Введение. 
Скважинные гидротехнологии пластовых месторождений

В странах СНГ после распада СССР произошло резкое сокращение объемов производства минерального сырья, причем не столько вследствие экономических обстоятельств, сколько в силу политических причин. Это усугубляется усложнением горно-геологических условий разрабатываемых месторождений, моральным и физическим износом горной техники, отказом многих территорий от производства работ, так называемым «открытым способом», потерями квалифицированных кадров, удушающим действием налоговой системы.

Возобновление объемов добычи, многих полезных ископаемых титана, циркония, урана, марганца, хромитов и многих других видов рудного и нерудного сырья является одной из приоритетных задач горной промышленности России.

В связи с тем, что на территории России в настоящее время практически не ведутся геологоразведочные работы по выявлению новых месторождений, существенный прирост добычи минерального сырья может быть обеспечен за счет промышленного освоения уже разведанных запасов, залегающих на значительных глубинах, путем перехода на подземную безлюдную гидравлическую добычу погребенных залежей при активном использовании новейших достижений горной науки и техники (СГТ — скважинную гидротехнологию).

Еще в 1932 году в США Эдвином Клайтором и в 1936 г. в СССР П. М. Тупицыным был предложен способ скважинной гидродобычи (СГД) — один из вариантов СГТ, в результате использования которого, через скважины на поверхность земли поступают разрушенные на месте залегания горные породы и руды в виде гидросмеси. Лишь спустя 30 лет была начата разработка технологии СГД в горном Бюро США и, начиная с 1964 г., сотрудниками ГИГХСа на месторождениях фосфоритов в Прибалтике. В 70-х годах сотрудники кафедры «Геотехнология» Московского геологоразведочного института под руково-дством Н. И. Бабичева начали разработку технологии и технических средств СГД для месторождений урано-фосфорных руд. С 1987 г. с началом конверсии уранодобывающей промышленности началось интенсивное использо-вание новой технологии на предприятиях геологоразведочной отрасли, прежде всего для извлечения технологических проб объемом от сотен килограмм до нескольких тысяч тонн, позволяющих повысить достоверность геологоразведочных данных, отказавшись от проходки дорогостоящих разведочных шахт, шурфов, штолен, а также карьеров. Способом СГД подняты: большие технологические пробы титано-цирконовых песков на Туганском месторождении (Томская ГРЭ), на Тарском месторождении (Омская ГРЭ), технологическая проба богатых железных руд на Большетроицком месторождении КМА (Белгородская ГРЭ); кимберлитов из двух алмазоносных трубках месторождения им. Ломоносова (ПГО «Архангельскгеология»), технологическая проба полиметаллических руд из кор выветривания Жана-Аркалыкского рудного поля (Тургайская ГРЭ, Казахстан)) Аналогичные работы были выполнены на Лукоянов-ском (ПГО «Волгогеология», Малышевском месторождении (Украина), Унечском месторождении (ПГО «Центргеология»). Опыт применения показал, что новый способ обходится в несколько раз дешевле и требует значительно меньших затрат времени и капиталовложений.

Технология СГД прошла успешное опытно-промышленное опробование при добыче богатых железных руд КМА, что позволяет надеяться на революционное изменение всей структуры чёрной металлургии России и переход от устаревшего доменного производства на прямое восстановление руда—сталь. Россыпное золото в Якутии, урано-фосфорные руды в Казахстане, угли в Приморье и Казахстане, алмазы в Архангельской области, фосфориты на Украине и в Кировской области, кварцевые пески в СФРЮ — далеко неполный перечень полезных ископаемых, на которых была испытана технология СГД. В 1995 г. на базе запасов Тарского месторождения акционерным обществом «Цирконгеология» построен и пущен в эксплуатацию опытно-промышленный участок по скважинной гидродобыче титано-цирконовых песков с производственной мощностью 40 тыс. м3 песков в год, который фактически является единственным в настоящее время действующим предприятием СГД в России. Одновременно с разработкой технологии и технических средств, способ прошел промышленную проверку при добыче строительных материалов и нерудного сырья. В 1988;1991 г. г. до начала гражданской войны и распада федерации в СФРЮ на предприятии «Колубара» велась успешная добыча кварцевого песка, залегающего на глубине 50−60 м ниже дна действующего карьера по добыче бурового угля. 'Производительность добычи составляла 60−80 м3/час при объеме добычи из одной скважины 500−750 м3 (1000−1500 т). Себестоимость производства 1 м³ составляла 2−3 доллара США при цене около 25 долларов. Силами Усинской ГРЭ ПГО «Поляруралгеология» по проекту НПЦ «Геотехнология» в сентябре-октябре 1990 г. успешно выполнены опытные работы по гидродобыче разнозернистых песков из-под слоя многолетне мерзлых пород с глубины 70−75 м в районе Харьягинской нефтяной структуры для строительства дорог и отсыпки оснований под буровые установки. Новой технологии свойственны минимальное воздействие на окружающую среду при значительном сокращении затрат на производство, улучшения качества продукции (за счет отмыва и разделения по классам крупности) а также значительное снижение стоимости продукции и затрат на транспорт.

Организация производства различных строительных материалов и стекольного песка из погребенных месторождений вблизи от места потребления позволит существенно снять дефицит сырья для местной промышленности России.

Интенсивные геологоразведочные работы привели к открытию в Архангельской области значительного количества алмазоносных кимберлитовых трубок. Поисковые работы, выполненные в этот период, выявили перспективные площади во многих областях Севера европейской части России (Псковской, Новгородской, Вологодской, Тверской и ряде других).

Особенностью этих потенциальных месторождений являются увеличение с севера на юг глубины залегания кровли кимберлитовых трубок с 50−100 м до 300−500 м, что делает неэкономичным разработку этих трубок открытым способом. Так, расчеты для самой богатой трубки «Ломоносовская» показывают, что её разработка потребует вложения 700−800 млн. долларов США и начнётся при благоприятных обстоятельствах не раньше, чем через 5−6 лет (причем с момента создания ОАО «Североалмаз» уже прошло более 10 лет).

Однако проблему освоения месторождений алмазов Русского Севера можно было бы решить значительно дешевле и во много раз быстрее (окупаемость капвложений 2−5 лет), используя новую, экологически чистую технологию скважинной гидродобычи (СГД). В 1993 году было создано ЗАО «Зимний берег», которое в том же году разработало проект добычи алмазов из трубки № 323 «Снегурочка» способом СГД. В 1993;1995 гг. было организовано строительство основных сооружений и пробурен куст скважин. В мае-июне 1995 года были выполнены пуско-наладочные работы и в июне того же года комплекс СГД был принят межведомственной приёмочной комиссией для начала эксплуатации.

В этот же период происходила приватизация ГП «Архангельскгеология» и организация на её основе ОАО «Архангельскгеодобыча», одним из основных учредителей которой стал МАПОбанк. Проведённые собрания учредителей, показали, что этот банк, став фактическим хозяином ОАО «Архангельскгеодобыча», вложив средства в приобретение акций, не может и не собирается финансировать работы в счёт своей доли (46% уставного ЗАО «Зимний берег», а остальные инвесторы, вложив свои деньги в строительство комплекса, не могут это сделать из-за отсутствия средств. Поэтому полностью готовый к работе комплекс простоял с 1996 года до настоящего времени.

В 1998 году НПЦ «Геотехнология», как разработчик новой технологии, попыталась собрать новый состав учредителей, получив согласие Сбербанка России на финансирование на определённых условиях инвестиционного проекта по добыче алмазов из трубки «Снегурочка». Однако, при переговорах с владельцами лицензии, выяснилось, что они не собираются финансировать этот проект, а долю уставного капитала (46%) хотят оставить за собой. Это завело переговоры в тупик.

Значительно повысить производительность скважин водоснабжения, нефте-газодобычи, при снижении стоимости строительства и обслуживания позволяют скважины с увеличенной приемной зоной, приёмником жидких агентов в которых является большая полость, формируемая в продуктивном пласте с помощью технологии СГТ.

Опыт строительства и эксплуатации таких скважин, разработанных в НПЦ «Геотехнология», в Колумбии и США для до6ычи воды и газа показывают, что они обеспечивают меньшую материалоемкость (отпадает необходимость установки фильтра, снижается диаметр обсадных труб); простоту и снижение времени сооружения скважин, большую (в 2−3 раза) производительность; экономическую эффективность (снижение в 2−3 раза стоимости воды) при резком сокращении обслуживания.

Подобные скважины сооружались раньше лишь в благоприятных горно-геологических условиях — устойчивая кровля, представленная известняками, мергелем или плотными глинами и слабосвязный песчаный водоносный горизонта Разработанные технические средства скважинной гидротехнологии, обеспечивающие проходку подземных полостей в породах любой прочности и сооружение на любой глубине искусственных перекрытий, позволяют оборудовать скважины с увеличенной приемной зоной в любых условиях. При этом в прискважинной зоне создается буферная емкость объемом в десятки кубометров, позволяющая резко интенсифицировать процесс отдачи пласта.

Скважины с увеличенной водоприёмной зоной прошли пробные испытания в различных регионах республики Колумбия. Результаты этих работ приведены в таблице 1.

скважинный месторождение алмаз трубопровод Таблица 1.

Как видно из таблицы 1, увеличение приемной зоны позволило поднять дебит не менее чем в 2−4 раза и резко повысить качество откачиваемой воды за счет снижения содержания твердых взвесей и естественной фильтрации.

Использование технических средств СГТ восстановления газо-добычных скважин было осуществлено в США в Угольном бассейне Сан Хуан Нью-Мексико. Угольный пласт мощностью около 1 м залегает на глубине 1 км, содержит в больших объемах метан. В 1993 в НПЦ «ГЕОТЕХНОЛОГИЯ», владеющей лицензией на право проектирования объектов добычи полезных ископаемых с применением технологии скважинной гидродобычи, обратилась фирма «Ресурс-Девелопмент» по вопросу создания подземных полостей в забойной зоне газо-добычных скважин для восстановления их дебита. Работы были выполнены в течение года по предложенному НПЦ «Геотехнология» проекту на 5 скважинах, выведенных из добычи из-за падения дебита.

В результате проведенных работ дебит скважин возрос в 4−6 раз по сравнению с первоначальным.

Выбор рационального способа вскрытия продуктивных пластов при использовании вращательного способа бурения, предусматривающего применение промывочной жидкости, является одной из сложнейших проблем современной техники и технологии добычи нефти и газа.

В настоящее время наиболее применяемыми способами вскрытия пластов является перфорация пулевыми, торпедными и кумулятивными перфораторами. Однако, все они обладают следующими недостатками: относительно небольшой вскрытой поверхностью (менее 1% от поверхности труб) в пределах пласта; уплотнением пород в местах вскрытия; возможностью разрушения из-за большой мощности взрыва, обсадной колонны и выхода скважины из числа действующих.

Этих недостатков лишен гидропескоструйный способ основанный на местном эрозионном разрушении обсадной колонны, цементного кольца и продуктивных пород струёй жидкости с песком истекающей с большой скоростью из насадок, направленных в сторону скважины. За короткое время струя жидкости с песком образует отверстие или щелевидную прорезь в обсадной колонне, цементном камне и разрушает продуктивные породы за стенкой на относительно большом расстоянии с выносом разрушенных частиц из образуемой полости. Других опасных нарушений обсадных труб и цементного камня при этом не происходит. Однако высокая абразивная способность песка приводит к износу насосного оборудования и труб по которым эта смесь прокачивается. Этого недостатка лишена новая вскрытия продуктивных пластов с использованием гидроперфораторов с эжектированием абразивного материала при которой насосы подают промывочную жидкость (без добавки глинистого материала в специальное смесительное устройство, где формируемая струя сама эжектирует абразивный материал и направляет его на объект разрушения (см. ПАТЕНТ РФ на изобретение № 2 123 579 от 22.01.1998 г., авторы Бабичев Н. И. и Николаев А. И. «Способ вскрытия продуктивных пластов текучих полезных ископаемых и устройство для его осуществления»). Сжатый воздух, подающийся под давлением большим, чем давление столба жидкости в местах перфорации, отжимает уровень пульпы ниже оси струи, обеспечивая ей дальность полёта 2−3 метра от оси скважины. По мере разрушения пород в забое происходит их классификация по крупности. При этом наиболее крупные фракции вместе с частью абразивного материала оседают на дно образующейся щелевой выработки, предотвращая деформацию стенок. Мелкий материал вместе с потоком отработанной жидкости поступает снова в ствол скважины, где по межтрубному пространству выдается на поверхность. В комплект оборудования применяемого для пескоструйной перфорации входят высоконапорный поршневой насос и компрессор.

Таким образом, вокруг ствола скважины образуется зона повышенной проницаемости, обеспечивающая приток нефти. Это позволяет поднять дебит откачки и общее извлечение нефти из скважины, т.к. при прострелочных работах перфорируется только зона, составляющая менее 1 процента от общей поверхности трубы, контактирующей с продуктивным пластом.

При применении новой технологии вскрытия продуктивных пластов между взаимодействующими скважиной и самим пластом в зоне повышенной проницаемости создается буферная емкость объемом в десятки кубометров, позволяющая интенсифицировать процесс нефтеотдачи пласта. Это позволяет на первом этапе рекомендовать такую технологию вскрытия прежде всего для восстановления дебита старых скважин и на новых скважинах, где вскрываются пласты с низкими фильтрационными свойствами. Технология резания стальных труб и цемента путем эжектирования абразива прошла опытные испытания в городе Гранада департамента Мета (Колумбия) и получила положительный отзыв специалистов фирмы «Халлубертон», США.

Несомненный интерес представляет использование технических средств СГТ для ускорения строительства подземных хранилищ для жидких нефтепродуктов и газоконденсата.

Недостатком применяемых технологий строительства подземных хранилищ в массивах соли являются: низкая реакционная поверхность в начальный период и, как следствие, большой срок строительства (1 млн. баррелей — 3−5 лет), невыдержанность формы (уход стенок) и относительно низкая устойчивость стенок полости. Этих недостатков лишена новая технология (патент США № 5 127 710 от 7 июля 1992 года и патент Российской Федерации № 2 078 212 от 16 марта 1994 года, авторы Бабичев Н. И. и др.), которая прошла опытную проверку на месторождении соли вблизи города Редмонт, штат Юта, США и была использована на месторождении соли в местечке Маст-Блаф, штат Техас, США, при сооружении в соляном массиве подземного хранилища для сжиженного газа. Способ включает вскрытие соляного пласта буровыми скважинами, гидроизоляцию пород кровли установкой обсадной колонны, размещение в скважине гидродобычного снаряда. После этого осуществляют подачу воды под давлением, размыв и растворение соли с одновременной выдачей образующего раствора на поверхность. В стенках скважины образуются подготовительные щелевые выработки, имеющие после проходки поверхность, превышающую максимальную площадь стенок хранилища в период его эксплуатации. Поэтому, после подачи растворителя, солесъем идет с максимальной скоростью и срок строительства сокращается до 8−12 месяцев с соответствующим сокращением расходов.

Скважинные Гидравлические Технологии (СГТ) — это полностью отечественные разработки, защищённые патентами России, США, Канады и Японии, опережающие по признанию сотрудников Горного бюро США их аналогичные разработки более чем на 10 лет.

В целом способы СГТ позволяют отказаться от проходки разведочных шахт, шурфов и штолен (при разведке месторождений), от дорогостоящих вскрышных работ и сооружения шахтных стволов и т. п. (при добыче полезных ископаемых), от сооружения котлованов (в строительстве). Все это приводит к снижению капитальных затрат и себестоимости конечной продукции.

При оценке экономических показателей рудников СГД следует обратить внимание на такой важный фактор, как относительно небольшой стартовый капитал, требующийся для организации производства. Это связано с гибкостью производства, небольшим сроком его организации. На многих месторождениях добыча полезного ископаемого практически может быть начата в течение года или даже в более короткий срок с начала работ, попутно с разведкой.

В условиях конверсии геологоразведочной отрасли и резкого сокращения объемов геологоразведочных работ, финансируемых из госбюджета, создание акционерных обществ по добыче различных полезных ископаемых способом скважинной гидродобычи, при использовании собственной буровой техники и специалистов, с привлечением отечественных и зарубежных инвесторов позволит увеличить добычу дефицитных полезных ископаемых.

В условиях переориентации хозяйства страны на рыночные отношения, сопровождающейся спадом производства, создание относительно небольших горнодобывающих предприятий, осуществляющих разработку месторождений по новой экологически чистой технологии может оказать положительное влияние и на решение социальных проблем (прежде всего занятости населения).