устройство для создания подземной емкости в соляных породах

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПОДЗЕМНОЙ ЕМКОСТИ В СОЛЯНЫХ ПОРОДАХ, содержащее концентрично расположенные друг в друге с зазорами обсадную колонну и внешний и внутренний ставы труб с башмаками на разных уровнях, предназначенные для размещения в скважине и соединенные с трубопроводами для подачи и отвода рабочих агентов и продуктов добычи, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе устройства при создании емкости термодинамическим способом, оно снабжено расположенным над башмаком обсадной колонны в зазоре между внешним ставом труб и обсадной колонной герметизирующим узлом со сквозными перепускными каналами, через которые пропущены вертикальные патрубки с тангенциальными концами, и концевой насадкой, закрепленной на внутреннем ставе труб с возможностью осевого перемещения, внутренний став труб в призабойной части выполнен перфорированным и снабжен подвижной заслонкой, размещенной внутри него с возможностью осевого перемещения, при этом обсадная колонна соединена с трубопроводом для подачи воды, внешний став с трубопроводом для отвода продуктов добычи, а внутренний с трубопроводом для подачи пара.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к горному делу, конкретно к устройствам для создания подземных емкостей в соляных породах термодинамическим способом.

Известны способы термического и термодинамического разрушения минеральных сред струей нагретого газа и устройства для их реализации. Они предназначены только для бурения и уширения скважин в крепких скальных породах (поскольку охватывают своим воздействием только узкую призабойную часть) [1]

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для создания подземной емкости, включающее частично обсаженную скважину и размещенные в ней с зазорами внешний и внутренний ставы труб. Причем по зазору между обсадной колонной и внешним ставом труб в емкость подают нерастворитель, а по двум другим каналам подают на забой растворитель (воду) и выдают на поверхность растворенную соль [2] Недостатками известного устройства при использовании его для создания подземной емкости термодинамическим способом являются:

перегрев обсадной колонны и следующее за этим разрушение пород и тампонажного камня в затрубье, что, как правило, приводит к разгерметизации скважины и выходу ее из строя;

невозможность работы устройства при локальных разгрузках массива в создаваемую емкость и сопутствующие этому пробки в канале выноса породы;

неуправляемый процесс обрушения вмещающих пород в кровле и создание зон напряжений в процессе и после создания подземной емкости, что может привести к обрушению больших объемов вмешающих пород (как в процессе создания емкости, так и уже в процессе ее эксплуатации) и, таким образом, вывести устройство и саму емкость из строя;

деформации и разрушения внутреннего става труб в процессе работы, которые обусловлены изменением температурных режимов эксплуатации емкости.

Все перечисленные недостатки обуславливают низкую надежность работы известного устройства по созданию подземных емкостей в соляных породах термодинамическим способом, который включает в себя:

воздействие рабочего агента (пара, парогазовой смеси) при различных режимах его подачи и свойствах (температура, давление, состав) на призабойное пространство массива вмещающих пород и разрушение его;

вынос рабочим агентом разрушенной породы на поверхность с использованием принципов пневмотранспорта.

При осуществлении способа возникает негативное воздействие на устройство и вмещающие породы термических и механических нагрузок (работа устройства под высоким давлением и температурой) при различных режимах воздействия (постоянный, переменный, циклический). Указанное обстоятельство определяет неравномерность протекающих при этом процессов (эпизодичность процессов разрушения и возможные обрушения пород). Кроме того, неизбежным представляется воздействие переменных нагрузок и высокой температуры не только на призабойную часть массива, но и на массив пород, вмещающих устройство.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства при создании подземной емкости в соляных породах термодинамическим способом.

Достигается это тем, что устройство снабжено расположенным над башмаком обсадной колонны в зазоре между внешним ставом труб и обсадной колонной герметизирующим углом, который содержит сквозные перепускные каналы с тангенциальными выходными патрубками, и концевой насадкой, закрепленной на внутреннем ставе труб с возможностью осевого перемещения, при этом внутренний став труб в призабойной части выполнен перфорированным и в нем с возможностью осевого перемещения размещена подвижная заслонка.

Указанные отличительные признаки в известных технических решениях не обнаружены. Предложенное решение позволит повысить надежность работы устройства при создании подземной емкости в соляных породах термодинамическим способом.

На фиг. 1 показано устройство для создания подземной емкости в соляных породах термодинамическим способом с необходимым набором наземного оборудования; на фиг.2, 3, 4 динамика развития изменений состояния массива вмещающих пород при термодинамическом воздействии на приконтурную зону создаваемой емкости; на фиг.5 и 6 расположение элементов призабойной части устройства соответственно до начала работы и в процессе работы устройства; на фиг. 7 элементы устройства от герметизирующего узла до проектируемой кровли создаваемой емкости.

Устройство для создания подземной емкости в соляных породах термодинамическим способом содержит частично обсаженную скважину 1, спущенные в нее с зазорами внешний 2 и внутренний 3 ставы труб. В зазоре между обсадной колонной 4 и внешним ставом отруб 2 над башмаком 5 обсадной колонны размещен герметизирующий узел 6, который содержит сквозные перепускные каналы 7 с тангенциальными выходными патрубками 8. Внутренний став труб 3 в своей призабойной части 9 (от нижнего конца внешнего става труб 2 до низа внутреннего става труб 3 в общем случае, 6-12 м) выполнен перфорированным с отверстиями 10. Нижний срез внутреннего става труб 3 при этом снабжен заглушкой 11. На внутреннем ставе труб 3 в призабойной части 9 закреплена с возможностью осевого перемещения концевая насадка 12, например, по системе поршень-цилиндр. В самом внутреннем ставе труб 3 размещена подвижная заслонка 13, например, выполненная в виде тонкостенного обрезка трубы. Перемещения подвижной заслонки 13 осуществляются с поверхности посредством привода 14 (например, троса, или каната или буровой трубы и т.д.).

Поверхностный комплекс, необходимый для работы устройства, смонтирован на выходном фланце обсадной колонны и, как правило, размещен в непосредственной близости от скважины 1. В общем случае представлен:

тремя крестовинами, соответственно водоподающей 15, пароподающий 17, породовыводящей 16;

подводящими магистралями, соответственно, пароподающей 18 и водоподающей 19;

запорно-предохранительной арматурой, соответственно 20 на пароподающей магистрали 18, 21 на водоподающей магистрали 19;

породовыводящей магистралью 22 с запорной арматурой 23;

источником рабочего агента 24 (например, паровым котлом);

напорным источником воды 25 (например, насосом);

временным складом промпродукта 26. Кроме того, в поверхностный комплекс должны быть включены: подъемное средство для управления подвижной заслонкой 13 (например, автокран или лебедка, или буровой станок и т.д.); комплекс контрольно-измерительной аппаратуры (на чертежах не показаны).

Предлагаемое устройство для создания подземной емкости в соляных породах термодинамическим способом может быть смонтировано непосредственно на площадке с использованием бурового станка. Сначала бурится скважина 1 и частично обсаживается, причем обсадная колонна 4 заглубляется в толщу плохопроницаемых соляных пород. Потом в скважину опускается внешний став труб 2 с герметизирующим узлом 6, сквозными перепускными каналами 7 с тангенциальными выходными патрубками 8. Затем во внешний став труб 2 опускается внутренний став труб 3 перфорированный в призабойной части 9 и снабженный концевой насадкой 12. Далее во внутренний став труб 3 на приводе 14 опускается подвижная заслонка 13.

Поверхностный комплекс монтируется в соответствии со схемой, представленной на фиг.1.

Устройство работает следующим образом.

В кольцевой зазор между обсадной колонной 4 и внешним ставом труб 2 подается вода. Давление воды в точке сброса должно превышать давление рабочего агента в той же точке. После начала излива воды через открытые породовыводящие магистрали 22 подключается источник рабочего агента 24. При этом происходит продувка с освобождением от излишков воды бурового раствора, бурового шлама. В дальнейшем количество подаваемой воды должно быть ограничено параметрами рабочего агента на забое и эффективным охлаждением обсадной колонны 4 и затрубья.

После продувки и нагрева системы породовыводящие магистрали 22 перекрываются посредством запорной арматуры 23. На забое скважины создаются давление и температура, предусмотренные технологией (Р=4-12 МПа, Т=270-370^оС), в зависимости от горно-геологических условий.

В ходе данной операции происходит первичное обрушение массива и заполнение разрушенной породой ствола скважины ниже уровня подачи рабочего агента, что обеспечивает достаточную фиксацию призабойной части внутреннего става труб 9 от поперечных перемещений. Происходящее в ходе прогрева линейное тепловое удлинение внутреннего става труб 3 компенсируется посредством осевых перемещений внутри концевой насадки 12 (фиг.5 и 6). Далее выполняются ранее описанные операции, предусмотренные технологией разрушения массива и пневмотранспорта. Подбор оптимальных режимов разрушения и выноса разрушенной породы осуществляется изменением параметров и количеством подаваемого рабочего агента и охлаждающей воды при помощи запорной арматуры 20, 21. В созданных оптимальных режимах устройство работает до момента создания емкости 27 необходимого объема.

В процессе работы устройства в массиве вмещающих пород, в общем случае формируется характерная для термодинамического воздействия на плохопроницаемые упругопластичные породы физическая картина. Начинает образовываться и увеличиваться зона азимутально-ориентированных трещин 28 (фиг.2, 3 и 4). Путем подработки массива пластическая зона 29 утоньшается и происходит локальная разгрузка массива на образованную каверну (фиг.4). При этом вся каверна или ее нижняя часть могут быть заполнены обрушенной породой 30. Перфорации 10 в призабойной части внутреннего става труб 9, на уровне подачи рабочего агента, могут быть перекрыты обрушенной породой 30. В результате быстро возрастает давление в пароподающей магистрали 18, что и является сигналом к подъему подвижной заслонки 13 на более высокий, свободный от разрушенной породы, уровень (фиг.6). Далее вынос разрушенной породы 30 происходит по обычным законам пневмотранспорта при постоянном или регулярном опускании подвижной заслонки 13 до прежнего уровня.

Выполнившая свои охлаждающие функции нагретая вода (t=120-140^oC) по сквозным перепускным каналам 7 через тангенциальные выходные патрубки 8 попадает на массив на уровне проектируемой кровли 31 создаваемой емкости (фиг. 7). В этом месте образуется обширный (на сколько позволяет струя воды 32) гидровруб 33. С одной стороны, это незначительно интенсифицирует процесс создания емкости, с другой стороны, формирует кровлю емкости в желаемом месте.

Демонтаж устройства в общем случае производится в обратном порядке монтажу с оставлением для дальнейшей эксплуатации частично обсаженной скважины 1, которая обустраивается под конкретное применение созданной емкости.

Для создания и последующей эксплуатации подземной емкости скважину 1 частично обсаживают, заглубляя обсадную колонну 4 в слабопроницаемые, например, соляные породы. При эксплуатации емкости можно ожидать переменных температурных режимов работы скважины 1. Поэтому в общем случае затрубье скважины 1 цементируют с применением цементных составов для горячих нефтяных и газовых скважин. Лучшие сорта отечественных цементных составов позволяют эксплуатировать потом скважину при температуре до 140^оС (составы на некоторых импортных смесях выдерживают эксплуатацию при 200^оС).

Применяемая технология создания емкости предполагает наличие гораздо больших температур (до 370^оС). Кроме того, высокая скорость рабочего агента и, соответственно, породогазовой смеси 34 интенсифицирует процессы теплоотдачи. Для предотвращения разрушения тампонажного камня технология создания емкости предполагает наличие тепловой защиты обсадной колонны 4. Как показывают расчеты, одно только размещение теплоизоляции в зазоре между обсадной колонной 4 и внешним ставом труб 2 нерационально из-за большой толщины необходимого теплоизолирующего слоя. Поэтому предполагается в качестве тепловой защиты использовать водяное охлаждение путем подачи воды в зазор между обсадной колонной 4 и внешним ставом труб 2. Количество воды, необходимое для эффективного отвода тепла может быть определено расчетом и в общем случае в зависимости от условий применения и параметров рабочего агента составляет 400-3000 л/ч воды с температурой 30^оС. Расчет показывает, что в общем случае путем подачи приемлемого количества воды можно избежать использования теплоизоляции для тепловой защиты (что создает некоторые неудобства при монтажно-демонтажных работах). Однако при создании емкости в соляных породах, сброс воды под башмак 5 обсадной колонны невозможен (из-за размыва предохранительного целика соляных пород). Применение известных в буровом, газо-нефте-добычном деле межколонных герметизирующих устройств невозможно из-за создания в узком длинном кольцевом канале между обсадной колонной 4 и внешним ставом труб 2, паровых пробок, не позволяющих эффективно охлаждать нижнюю часть обсадной колонны 4 (необходима проточная система подачи охлаждающей воды). Поэтому предлагается в непосредственной близости от башмака 5 обсадной колонны в зазоре между обсадной колонной 4 и внешним ставом труб 2 разместить герметизирующий узел 6, который содержит сквозные перепускные каналы 7, позволяющие перепускать отработавшую нагретую воду ниже предохранительного целика соляных пород (оптимально непосредственно в создаваемую емкость 27).

Применяемая технология создания емкости предполагает термодинамическое воздействие на обширную зону вмещающих пород. Так, при создании каверны в массиве плохопроницаемых-упругопластических пород, в общем случае вокруг нее образуются следующие зоны: пластическая 29, азимутально-ориентированных трещин 28 и упругая 36 (фиг.2, 3, 4). В зависимости от горно-геологических условий и параметров выработки толщина пластической зоны 29 может составлять от первых метров до 20 м, толщина зоны азимутально-ориентированных трещин 28 первые сантиметры первые метры (в выбросоопасных пластах до 20-30 м), далее упругая зона 36. При нагревании массива происходит изменение размеров и свойств этих зон и свойств самих пород. Так толщина пластической зоны 29 по мере прогревания постепенно уменьшается (в 5-6 раз), одновременно с этим уменьшается ее проницаемость (в 2-3 раза у углей и сланцев и на порядок у соляных пород) (фиг. 2, 3, 4). Это объясняется изменением состояния газожидких включений в породах и связанное с этим значительное увеличение напряжений вокруг включений и вокруг выработки, а также уменьшением прочностных свойств массива и увеличением его пластических свойств (происходит "затекание" открытых пор, каналов и нарушений пронизывающих вмещающие породы в радиальном направлении). Толщина зоны азимутально ориентированных трещин 28 увеличивается по мере уменьшения толщины пластической зоны 29, а при продвижении фронта критических температур 37 (для соляных пород 90-110^оС) в пределы упругой зоны 36 будет наблюдаться продвижение зоны азимутально ориентированных трещин 28 вслед за этим фронтом 37 температур (фиг.2, 3). Увеличение закрытой системы азимутально ориентированных трещин 28 усугубляется постоянной их подпиткой газом и жидкостью из включений, локально разгружаемых на образовавшиеся трещины. Ситуация усугубляется изначальной подпиткой "заложенной" самим способом воздействия на массив (в начальный момент воздействия пара на породу происходит насыщение радиально-ориентированных трещин жидкостью и газом. Позже при прогреве часть пластической зоны 29 (уже насыщенной жидкостью и газом) "отойдет" к зоне азимутально-ориентированных трещин 28). При перемещении газожидких включений по массиву в пределах зоны азимутально-ориентированных трещин 28 создается связная закрытая система нарушений с относительно развитым тепломассообменом (и, следовательно, прогрессирующим во времени развитием, определяемым тепловыми потоками через пластическую зону 29).

Согласно опыту создания и эксплуатации емкостей, подвергающихся нагреву, камеры, выемки могут терять устойчивость и в них происходит локальная разгрузка массива (фиг. 4), которая может захватить область от 0,2-1 величины пролета созданной емкости до 3-4 величин пролетов. При этом, как правило, часть камеры заполняется обрушенной породой 30, а часть остается свободной 38. Указанная динамика развития процессов при нагреве массива прерывается при создании устойчивого канала достаточной поверхности между зоной азимутально ориентированных трещин 28 и каверной, что позволяет влиять на происходящие во вмещающем массиве процессы.

Учитывая вышесказанное и имеющийся практический опыт по созданию и эксплуатации емкостей, подвергающихся нагреву, целесообразно активно влиять на формообразование и указанные выше процессы в кровельной зоне создаваемой емкости 27. Это может быть достигнуто путем превентивного создания поверхности или канала для разгрузки газо-жидких включений, находящихся в зоне азимутально-ориентированных трещин 28 на уровне проектируемой кровли создаваемой емкости 31. Для создания данной поверхности и канала для разгрузки газо-жидких включений предлагается использовать отработанную нагретую воду, поступающую по сквозным перепускным каналам 7. С этой целью потоки воды из каналов тангенциально ориентируются. Это обуславливается необходимостью создания участка стабилизации струи 32 после поворота ее на 90^о. Кроме того, указанный участок ( 10 диаметров выходного канала) трудно разместить радиально-ориентированным в реально создающихся скважинах. Потоки нагретой воды 32 из тангенциальных выходных патрубков 8 (Т до 120^оС, Р до 85 ати) создают гидровруб 33, формирующий поверхность кровли создаваемой емкости (желаемой формы) и искомую поверхность. Это обеспечивает, кроме создания емкости 27 желаемой формы, устойчивость ее контура и, одновременно с этим, решает проблему тепловой защиты обсадной колонны 4 и затрубья. Таким образом, устройство снабжено расположенным под башмаком 5 обсадной колонны в зазоре между внешним ставом труб 2 и обсадной колонной 4 герметизирующим узлом 5, который содержит сквозные перепускные каналы 7 с тангенциальными выходными патрубками 8, расположенными на уровне проектируемой кровли создаваемой емкости 31.

После монтажа устройства и начала его работы свободная часть скважины 1 ниже уровня подачи рабочего агента быстро (первые секунды первые минуты) заполняется разрушенной породой 30. После этого продолжается прогрев внутреннего става труб 3 и, соответственно, его линейное удлинение. Кроме того, технология создания емкости предполагает возможность изменения термодинамических режимов (давление, температура), что определяет регулярные осевые подвижки призабойной части внутреннего става труб 9. Данное обстоятельство обуславливает необходимость наличия конструктивного элемента в призабойной части внутреннего става труб 9, имеющего постоянно свободный объем, позволяющий автономно осуществлять осевые подвижки без деформаций внутреннего става труб 3 и поверхностного комплекса устройства. Одновременно с этим технология создания подземной емкости предусматривает возможность резких перепадов давлений внутри создаваемой емкости, что может вызвать хаотические колебательные движения находящейся в выработанном пространстве призабойной части внутреннего става труб 9 (эффект брошенного работающего брандсбойдта), что неизбежно вызовет обрыв призабойной части внутреннего става труб 9. В связи с этим представляется необходимым наличие зажатой от поперечного перемещения опоры. В соответствии с вышеуказанным, устройство снабжено концевой насадкой 12, закрепленной в призабойной части внутреннего става труб 9 с возможностью осевого перемещения. Вариант конструктивного оформления данной насадки и его работа изображены на фиг. 5, 6. Данная кольцевая насадка 12 позволяет компенсировать линейное удлинение внутреннего става труб 3 (и избежать его деформации и разрушения) и, одновременно с этим, позволяет закрепить ("заякорить") призабойную часть внутреннего става труб 9 в первые минуты работы устройства.

Вынос породы и выдача на поверхность отработанного рабочего агента в конструкции устройства предусмотрены по зазору между внутренним 3 и внешним 2 ставами труб. В процессе работы устройства может происходить эпизодическое обрушение вмещающих пород, которое может, а в общем случае, создать перекрытие канала выхода рабочего агента в создаваемую емкость. Это в свою очередь, как правило, приводит к пробкообразованию в канале выноса из-за резкого и существенного уменьшения подъемной силы породогазовых потоков 34. Это обуславливает низкую надежность работы устройства в указанных ситуациях. Для ликвидации указанных недостатков, а также интенсификации процессов выноса разрушенной породы 30 за счет использования струйного эффекта, предлагается призабойную часть внутреннего става труб 9 выполнить перфорированной с отверстиями 10 и внутри снабдить подвижной заслонкой 13. Что позволяет, путем перемещения подвижной заслонки 13 внутри перфорированной 10 призабойной части внутреннего става труб 9, корректировать уровень подачи рабочего агента. Наиболее целесообразным представляется уровень подачи рабочего агента непосредственно над верхним слоем разрушенной породы 30, что обеспечивает в полной мере использование струйного эффекта для выноса разрушенной породы.

Суммируя все ранее сказанное, получаем, что устройство для создания подземной емкости в соляных породах термодинамическим способом, содержащее частично обсаженную скважину 1, размещенные в ней с зазорами внешний 2 и внутренний 3 ставы труб, дополнительно снабжено:

расположенным над башмаком 5 обсадной колонны в зазоре между внешним ставом труб 2 и обсадной колонной 4 герметизирующим узлом 6, который содержит сквозные перепускные каналы 7 с тангенциальными выходными патрубками 8, размещенными на уровне проектируемой кровли создаваемой емкости 31;

концевой насадкой 12, закрепленной на внутреннем ставе труб 3, с возможностью осевого перемещения;

внутренний став труб 3, в призабойной части 9 (от нижнего конца внешнего става труб 2 до нижнего конца внутреннего става труб 3) выполнен перфорированным (с отверстиями 10);

в внутреннем ставе труб 3 размещена подвижная заслонка 13 с возможность осевого перемещения посредством привода 14, управляемого с поверхности.

Таким образом предлагаемое устройство по сравнению с прототипом имеет более высокую надежность работы при создании подземных емкостей в соляных породах термодинамическим способом. Повышение надежности работы устройства обусловлено:

сохранением обсадной колонны и затрубья;

работоспособностью устройства при локальных разгрузках массива вмещающих пород в создаваемую емкость;

сохранением целостности устройства, за счет созданной возможности управления процессами обрушения вмещающих пород в приконтурной зоне вмещающего массива;

предохранением внутреннего става труб 3 от деформаций и разрушения при работе с изменениями режимов эксплуатации (температуры и давлений), предусмотренных технологией создания емкости.