Особенности конструкции скважин в многолетнемерзлых породах большой мощности

УДК 622.7

ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ  СКВАЖИН В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ  ПОРОДАХ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Тарасов А.Ю., (студент НБ-09 НИ ИрГТУ), Зверев Г.В., доцент ИрГТУ

К числу сложных проблем  разработки рациональной конструкции  скважин в районах Крайнего Севера относится наличие в разрезе многолетнемерзлых пород (ММП), проблема усложняется в связи со значительным перепадом температуры мерзлых пород и забойной температуры пластовых флюидов. Применение традиционной технологии бурения и применяемых конструкций скважин в этих условиях не всегда обеспечивает сохранность обсадных колонн при длительной эксплуатации скважин.

На территории многолетней  мерзлоты находятся значительные запасы природных газов и нефти. Считалось, что распространение многолетнемёрзлых пород ограничивается глубиной 600-700 метров, однако результатами бурения и исследования теплового режима Мархинской скважины на северо-западе Якутии, было доказано существование многолетнемёрзлых пород на глубине 1400 м. В этой скважине на глубине 1800 м. пластовая температура составила +3,8 ⁰С, а в интервале глубин 250-1400 м. минимальное значение отрицательной температуры +3 ⁰С.

Бурение в районах  многолетней мерзлоты ведётся давно  и уже накоплен достаточно большой  опыт. По мере накопления этого опыта  и развития техники и технологии бурения, изменялись и конструкции скважин. Облегчённые конструкции удовлетворяют условиям бурения в мёрзлых породах умеренной мощности. При больших мощностях (более 500 м.) многолетнемёрзлых пород в районах Крайнего Севера, при проектировании конструкции скважин, требуется разрешение многих проблем связанных с проводкой и креплением скважин.

Основной объём буровых работ  на этих территориях составляют эксплуатационные скважины глубиной до 2500 – 2700 м. На ряде площадей ведут бурение глубоких поисковых и разведочных скважин.

Как эксплуатационные, так и разведочные  скважины имеют преимущественно  одноколонную конструкцию с преобладающим  сочетанием диаметров смежных обсадных колонн 245*168(146)мм и 324*219 мм. Разведочные скважины глубиной более 3000м. бурились по двухколонной конструкции 324*219*146мм.

При бурении скважин в интервалах, сложенных многолетнемёрзлыми породами в результате воздействия на них положительных температур циркулирующего бурового раствора и растепление песчаных отложений, сцементированных льдом, наблюдается интенсивное кавернообразование. Наиболее неустойчивы породы четвертичного возраста, в интервале залегания которых (0 – 200 м.) фактический объём ствола при существующей конструкции скважин и технологии бурения может превосходить номинальный в 3 раза и более.

Многолетнемёрзлые породы значительно  снижают качество цементирования скважин  и надёжность крепления их в целом, вследствие неполного вытеснения бурового раствора тампонажным ввиду наличия больших по размерам каверн. Кроме того, в результате сильного кавернообразования часто отмечаются недоподъёмы цементного раствора до устья скважин за всеми колоннами вследствие поглощений и ошибок в подсчёте необходимого количества тампонажного материала и объёмов кольцевых пространств.

Известно, что при длительной эксплуатации скважин будет происходить постепенное  прогревание мёрзлых пород, прилегающих  к стволу, за счёт теплоотдачи газа или нефти, отбираемых из более глубоких пластов с относительно высокой температурой. Поэтому процесс таяния мерзлого грунта начинается снизу и будет постепенно распространяться к верхней границе мерзлоты. Когда этот процесс распространится до такой высоты, при которой прочность сцепления мерзлых пород с цементным камнем и силы трения в разрыхлённых оттаявших породах окажутся неспособными противостоять весу труб кондуктора, натяжению промежуточной и эксплуатационной колонны и весу фонтанных труб, произойдёт укорочение колонны и устье скважины вместе с фонтанной арматурой опустится.

Расчёты показывают, что  амплитуда осевого смещения устья  скважины может достигать 0,5 м. и  более в зависимости от мощности слоя вечной мерзлоты, веса кондуктора и длины не зацементированной  части колонны. В результате возможно нарушение прямолинейности колонны под действием сжимающих напряжений и герметичности её резьбовых соединений. Так как опускание колонны может произойти внезапно, то разрушение устьевой обвязки скважины может привести к открытому фонтанированию. При длительных остановках эксплуатационных скважин отмечены случаи смятия обсадных колонн в интервале криолитозоны при повторном смерзании.

Анализ фактического материала показывает на несовершенство одноколонных конструкций скважин  месторождений Крайнего Севера.

Применяемые одноколонные конструкции скважин в районах многолетней мерзлоты удовлетворяют требованиям, предъявляемым к разведочным скважинам, поскольку она обеспечивает достаточную герметичность крепления ствола на период бурения и опробования. Однако эта конструкция неприемлема для эксплуатационных скважин, предназначенных на длительный период эксплуатации.

Предотвращение осложнений в скважинах, вызванных таянием многолетнемерзлых  пород, достигается, в настоящее время, применением чисто технических решений. Наметились два пути решения проблемы: надлежащая обвязка и подвеска обсадных колонн, обеспечивающие сохранность скважины при растеплении мерзлоты и оседании грунта, и, термоизоляция обсадных колонн с целью недопущения растепления многолетнемерзлых пород.

Первый способ может быть осуществлён спуском в интервале многолетнемёрзлых пород обсадной колонны со скользящими соединениями, которые должны приводиться в действие при усилиях меньше сжимающих для обсадных труб; спуском обсадной колонны, которая бы полностью противостояла усилиям, возникающим при оседании пород.

Второй способ предусматривает  применение средств, предотвращающих  растепление горных пород в криолитозоне в процессе эксплуатации скважины, при условии, что интервал многолетней мерзлоты полностью перекрыт кондуктором, спускаемым на 100 – 150м ниже уровня мерзлых пород.

За эксплуатационной (или промежуточной) колонной цементный раствор поднимается на 150м выше башмака кондуктора, а кольцевое пространство между кондуктором и этими колоннами должно быть заполнено до устья скважины незамерзающим теплоизолятором. Теплоизолятор выполняет тройную функцию: предотвращает интенсивный теплообмен между рабочим агентом (нефть, газ) и стенками скважины (мёрзлыми породами), а также снижает потерю тепла газом и тем самым уменьшает вероятность образования гидратов в скважине. Кроме того, наличие незамерзающего пространства, заполненного теплоизолятором, предотвращает смятие колонн, которое может произойти в случае длительной остановки скважины при наличии в межтрубном пространстве промывочной жидкости или при цикличном растеплении и смерзании многолетнемёрзлых пород.

Простейший путь обеспечения охлаждения в колонне обсадных труб заключается  в том, что в скважину спускают дополнительную делящую колонну  труб, которая свободно подвешивается на устье. Эта колонна делит затрубное пространство таким образом, что обеспечивается круговая циркуляция охлаждающего агента. При этом с целью улучшения теплоизоляции могут использоваться и  другие кольцевые пространства.

Для предупреждения таяния многолетнемёрзлых пород у поверхности земли некоторые фирмы в конструкции скважин предусматривают спуск специального направления “термокейса”. Оно сконструировано с использованием 609 и 460мм труб, располагаемых концентрично одна в другой и свариваемых в одну трубу длиной 18-20м. В кольцевом пространстве между трубами создается вакуум для обеспечения термической изоляции. Снаружи к 609мм трубе приваривают охлаждающий трубопровод в виде змеевика.

Направление в собранном виде устанавливают  в скважину диаметром 760мм и цементируют. Трубки для охлаждения устанавливают также на восьми сваях, непосредственно окружающих основную скважину. В качестве жидкости для охлаждения применяют гликоль, который охлаждают в теплообменнике холодильной установки.

В настоящее время уделяется значительное внимание вопросу возможности растепления многолетнемерзлых пород и связанных с этим аварий с обсадными колоннами. Исследованиями на Аляске доказано, что мерзлота может оттаять в радиусе 30-60м. Отмечается возможность оттаивания пород до 150м. Усилия, возникающие при оседании растепленных многолетнемерзлых пород, передаются обсадным трубам в результате трения оттаявшего песчаника и гравия, перемещающихся вниз по отношению к обсадной колонне, и составляют примерно 100кН/м² на глубине 150м. В связи с этим некоторые фирмы предложили использовать специальные конструкции обсадных колонн и способы их крепления.

Предложено в состав кондуктора включать несколько скользящих (телескопических) соединений с длиной свободного хода 3м, устанавливаемых в наиболее опасных участках ствола скважины. Верхняя часть кондуктора не цементируется. Применение специального оборудования на устье скважины позволяет перемещаться внешним обсадным трубам вниз, в то время как внутренняя обсадная колонна остается в первоначальном положении.

Во избежание аварий с обсадными  колоннами в эксплуатационных скважинах, вызванных конвекционным переносом  тепла при движении флюида от продуктивного  пласта к поверхности земли, предлагается использовать устройство для гидроподвески обсадных труб. Оно позволяет эксплуатационной колонне перемещаться вдоль оси при возникновении значительных перепадов температур. При этом сохраняется полнопроходность обсадных труб.

Крепление скважин в многолетнемерзлых  породах требует особого подхода к выбору тампонажного материала и технологии цементирования. Вследствие низких температур (-6/-9⁰С) обычно применяемые цементные растворы замерзают прежде, чем начнется процесс гидратации. Проведенные опыты показали, что в условиях многолетней мерзлоты лучшими являются чистые кальциево – глиноземистые цементы и смесь этих цементов с золой уноса в отношении 50:50. В качестве ускорителей сроков схватывания добавляется до 2% СаСl₂, вода затворения подогревается. Данными промысловых работ установлено, что минимальная температура цементного раствора, закачиваемого в интервал многолетнемерзлых пород, должна быть +16⁰С.

Главное преимущество применения растворов  на основе глиноземистых цементов заключается  в быстром выделении тепла  гидратации при их схватывании. Через два часа после затворения отдача тепла этими растворами примерно в три раза больше, чем у обычного портландцемента.

Таким образом, успешное освоение громадных  запасов нефти газа, сосредоточенных  в арктических зонах Сибири, потребует  решения чрезвычайно сложных технических проблем в области бурения и добычи нефти и газа в этих районах.

Библиографический список

1. Булатов А.И., Измайлов Л.Б., Лебедев О.А. Проектирование конструкций скважин. - М.: Недра, 1979,- 280с.
2. Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах. – М.: Недра, 1987,-230с.