Подземное скважинное выщелачивание (ПСВ) руд с естественной проницаемостью предполагает замену поровой жидкости в пласте на растворитель, который взаимодействует с твердой и жидкой фазами горных пород. В результате в недрах протекают различные физико-химические процессы [4]. Практика эксплуатации систем геотехнологических скважин при эксплуатации месторождений урана способом ПСВ показывает, что с течением времени наблюдается снижение их производительности. Одной из основных причин снижение пропускной способности технологических скважин является увеличение гидравлических сопротивлений и снижение фильтрационных характеристик пласта в следствии образования кольматации, за счет осаждения веществ растворенных в технологических растворах, или механического перемещения частиц рудовмещающего горизонта, а также выделений газа.
Механическая кольматация обусловлена перекрытием водоприемных отверстий фильтров песком, глиной, гравием и закупоркой поровых каналов пласта механическими взвесями. Песок и глина, осаждающиеся в скважине частично или полностью перекрывает фильтр. Также к механической кольматации можно отнести засорение фильтра и прифильтровой зоны пласта буровыми растворами содержащие глинистые частицы [8]. При этом происходит набухание глинистого материала в водной среде и изменение структуры порового пространства пласта.
Химическая, ионообменная и газовая виды кольматации обусловлены изменением химического состава пластовых вод в результате влияния применяемых при ПСВ химических материалов. Присутствие в воде растворенных катионитов кальция, магния и железа и нарушение углекислотного равновесие приводит к образованию труднорастворимых осадков. Интенсивно происходит выделение карбонатных осадков в зоне фильтров, при удалении от них интенсивность выпадения осадков уменьшается. При взаимодействии выщелачивающих растворов с рудовмещающими породами в жидкой фазе происходит накопление (помимо рудных) целого ряда элементов, входящих в состав основных породообразующих минералов. Количество и кинетика перехода этих элементов в продуктивные растворы зависит от типа выщелачивающего реагента, его концентрации, окислительно-восстановительного потенциала, температуры, растворимости породообразующих минералов и величины активной поверхности минеральных частиц, во многом определяющей интенсивность массообмена в системе раствор – порода.
Основными методами по восстановлению или увеличению проницаимости пород призабойной зоны при проведении ремонтно-восстановительных работ (РВР) является физический, химический и комбинированный. При выборе технологии РВР следует исходить из возможности каждого способа декольматации фильтров и прифильтровых областей скважин. Также при выборе метода РВР необходимо учитывать гидрогеологические условия, технологией бурения, конструкцией скважины, фильтра и других характерных факторов месторождения.
Пневмоимпульсный способ декольматации скважин на комплексах ПСВ урана является эффективным методом, применение способа обеспечивает декольматацию скважин и прискваженных зон как во вновь осваиваемых, так и в эксплуатирующихся скважинах в достаточно широком спектре геолого-технических условий. Метод воздействия на призабойную зону скважин заключается в использовании энергии сжатого воздуха с последующей передачей ее столбу жидкости в скважине. Под действием этой энергии столб жидкости в скважине начинал совершать возвратно поступательные колебательные движения с частотой, равной собственной частоте колебании столба жидкости. Восстановление проницаемости фильтров и прифильтровых зон происходит за счет пульсации воздушного пузыря и создание гидропотоков знакопеременного направления под давлением 10-12 МПа. В результате пневмоимпульсного воздействия находящиеся на фильтровой поверхности и прифильтровой зоне глинистые осадки или химический кольматант разрушается и выносится гидропотоком в скважину, откуда в последующим удаляются восходящим потоком раствора. К достоинствам пневмовзрыва можно отнести возможность регулирования его гидродинамических параметров и цикличности воздействия в широких пределах, доступность и безопасность рабочего реагента – воздуха. Пневмоимпульсная обработка позволила, ускорить процесс освоения скважин после бурения повысив степень их разглинизации [1, 3].
В работе [5], представлена промывка скважин передвижной модульной установки кавитационного типа действия для освоения и очистки скважин на комплексах ПСВ урана. Промывка скважин кавитационной струйной насадкой обеспечивает амплитудно-частотное колебания жидкости. Гидродинамический генератор кавитационных колебаний представляет собой трубку Винтури. Сущность способа заключается в подаче промывочной жидкости под давлением бурового насоса через гибкий рукав на кавитационно-струйную насадку в фильтровую область, в сечении ковитатора создаются скорости движения жидкости, обеспечивающие падение давление до величин, сопоставимых с давлением насыщенного пара при котором происходит зарождение кавитационных пузырьков. При схлопывании пузырьков внутри которых возникают высокие давления и температуры оказывают разрушающие воздействуя на кольматирующие образования, смывая песчаные пробки и поднимая их по колоне напором промывочной жидкости на дневную поверхность. Применение ПАВ способствует хорошей смачиваемости породы водой и снижении поверхностного натяжения на границе разделав вода – кольматант в целом интенсифицирующие процесс. Кольматирующие отложения прилипшие к твердой поверхности хорошо отмываются, способствуя ускоренному разрушению и выносу кольматирующих образований на дневную поверхность. по составу и химическим свойствам все ПАВ делятся на ионогенные (сульфатонатриевые соли, азолят, сульфонол и др.) неионогенные оксиэтилированные препараты типа ОП, продукты конденсации фракции угольных фенолов с окисью этилена. Добавление в промывочную жидкость ПАВ – сульфонол концентрации от 0,01 до 0,1 вес. % позволит улучшить результаты регенерации скважин на 20% по сравнению с промывкой обычной водой. Проведенные исследования установили что промывка скважин с применением кавитационо-струйной насадки и ПАВ наиболее эффективна в скважинах сразу после выявления запескованности.
Анализ эффективности воздействия электрогидроударного (ЭГ) метода на кольматирующие отложения из литературы [6, 7] основанные на создании электрическими разрядами упругих резонансных колебаний воздействующие на продуктивный пласт. Многократные последовательные импульсные колебания в широком спектре частот рассчитаны на разрушение и диспергирование кольматирующих образований и глубоком проникновении и создание новых трещин в различных по пористости и проницаемости теригенных и карбонатных пород колекторов. Также при ЭГ – обработке скважины происходит низкочастотное и сверхнизкочастотное воздействие на пласт и его возбуждение на доминантных частотах на значительном расстоянии от скважины увеличивающая проницаемость нефти в породе. При электро взрыве происходит пробой меж электродного промежутка, в котором находится раствор, с образованием канала разрыва, давление в канале повышается, что сопровождается его расширением. на после разрядной стадии канал превращается в газовый пузырь, который в начале расширяется, а затем под давлением гидростатического давления сжимается создавая знакопеременные движения жидкости. Основным преимуществом данного метода заключается в том что ЭГ – обработке могут подвергаться скважины с фильтрами практически из любого материала, в том числе из асбестцементных, капроновых или винипластовых труб. Обработка фильтров из различных материалов требует изменение параметров мощности и давления ударной волны, ее длительность и количество импульсов на 1 м его длины, определяющие эффективность электроударной обработки фильтра. Давление ударной волны определяется в основном разрядным напряжением коаксиального кабеля и разрядным промежутком в скважинном разрядном устройстве регулируемая в пределах до 80 МПа, с частотой в пределах 1-10 Гц. Длительность ударной волны зависит главным образом от емкости конденсаторной батареи. Опыт эксплуатации ЭГ установок на технологических скважинах ПСВ комплексах в рыхлых песчано-силикатных породах показывает, что создаваемый относительно низкочастотный спектр колебаний не эффективен из – за отличия физико-химических характеристик пластовой воды от нефти.
Интенсивное снижение производительности скважин после гидродинамических обработок объясняется следующим образом. Воздействие импульсных нагрузок при различных источниках их создания вызывает разрушение и диспергирование прилегающих к фильтру пород и образование большого количества трещин, обеспечивающий большой приток воды в скважину в начальный период эксплуатации после обработки скважины. Под действием ударных волн и гидропотока, зерна породы не очищаются от гидрооксидных и карбонатных пленок, а отложившиеся в процессе эксплуатации-скважин частично отстаиваются в поровом пространстве и являются центрами кристализации, способствующими последующему интенсивному образованию и отложению осадка во вновь образованных трещинах. При возобновлении эксплуатации скважины происходит засорении солями порового пространства, имеющегося после гидродинамической обработки значительно более развитую поверхность и содержащего зерна, обладающие каталитическими свойствами, в результате чего происходит повторное интенсивное снижение проницаимости пород в прифильтровой зоне.
В работе [2] представлены реагентные способы восстановления производительности скважин относящиеся к химическим методам регенерации. Реагентные методы воздействия на пласт основаны на реагировании водных растворов кислот с кольматирующими образованиями, растворение и удаление продуктов реакции за пределы скважины обычно путем эрлифтной откачки. Выбор типа и способа реагентной регенерации зависит от многих факторов, определяющим которых является состав и состояние кольматирующего осадка, конструкция фильтра и его состояние, структуру обрабатываемой поверхности. Независимо от способа подачи для регенерации скважин широко применяется соляная кислота HСl, эффективно растворяющая железистые (Fe2O3, Fe(OH)3, FeS) и корбонатные (СaCO3, MgCO3) кольматирующие образования. Оптимальную рабочую концентрацию солянокислотного раствора подбирают с учетом растворяющей способности и скорости растворения породы и нейтрализации кислоты в составе, коррозийной активности и величины пластового давления. В практике химических обработок скважин обычно применяются способ реагентных ванн и способ циклического задавливания в пласт. Способ реагентнной ванны подразумевает заливку кислотного раствора в устье скважины, который под влиянием процессов диффузии проникает за контур фильтра. Применение этого способа не требует дополнительного оборудования и герметизации оголовника скважины. Способ циклического задавливания водного раствора кислоты в пласт является более эффективным по сравнению со способом реагентных ванн, однако требует установки дополнительного оборудования, спуска труб и герметизация оголовника скважины. Практика применения серной кислоты при регенерации скважин показала высокую эффективность на первоначальной стадии эксплуатации скважин при появлении осадков гидроксида железа и алюминия. Серная кислота взаимодействует с ними, нарушает целостность кольматирующих соединений и позволяет удалить их последующей эрлифтной прокачкой. Однако взаимодействие серной кислоты с карбонатом кальция приводит к осаждению сульфида кальция в порах породы. Отсутствует возможность регулировать равномерность очистку фильтра как по длине так по глубине прифильтровой зоны, так как в процессе продавливания рабочими растворами реагент движется по наиболее проницаемым участкам прифильтровой зоны. В закольматированных не проницаемых сцементированных пластах реагентные методы требуют дополнительной интенсификации процесса гидродинамическими методами, так как это позволяет вызвать глубокие процессы взаимодействия кислоты с породой.
Опыт регенерации геотехнологических скважин на карбонатных блоках показывает, что основная причина низкой эффективности многих способов регенерации скважин заключается в том, что каждый из них направлен на решение какой-то одной задачи: разглинизация стенок скважины, очистка фильтра и прискваженной зоны. Необходимо чтобы регенерация была комплексная и включала операции по восстановлению проницаемости прифильтровой зоны и очистку фильтра от разного рода осадкообразований, увеличивая прирост дебита на долгосрочный период сохраняя низкую себестоимость.
В литературе [9] представлены более эффективные методы регенерации скважин основанные на применении пневмообработок непосредственно в растворе химических реагентов. В результате пневмоимпульного воздействия происходит не только разрушение и диспергирование кольматирующих отложений под действием ударных волн, но и задавливание раствора реагента на значительную глубину в водоносный пласт под давлением, образующегося при расширении парогазового пузыря и составляющего 5 – 10 МПа. Пульсации парогазового пузыря вызывают возвратно-поступательное движение раствора, что способствует лучшему подводу реагирующих компонентов к породе, растворению кольматирующих отложений и удалению продуктов реакции за пределы области реагирования. Пневмореагентную обработку скважин можно производить как при ее герметизации с циклическим задавливанием реагентов воздухом, так и при открытом стволе. Обработку завершают прокачку скважины эрлифтном до полного удаления продукта реагента и продуктов реакции. Опыт регенерации скважин с применения пневмообработк в растворах химических реагентов на скважинах в некоторых случаях позволяет достигнуть увеличение удельных дебитов до 70-75% от первоначальных, а последовательное проведение электрогидроударной и реагентной обработок в 1,5 – 2 раза. Интенсивность снижение дебита скважин, обработанных комбинированными методами, оказалась в 1,5 – 2 раза ниже, чем по скважинам, которые были обработаны только импульсными способами. Применение гирметизирущих устье скважины манжет во время пневмохимической обработки в некоторых случаях более эффективна в отличии безманжетного применения.
В процессе эксплуатации скважин методом ПСВ урана от воздействия химических реагентов и изменения гидродинамического режима, фильтры и фильтровые зоны пород кольматируются песком, глиной, солями кальция, алюминия, железа, магния, и другими. Компоненты осождаются на водоприемной поверхности фильтров и в порох водоносных пород, дегазируются спресовываясь под действием пластового давления. В связи с этим увеличиваются гидравлические сопротивления, уменьшается производительность скважин осложняя процесс ПСВ урана и ремонтно-восстановительные работы. Пневмореагентный метод воздействия может быть успешно применен на скважинах ПСВ различных гидрогеологических условий, также в сложных геологических формирований с большой карбонатностью пластов СО2>2% и наличием множествоа алевро-глинистых прослоек с глубоким залеганием рудоносных пород и большим пластовым давлением. Обеспечивая высокую степень регенерации скважин с кольматирующими отложениями различной прочности, усложняющие процесс ремонтно-восстановительных работ.