Обратная скважина — принцип работы, конструкция и применение

Обратная скважина (поглощающая или инжекционная скважина) — вертикальная горная выработка, в которую нагнетают жидкость под давлением или самотёком. Термин «обратная» указывает на противоположное водозаборной скважине направление потока. Обратные скважины применяют там, где нужно поглотить избыток воды или закачать рабочую жидкость в пласт. Без обратной скважины невозможно реализовать замкнутые геотермальные контуры и системы пополнения водоносных горизонтов.

Принцип работы обратной скважины основан на разнице давлений. Жидкость нагнетается в ствол обратной скважины насосом или самотёком и через фильтровую зону уходит в поглощающий горизонт.

Поглощающая способность обратной скважины зависит от четырёх факторов:

• проницаемости пласта — способности породы пропускать жидкость;
• пластового давления в условиях конкретной обратной скважины;
• диаметра и конструкции фильтровой зоны обратной скважины;
• вязкости и температуры закачиваемой жидкости.

Если давление нагнетания превышает допустимое, возникает гидроразрыв пласта — образование трещин в породе. В нефтегазовой отрасли его применяют специально: гидроразрыв увеличивает приёмистость обратной скважины — объём жидкости, который обратная скважина поглощает в единицу времени.

Обратные скважины делят по назначению и способу закачки.

По назначению обратные скважины бывают:

• Поглощающие — отводят дождевые и паводковые воды в глубокий горизонт.
• Нагнетательные обратные скважины — закачивают воду, рассол или газ в пласт.
• Реинжекционные — возвращают термальную воду в геотермальный пласт.
• Рекуперационные обратные скважины — пополняют истощённый водоносный горизонт.

По способу закачки обратная скважина бывает самотёчной (без насоса) или напорной (с насосом).

Геотермальное теплоснабжение

Добывающая скважина извлекает горячую воду, тепловой насос отбирает тепло, а охлаждённая вода возвращается через реинжекционную обратную скважину. Пара «добывающая + обратная скважина» образует замкнутый контур без потерь воды.

Дренаж территорий

Обратная скважина отводит поверхностные и грунтовые воды в глубокие поглощающие горизонты. Дренажная обратная скважина эффективнее открытых канав на подтопляемых участках и стройплощадках.

Нефтегазовая промышленность

Нагнетательная обратная скважина закачивает воду или газ в нефтяной пласт, поддерживая пластовое давление и вытесняя нефть к добывающим скважинам. Метод называется поддержанием пластового давления (ППД). Нагнетательная обратная скважина — стандартный инструмент повышения нефтеотдачи пласта.

Восстановление водоносных горизонтов

Рекуперационная обратная скважина пополняет истощённые горизонты очищенными или паводковыми водами. Это искусственное подземное пополнение запасов (АПП) позволяет накапливать воду в паводки и расходовать её в засушливые периоды.

Промышленная утилизация

Глубокая обратная скважина применяется для захоронения промышленных стоков в изолированные горизонты без контакта с пресными водами.

Конструкция обратной скважины включает четыре элемента.

• Обсадная колонна. Трубы из стали или НПВХ диаметром 125–300 мм. Для агрессивных сред в обратных скважинах применяют нержавеющую сталь или стеклопластик.
• Фильтровая зона. Перфорированная труба с гравийной обсыпкой. В обратной скважине фильтр работает «наоборот»: жидкость уходит через него в пласт.
• Оголовок обратной скважины. Герметичный фланцевый оголовок с патрубком для подключения трубопровода. В напорной обратной скважине оголовок выдерживает рабочее давление нагнетания.
• Затрубное пространство обратной скважины цементируют для гидроизоляции верхних горизонтов от закачиваемой жидкости.

Перед строительством обратной скважины выполняют гидрогеологическое обследование участка. Оно включает бурение разведочной скважины, отбор керна и анализ водопроводящих горизонтов. На основании данных рассчитывают поглощающую способность обратной скважины и определяют её оптимальную глубину — от 20 до 500 м.

После бурения обратную скважину испытывают на приёмистость: закачивают воду с фиксированным расходом и замеряют рост давления. По результатам испытания рассчитывают рабочий режим обратной скважины и подбирают насосное оборудование.

Водозаборная поднимает воду из пласта. Обратная закачивает жидкость в пласт. Направление потока противоположно. Водозаборная снижает уровень воды в горизонте, обратная его пополняет. Совместное применение двух типов позволяет создавать замкнутые гидравлические системы.

Строительство таких скважин регулируется Законом РФ «О недрах». Закачка жидкостей в глубокие горизонты требует лицензии Роснедр. Поглощающие дренажные обратные скважины для поверхностных вод лицензирования не требуют, но согласовываются с санитарными органами.

Обратные скважины кольматируются (засоряются) быстрее водозаборных: взвешенные частицы и биоплёнки закупоривают поры фильтровой зоны. Периодически проводят реабилитацию обратной скважины — прокачку и кислотную или механическую очистку фильтра.

Обратная скважина — сооружение для закачки жидкости в водоносный пласт. Обратные скважины применяют в геотермальном теплоснабжении, дренаже, нефтедобыче и восстановлении водоносных горизонтов. В отличие от водозаборной, обратная скважина поглощает воду, а не добывает её. Строительство обратных скважин требует геологического обоснования, проектирования и в ряде случаев лицензирования.