способ добычи жидкого полезного ископаемого, склонного к температурному фазовому переходу

Формула изобретения

1. Способ добычи жидкого полезного ископаемого, склонного к температурному фазовому переходу, включающий защиту эксплуатационной колонны от твердых образований, оседающих на стенках колонны из добываемого полезного ископаемого в процессе его перемещения от пласта к устью скважины, и отвод из пласта жидкого полезного ископаемого, отличающийся тем, что перед спуском эксплуатационной колонны в скважине посредством гидроразрыва формируют зону поглощения, расположенную в интервале геологического разреза ниже пачки регионального водоупора, изолированную обсадными колоннами от других продуктивных и поглощающих горизонтов и сообщающуюся по межколонному пространству с наземным приемным устройством и нагнетательным оборудованием, для чего спускают эксплуатационную колонну, проводят цементаж заколонного-межколонного пространства кондуктора и технической колонны от забоя до глубины подошвы сформированной зоны поглощения, вскрывают продуктивный пласт и в процессе освоения залежи путем добычи жидкого полезного ископаемого защиту эксплуатационной колонны от твердых образований осуществляют термостатированием эксплуатационной колонны в интервале вероятного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки горячего теплоносителя по межколонному пространству в сформированную зону поглощения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве теплоносителя используют горячий рассол хлорида натрия или часть собственного полезного ископаемого - рассол хлоридов кальция и магния или отход его переработки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к скважинным способам добычи жидких полезных ископаемых, склонных к температурным фазовым переходам, в частности, концентрированных рассолов, к литий- бромдобывающей промышленности.

Концентрированные природные рассолы, насыщающие глубокозалегающие продуктивные пласты и перемещающиеся в процессе добычи от забоя к устью скважины, вскрывающей в геологическом разрезе интервалы многолетнемерзлых или низкотемпературных пород, переохлаждаются и претерпевают температурный фазовый переход, следствием которого является загрязнение скважинного оборудования твердыми образованиями, частичное или полное закупоривание колонного пространства выпадающими солями и снижение или полное прекращение выхода жидкого полезного ископаемого из скважины.

Известен способ защиты скважинного оборудования от образования твердых осадков с помощью периодической закачки расчетного количества ингибитора солеотложения через скважину в поглощающую зону [1]. Однако с помощью этого способа не представляется возможным предотвратить обвальную, зачастую лавинообразную самопроизвольную кристаллизацию солей, выпадающих в стволе скважины в зоне многолетнемерзлых и низкотемпературных отложений, при транспортировании концентрированных природных рассолов от забоя к устью скважины. Необходимы значительные количества ингибитора на периодическую обработку призабойной зоны и внутренней поверхности рабочих колонн, что ведет к неоправданным производственным затратам, удорожанию процесса добычи.

Известен способ добычи и транспортирования жидких и газообразных полезных ископаемых [2], предусматривающий обработку технологического оборудования электромагнитными модулированными сигналами с несущей частотой 150-2000 кГц, частотой модуляции 1-200 кГц и девиацией 1 Гц, При использовании данного способа повышается эффективность добычи и транспортирования органических жидких и газообразных полезных ископаемых вследствие снижения их вязкости. Данный способ не позволяет предупреждать кристаллизацию неорганических солей из пересыщенных природных рассолов при их добыче из скважин, имеющих в верхней части разреза многолетнемерзлые и низкотемпературные отложения.

Техническая суть предлагаемого способа добычи жидкого полезного ископаемого, склонного к температурному фазовому переходу, состоит в защите эксплуатационной колонны от твердых образований, оседающих на стенках колонны из добываемого полезного ископаемого в процессе его перемещения от продуктивного пласта к устью скважины, и отвод из пласта жидкого полезного ископаемого, для чего перед спуском эксплуатационной колонны в скважине посредством гидроразрыва формируют зону поглощения, расположенную в интервале геологического разреза ниже пачки регионального водоупора, изолированную от других продуктивных и поглощающих горизонтов обсадными колоннами и сообщающуюся по межколонному пространству с наземным приемным устройством и нагнетательным оборудованием, для чего спускают эксплуатационную колонну и проводят цементаж заколонного пространства технической колонны (межколонного пространства кондуктора и технической колонны) от забоя до подошвы сформированной зоны поглощения, чем обеспечивают сообщение по межколонному пространству зоны поглощения с наземным приемным устройством и нагнетательным оборудованием, далее вскрывают продуктивный пласт и в процессе освоения залежи и добычи жидкого полезного ископаемого защиту от твердых образований осуществляют термостатированием эксплуатационной колонны в интервале вероятного фазового перехода за счет непрерывной или периодической прокачки горячего теплоносителя по межколонному пространству в сформированную зону поглощения, причем в качестве теплоносителя используют рассол хлорида натрия, либо часть собственного полезного ископаемого - рассол хлоридов кальция и магния, либо отход его переработки.

Нижеприведенные пример и чертеж подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

На Сибирской платформе есть богатое по содержанию лития - Li (0,5-0,7 г/л), брома - Вr (11-13 г/л), магния - Mg (40-45 г/л), бора - В (до 2,5 г/л) сырье - концентрированные рассолы глубоких горизонтов осадочного чехла, но оно характеризуется предельными (645 г/л) значениями минерализации (суммы растворенных солей). Незначительное нарушение термобарических условий при вскрытии продуктивных пластов 7 глубокой скважиной или в дальнейшем процессе добычи приводит к сдвигу фазовых равновесий, процессу самопроизвольной, зачастую лавинообразной кристаллизации солей из жидкого полезного ископаемого и формированию кристаллических осадков на внутренней поверхности трубопроводов и в эксплуатационной колонне 6 глубоких скважин. В результате зарастания трубного пространства и призабойной зоны эксплуатация продуктивных пластов становится невозможной. Эта проблема ограничивает промышленное освоение месторождений бромно-литиевых рассолов Сибири и делает невозможным процесс испытания и эксплуатации глубоких скважин.

Основное преимущество заявляемого способа добычи такого жидкого полезного ископаемого - возможность управления свойствами термически (термобарически) нестабильной системы, содержащей в своем составе вещества, склонные к фазовым переходам, т.е. к кристаллообразованию. Именно к таким веществам относятся высококонцентрированные солевые системы с содержанием солей выше 320-450 г/л, обычно 560-630 г/л.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретным примером его выполнения и предлагаемым чертежом, на котором изображена принципиальная схема глубокой скважины 3А, в процессе бурения (проходки) которой был осуществлен заявляемый способ.

Пример.

На Знаменском месторождении промышленных рассолов (Иркутская область) продуктивный пласт залегает на глубине 1925 м. Для защиты скважинного оборудования от образования твердых осадков, препятствующих выходу добываемого жидкого полезного ископаемого, здесь - рассола из скважины, была запроектирована и реализована следующая последовательность действий.

В разведочно-эксплуатационной скважине 3А перед тем, как проходить (бурением) продуктивный пласт 7, заранее в процессе бурения формируют поглощающую зону 4, для чего:

- обсадную колонну - кондуктор 299 мм 3 спускают на глубину 570 м в подошву регионального водоупора - отложений верхоленской свиты нижнего кембрия для изоляции верхних пресных водоносных горизонтов и заколонное пространство кондуктора цементируют до устья;

- производят бурение под эксплуатационную колонну 219 мм 6 до глубины 1825 м, не доходя 100 м до продуктивного пласта, цемент 5 за колонной поднимают до отметки на 50-70 м ниже башмака кондуктора - обсадной колонны 299 мм;

- формируют зону поглощения 4 методом гидроразрыва пласта (ГРП) в пределах бильчирского горизонта ангарской свиты под пачкой (толщей) регионального водоупора. ГРП производят до спуска эксплуатационной колонны 219 мм, но после бурения под эксплуатационную колонну, дабы в нее (зону поглощения) не уходил буровой раствор. Определяют приемистость зоны поглощения, которая здесь составила 1870 м³/сут при закачке насосом высокого давления;

- эксплуатационную колонну 219 мм 6 рассчитывают на давление смятия в интервале рабочей части межколонного пространства до поглощающей зоны (т.е. той части колонны, которая предполагается для использования под обратную закачку (прокачку) горячего теплоносителя - отработанного рассола по межколонному пространству 6 в поглощающую зону 4, при этом величина давления складывается из величины давления закачки (на устье) и величины давления, создаваемого за счет столба жидкости;

- производят вскрытие высокодебитного продуктивного рассолоносного пласта 7, с одновременной закачкой высокотемпературных рассолов в поглощающую зону 4.

Таким образом, в межколонном пространстве кондуктор - эксплуатационная колонна 2 скважины 3А Знаменского месторождения промышленных рассолов формируют рабочее пространство для обеспечения непрерывной закачки горячего рассола в поглощающую зону.

В процессе вскрытия продуктивного пласта по эксплуатационной колонне за четверо суток получено самоизливом около 6000 м³ литиево-бромных рассолов с одновременной постоянной обратной закачкой горячего рассола буровыми насосами на выбранном оптимальном режиме (5-50 м³/час) рассола в поглощающую зону 4. Позже, во время опытно-промышленной эксплуатации скважины 3А в течение 6 месяцев получено на разных режимах самоизливом около 20000 ³ рассола с параллельной постоянной закачкой по предложенному способу буровыми насосами на выбранном оптимальном режиме горячего рассола, тем самым обеспечена бесперебойная работа добывающей скважины.

Итак, на Знаменском месторождении промышленных рассолов (Иркутская область) в интервале разреза 0-800 м, отличающемся температурами ниже Т_крист. 25С, обеспечена работа продуктивного пласта с Т>25С на основе эффекта тепловой завесы. При этом использовались а) система (явление) теплового потока (тепломассопереноса); б) система изоляции эксплуатационной колонны (через затрубное-межколонное пространство) от горных пород в низкотемпературном (ниже 25С, т.е. ниже температуры начала кристаллизации) интервале геологического разреза.

Тем самым последовательно реализован способ добычи полезного ископаемого.

Если для поверхностных трубопроводных систем конструкция “труба в трубе” приводит к удорожанию транспортной системы в целом, то для глубоких скважин общепринятая система “телескопа” как раз благоприятствует термостатированию рабочей (эксплуатационной) колонны через следующую - кондуктор, что и предполагает заявляемый способ. Благоприятствует предлагаемому техническому решению и то, что в глубоких скважинах с глубиной температура повышается на величину геотермического градиента. Поэтому в термостатировании нуждается именно верхняя часть скважины, которая находится в интервале температур ниже Т_крит 25С. Технически это легко увязывается с общепринятой в бурении конструкцией “телескопа”, поскольку в этом, верхнем интервале геологического разреза применяется конструкция глубокой скважины “колонна в колонне”.

Таким образом, отличительным признаком способа является использование эффекта “Термоса” или сосуда Дьюара - тепловой завесы вокруг эксплуатационной колонны глубокой рассолодобывающей скважины, чем и обеспечивается стационарность температурных условий, что достигается последовательно путем строительства описанной конструкции скважины, формирования зоны поглощения и ее изоляции относительно других горизонтов и, далее, постоянной закачкой на выбранном оптимальном режиме (5-50 м³/час) теплоносителя - горячего рассола.

Указанный признак позволяет:

1) впервые в производственных условиях надежно обеспечить непрерывность отбора жидкого полезного ископаемого, здесь - концентрированных промышленных литиево-бромных рассолов; повысить технико-экономические показатели освоения месторождения: а) за счет снижения объемов глубокого бурения - здесь ~1700 тыс.$ на одну непробуренную, т.е. сэкономленную глубоко захороняющую скважину и б) - за счет оптимизации процесса и работы промысла отбора - из графика работ (технологической карты) уходят бригадо-смены и начальник смены по растеплению солевых пробок, а график работы промысла выглядит непрерывным;

2) обеспечить прокачку закачиваемой жидкости по межколонному пространству, что в данном конкретном примере снижает примерно на 50% внутреннее разрывающее давление на эксплуатационную колонну 219 мм за счет противодавления закачки и давления, обеспечиваемого удельным весом захороняемого в поглощающую зону раствора.

Промышленная применимость

Предлагаемое техническое решение через сохранение стационарных температурных условий в эксплуатационной колонне, работающей жидким полезным ископаемым, а именно - концентрированным промышленным бромо-литиевым рассолом, позволяет добиться эффекта непрерывной работы скважины и, следовательно, всего подземного и наземного комплекса – наземной части промысла, включающей трубопроводы и коммуникации, заводы по переработке бромо-литиевых рассолов, что подтверждено промышленной практикой длительной эксплуатации глубокой добывающей скважины. Отсюда следует возможность оптимизации параметров работы продуктивного пласта, а через это - оптимизации параметров работы всего производственного комплекса и его технико-экономических показателей.

Эффект от использования способа может быть отражен как технический эффект - обеспечение принципиальной возможности осуществления промышленной добычи жидкого полезного ископаемого - концентрированных природных рассолов, склонных к фазовым переходам, улучшение работы добычного и транспортирующего оборудования и связанный с этим экономический эффект - от сокращения объемов глубокого бурения отдельных закачивающих скважин (в реальных условиях Знаменского месторождения это около 1700 тыс.$ на одну скважину).

Экологический эффект от применения предлагаемой конструкции заключается в 100% утилизации (захоронении) полученного жидкого полезного ископаемого и продуктов его переработки в версии работы с промышленными рассолами.

Предлагаемое техническое решение позволяет управлять свойствами термически нестабильной системы (концентрированный природный рассол), содержащей в своем составе вещества, склонные к фазовым переходам, а также обеспечить непрерывность добычи (отвода) жидкого полезного ископаемого, в частности промышленных литиево-бромных рассолов, из продуктивного пласта к устью скважины.

Источники информации

1. SU 1462873, A1, 20.01.2000.

2. RU 21622513, C1, 27.01.2001.