячные доли процента; хром присутствует в небольших количествах в концентрациях до 10 %, в глинистой фракции его содержание составляет тысячные доли процента, в окисленных бурых образцах, как и в не окисленных, концентрация хрома находится в зависимости от количества сульфидной серы; цирконий в карбонатных породах содержится в виде циркона в небольших количествах менее 5,0 10 %; цинк присутствует вместе с барием, его концентрация доходит до сотых долей процента [170,17Ц.
Моделирование загрязнения и очистки призабойной зоны в процессе строительства и эксплуатации водозаборных скважин
Моделирование загрязнения и очистки призабойной зоны в процессе строительства и эксплуатации водозаборных скважин было разделено на две части. Первая часть описывает процесс внедрения фильтрата бурового раствора в течение бурения водозаборной скважины в водоносном пласте. Во второй части моделируется удаление фильтрационной корки, восстановление проницаемости призабойной зоны водозаборных скважин.
Для оценки внедрения фильтрата в процессе строительства и удаления (смыва) фильтрационной корки при освоении водозаборной скважины использовалась модель двухфазного течения. Для этого принимается, что проницаемость в зоне образования фильтрационной корки (внедрения) твердой фазы для призабойной зоны определена с помощью экспериментальных исследований.
В случае использования бурового раствора на водной основе при строительстве водозаборных скважин фильтрация флюидов в околоскважинной зоне может быть описана следующими выражениями двухфазного течения: { ё/dt (mpBSB)=div((pBKk0BAOB)/ B), (2.)) SB=1 где Фв - дифференциальное давление (фильтрационный потенциал) воды; р - пластовое давление, Па; SB - водонасыщенность; К - тензор абсолютной проницаемости; к - коэффициент относительной проницаемости для воды, м ; g - ускорение свободного падения, м/с ; т -пористость.
Принимается, что подвижность воды в пласте практически отсутствует как при состоянии насыщения остаточной воды. Свойства фильтрата, поступающего в пласт и учитываемые в рассмотренных выражениях, принимаются соответствующим свойствам воды. Такое допущение, возможно, принять для больщинства типов буровых растворов, как показано в работах [78-84].
Для моделирования фильтрации жидкости и рещения уравнения 2.1 принята цилиндрическая система координат г0х (рис. 2.1): г - радиальное направление, перпендикулярное оси ствола скважины; 0 - угловые координаты и х - направление вдоль оси ствола скважины. Рис. 2.1. Цилиндрическая система координат при моделировании призабойной зоны скважин
Фильтрационная корка, осадок твердой фазы, образовавшийся в процессе фильтрации бурового раствора в пласт условно разделена на внутреннюю, расположенную на стенке ствола скважины и наружную -твердые частицы, внедрившиеся в поровое пространство пористой среды вблизи стенки ствола скважины (рис. 2.2.).
Моделирование внедрения фильтрата бурового раствора, т.е. загрязнение призабойной зоны буровым раствором характеризуется четырьмя основными факторами [145,149]: 1) проницаемость и толщина наружной фильтрационной корки; 2) снижение абсолютной проницаемости в зоне, занятой внутренней коркой; 3) глубина проникновения фильтрата; 4) изменение функции насыщения в зоне проникновения фильтрата. Влияние всех факторов в работе было оценено с помощью экспериментальных исследований. Как известно, проникновение фильтрата в призабойную зону осуществляется в трех различных режимах [75,75,78-84] (рис. 2.3): 1) мгновенная фильтрация (до образования фильтрационной корки); 2) динамическое внедрение фильтрата и твердой фазы в породу (в процессе образования фильтрационной корки); 3) фильтрация с условно - постоянной скоростью (устоявшаяся фильтрация фильтрационной корке).
Как видно из рис. 2.3 видно, что режим мгновенной фильтрации является наиболее коротким и его влияние может быть оценено с помощью скорости фильтрации при проведении экспериментальных исследований. Поскольку величина проницаемости в зоне фильтрационной корки непостоянна, а снижается, то отсутствует необходимость её точного определения непосредственно в процессе снижения скорости фильтрации. В конце первого периода фильтрации образуются внутренняя и наружная фильтрационные корки (рис. 2.4). В начальной стадии моделирования предполагается, что наружная фильтрационная корка смывается при освоении скважины и не рассматривается при моделировании. Учитывается лишь наличие внутренней фильтрационной корки.
Схема фильтрации в блоке без фильтрационной корки (а) и при наличии наружной фильтрационной корки (б). Именно влияние этих корок на загрязнение пласта и призабойной зоны необходимо учитывать при динамическом внедрении фильтрата бурового раствора вглубь пористой среды.
В связи, с выше изложенным, моделирование строительства водозаборной скважины осуществлялось при исследовании динамической фильтрации твердой фазы буровых растворов и их фильтратов в призабойной зоне, установление размера зон их проникновения (её загрязнения) и выбора конкретных рецептур. По закону Пуайзеля расход жидкости О через пористую среду составит; о=(mR2FAp)/(8uL), (2.3) По закону Дарси расход жидкости через эту же пористую среду составит: д=(KFAр)/(uL), (2.4) Как следует из закона Дарси (2.4) величину фильтрации можно контролировать, изменяя: 11 проницаамость пористой среды, 2) вязкость фильтрующейся жидкости и 3) давление. В практических условиях возможности воздействия на величину давления, как правило, ограничены, так как давление в водозаборной скважине строго регламентируется различными руководящими документами. Проницаемость пористой среды контролируется созданием на стенке водозаборной скважины фильтрационной корки, проницаемость которой значительно меньше проницаемости породы водоносного пласта. С целью сохранения коллекторских свойств водоносных пластов рецептура буровых растворов может содержать кольматант, который способствует образованию качественной фильтрационной корки и ограничивает фильтрацию в пласт [83]. Вязкость фильтрующейся жидкости контролируется обработкой её полимерами. В зарубежной практике более широкое применение нашли «чистые жидкости», не содержащие твердой фазы. Поэтому, метод контроля фильтрации жидкостей, с использованием полимерных добавок, является весьма актуальным.
Внедрение фильтрата определяется следующими основными факторами: проницаемостью и толщиной наружной фильтрационной корки; снижением абсолютной проницаемости в зоне, занятой внутренней коркой; глубиной проникновения фильтрата. Влияние этих факторов оценивалось на основе экспериментов с вычислительным обобщением их результатов:
Изучение влияния состава и свойств ингибирующих биополимерных буровых растворов на кольматацию призабойной зоны водозаборных скважин
В настоящее время в массовом бурении водозаборных скважин применяются пресные глинистые буровые растворы, их компоненты при проникновении в призабойную зону полностью глинизируют внутрипоровое пространство [26,27,32,33 и др.]. Однако, подобных результатов исследований по влиянию твердой фазы и фильтратов буровых растворов на призабойную зону мало. в табл. 3.1 представлены результаты исследований влияния традиционных глинистых (1) и обработанных различными реагентами в небольших количествах (НТФ, КМЦ, NaOH, N2C03, УЩР, КССБ и др.) (2) на коэффициент восстановления проницаемости в призабойной зоне.
Из табл. 1, видно, что после воздействия глинистыми буровыми растворами происходит снижение проницаемости призабойной зоны, вследствие проникновения наблюдается загрязнение призабойной зоны, вследствие её кольматации, а максимальный коэффициент восстановления проницаемости составляет 0,38. Проведенные исследования однозначно доказали их отрицательное воздействие на водоносные пласты.
В связи с этим, для экологически безопасного строительства водозаборных скважин необходимо разрабатывать методы воздействия на пласт и призабойную зону, основанные на придании буровому раствору и его фильтрату свойств, исключающих их загрязнение, и обеспечивающие легкое и полное удаление проникающего фильтрата из пласта, т.е. восстановление её первоначальной проницаемости. В этом случае фильтрат бурового раствора должен обладать высоким ингибирующим действием, чтобы исключить гидратацию и диспергирование глинистых минералов, обеспечить хорошую смачиваемость пород коллектора и не образовывать осадка при контакте с водой. На основе анализа фундаментальных и прикладных исследований в области химии и биохимии углеводов, обобщения современных технологий буровых растворов, используемых при строительстве водозаборных скважин и анализа причин возникновения при этом осложнений, показал, что в качестве полимерных реагентов наиболее эффективных для регулирования фильтрационных и реологических свойств безглинистых и малоглинистых буровых растворов наибольший интерес представляют буровые растворы на основе биополимеров.
В последние годы на основе глубоких исследований и обширного международного опыта было разработано семейство ингибирующих биополимерных систем, обеспечивающих успешную проводку скважин с высокими техники - экономическими показателями работы долот, качественное вскрытие продуктивных пластов и экологически безопасное строительство скважин с сохранением естественной проницаемости на 80 - 90 %. К таким технологиям следует отнести буровые растворы, основными компонентами которых выступают полисахаридные полимеры (крахмал, биополимеры, КМЦ, РАС - R LV и др.) [7,13,15,58,64,88,89,92,118,142,144,146,169 и др.]. Они наиболее эффективны для регулирования фильтрационных и реологических свойств безглинистых и малоглинистых буровых растворов. Преимущество их состоит в способности к химической и биологической деструкции, за счет чего обеспечивается возможность разрушения и удаления кольматационного слоя, образовавшегося в процессе бурения, и практически полное восстановление коллекторских свойств пласта.
Среди биополимерных растворов в практике строительства наибольшее распространение получили безглинистые полимерно-гидрогелевые буровые растворы «ЭКОРИШ» [146], «РАГИПОЛ» [146], «БУРВИС», «Fio-Pro», ANCO-2000 [92], «ИКАРБ» [169] и др., обладающие высокой ингибирующей и выносящей способностью. При этом требуются исследования степени их техногенного воздействия на окружающую среду с целью сведения к минимуму на призабойную зону водозаборных скважин.
Разработка эффективных соляно-кислотных растворов, обеспечивающих эффективное восстановление проницаемости призабойной зоны и продуктивности водозаборных скважин
Определяющее влияние на взаимодействие соляной кислоты с породой оказывает одновременное присутствие в пористой среде органических и неорганических соединений, распределение которых зависит от литологии коллектора, размеров пор и каналов, химического состава флюидов. Состояние воды и её распределение в коллекторе зависит от микро- и макронеоднородностей. в качестве адсорбента в коллекторе, выступают пористая среда, размеры пор, каналов и трещин. Если, в каналах и порах большого размера, адсорбированное вещество находится в поле, созданном как адсорбентом, так и объемной фазой, то в микропоре, размер которой может быть соизмерим с размером молекул, адсорбированное вещество находится в адсорбированном поле, создаваемом только адсорбентом, то полагают, что микропора имеет такой размер, в котором может поместиться в диаметре одна молекула вещества.
Для максимального получения эффекта от закачки кислоты в пласт необходимо знать скорость реакции кислоты с породой, влияние минералов, составляющих пористую среду, флюидов пласта, добавленных или попавших в кислотный раствор гетероорганических и неорганических соединений, а также соединений, образующихся или ранее окклюдированных в породе при нейтрализации кислотного раствора.
При взаимодействии соляной кислоты с породами, где первые порции реагируют мгновенно, - это в первую очередь касается низкопроницаемых пород, в кислотный раствор переходят не только многовалентные катионы, но и органические и гетероорганические соединения. Попавшие в частично нейтрализованный соляно-кислотный раствор они замедляют скорость реакции соляной кислоты с породой, увеличивая вязкость нейтрализованного раствора. Во-первых, перешедшие в раствор катионы многовалентных металлов образуют комплексные неорганические соединения, как между собой, так и с соляной кислотой. Во-вторых, многовалентные металлы, взаимодействуя с гетероорганическими соединениями, образуют поверхностно-активные соединения, приводящие к понижению межфазного натяжения и стимулированию образования мицеллярных растворов или эмульсий, что в конечном итоге понижает или повышает фильтрационные сопротивления. Кроме поверхностно-активных веществ и эмульсий в пористой среде после нейтрализации кислоты могут образовываться гели. например, при рН 2 гидроксид железа (Fe(OH)з), при рН 5 гидроксид алюминия (А1(ОН)з), приводящие к закупорке пористой среды и др.
В связи с этим, необходимо провести экспериментальные исследования с целью выяснения факторов, влияющих на эффективность кислотных обработок и дальнейшую безопасную эксплуатацию скважин.
Для обоснования эффективного проведения обработки призабойной зоны водозаборных скважин соляно-кислотными растворами нами были проведены эксперименты на естественных кернах карбонатных пород, принадлежащих сеноманскому горизонту, в интервале глубин 70-220 м. Подготовка образцов к исследованию осуществлялась по общепринятой методике. В табл. 4.1 представлены характеристики исследуемых образцов керна.
Для проведения опыта в поверхностных условиях при температуре 20С по взаимодействию карбонатной породы с соляной кислотой, готовили из концентрированной ГОСТ 857 - 95 соляной кислоты водные растворы двух концентраций 12 и 24 %. Приготовленный раствор заливается в химические стаканы. Количество раствора берется 100 мл 24 % HCI и 200 мл 12 % HCI, что по активному веществу составляет одинаковое количество в каждом случае. Раствор кислоты одним заполнением мерного цилиндра с точностью 1 см . Растворы кислоты заливали в стаканы разного диаметра, так чтобы высота жидкости была в них одинакова, после чего опускали в кислоту образцы исследуемой породы.
Образцы брались из водозаборных скважин. Для этой цели взяли образец №509 (1) распилили на две части с одинаковым весом и опустили в стаканы с соляной кислотой. Активной соляной кислоты в 24 % и в 12 % растворе взяли одинаковое количество и с небольшим избытком, а затем определяли убыль кислоты через каждые две минуты. Результаты экспериментов приведены на рис. 4.2. и в табл. 4.3.
