Особенности сооружения скважин в многолетнемерзлых породах

Введение
1. Характеристика многолетней мерзлоты
2. Осложнения при физико-химическом воздействии на ММП
3. Осложнения при тепловом взаимодействии скважины с ММП
3.1. Мониторинг теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами
4. Типы буровых промывочных агентов
4.1. Сжатый воздух
4.2. Пены
4.3. Буровые растворы
4.4. Термокейс
Заключение
Список литературы

1. Характеристика многолетней мерзлоты

Многолетнемерзлые породы (ММП) распространены в основном на территории Восточной Сибири и Дальнего Востока, занимая общую площадь 10 млн. км2, что составляет более половины всей территории России. ММП также распространены на значительной территории Аляски и части территории Канады. Долгое время считалось, что максимальная глубина ММП составляет 600-700 м. Однако в северо-западной части Якутии бурением было установлено распространение ММП до глубины 1400 м. В районе расположения крупнейших месторождений ОАО «Газпром» (Уренгойского и Ямбургского) глубина ММП в среднем составляет 500-600 м.
Основными характеристиками ММП, от которых зависит степень осложнения условий строительства скважины, являются категория распространения (сплошное, прерывистое, островное), вид криогенной структуры (массивная, слоистая, сетчатая) и степень льдистости. Вопрос льдистости ММП изучен наименее всего, составлены лишь общие представления.
...

2. Осложнения при физико-химическом воздействии на ММП

При бурении в интервалах распространения ММП сцементированные льдом песчано-глинистые отложения разрушаются и легко размываются потоком бурового раствора. Это приводит к интенсивному кавернообразованию и связанным с ним обвалам и осыпям горных пород. При этом наиболее интенсивно разрушаются породы с низкой льдистостью и слабоуплотненные породы (из-за невысокой теплоемкости пород).
В разрезах ММП наиболее неустойчивы породы в интервале 0-200 м. При традиционной технологии бурения фактический объем ствола в них может превосходить номинальный в 3-4 раза. В результате разрушения ММП в ряде случаев происходит проседание кондуктора и направления, а иногда вокруг устья скважины образовываются целые кратеры, не позволяющие вести буровые работы.
В интервале ММП трудно обеспечить цементирование и крепление ствола из-за образования застойных зон бурового раствора в больших кавернах, откуда его невозможно вытеснить тампонажным раствором.
...

3. Осложнения при тепловом взаимодействии скважины с ММП

Бурящаяся скважина вступает с окружающими мерзлыми породами не только в физико-химическое взаимодействие. Чаще наиболее важным фактором, влияющим на устойчивость стенок ствола скважины в ММП, является тепловое воздействие. Имеющий обычно положительную температуру буровой раствор расплавляет лед в примыкающих к скважине ММП, в результате чего стенка скважины теряет устойчивость и разрушается. Чем выше температура бурового промывочного раствора, тем интенсивнее процесс кавернообразования, осыпей, обвалов и поглощений при проходке ММП.
Принципиальным моментом является необходимость перекрытия кондуктором всей зоны ММП не менее чем на 50 метров ниже. Например, если ММП находятся на глубине до 300 метров, то башмак кондуктора должен быть опущен не менее чем на 350 метров. Также важно перед кондуктором спустить направление глубиной не менее 20-30 метров с его обвязкой желобной системой.
...

3.1. Мониторинг теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами

Рисунок 1. Мониторинг теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами.

Сущность метода представлена на рисунке 1. На чертеже показаны две соседние скважины куста на одном из северных месторождений. Эти скважины являются источниками геофизических данных, позволяющих осуществлять мониторинг теплового взаимодействия скважин с ММП и с ниже залегающими газогидратными породами. На чертеже позициями 1, 2 обозначены две соседние скважины, соответственно, скважина № 1 и скважина № 2. Позицией 3 обозначен ствол каждой скважины, сформированный при ее бурении. С помощью позиции 4 показана спускаемая в каждую скважину наружная колонна, например кондуктор, который перекрывает ММП. Газогидратный пласт (ГГП) на чертеже обозначен позицией 5. ГГП, как правило, залегает ниже подошвы ММП, обозначенной позицией 6.
...

4.1. Сжатый воздух

Не замерзает при бурении, не отфильтровывает жидкость в поры мерзлоты, обладает низкой удельной теплоемкостью и поэтому считается наиболее предпочтительным промывочным агентом при бурении в ММП. Необходимые для очистки скважины массовые расходы воздуха обычно в 15-25 раз, а теплоемкость – в 4 раза меньше, чем для промывочной жидкости. Это существенно уменьшает опасность осложнений, связанных с протаиванием мерзлых пород.
Однако полностью опасность осложнений при использовании сжатого воздуха не снимается. На выходе из компрессора воздух имеет повышенную температуру (70-800С), в результате чего случаются случаи протаивания мерзлоты. Кроме этого имеются специфические осложнения, связанные с выпадением конденсата из воздуха (слипание частиц шлама, образование сальников, намерзание конденсата в соединениях, прихваты и пр.). Это требует использования эффективной системы принудительного охлаждения и осушения сжатого воздуха.
...

4.3. Буровые растворы

БР с малым содержанием твердой фазы. Они обязательно содержат флокулирующий реагент. В раствор с малым содержанием твердой фазы не рекомендуется вводить химические реагенты-пептизаторы. В отличие от них малоглинистые растворы содержат, кроме глины и воды, реагенты-стабилизаторы, которые вводятся для контроля за водоотдачей. Эти растворы характеризуются быстрым изменением плотности, вязкости и других свойств в результате перехода в раствор частиц выбуренной породы. К малоглинистым растворам относят растворы с содержанием глины не более 5%. [4]
Использование растворов, содержащих только техническую воду и глину, в настоящее время нерационально. Такая система может быть рекомендована только для получения пресных промывочных жидкостей с применением высококачественного бентонитового порошка и в тех случаях, когда возникает необходимость контролировать вязкость и статическое напряжение сдвига.
...

4.4. Термокейс

Месторождение находится в зоне распространения многолетнемерзлых пород. В среднем толщина этой зоны составляет 450-480 м. Климат района работ арктический: суровая продолжительная зима, короткое прохладное лето. Среднегодовая температура воздуха отрицательная - (-10, -11°C).
Бурение производится с БУ 3900/225 ЭКБМ с применением системы верхнего привода, направляющим долотом Ø555 МЦВ с расширителем РШБ-915 МС и утяжеленной бурильной трубой УБТ-240. Бурение осуществляется с промывкой вязкоупругим буровым раствором, обработанным полиакриломидными реагентами, что обеспечит устойчивость ММП благодаря возможности связывания свободной воды и качественный вынос разбуренной горной породы. Углубление шурфа осуществляется на длину термокейса с учетом спуска его верхней части ниже уровня поверхности земли на 1,2 м. Спуск термокейса осуществляется на допускном патрубке (из бурильной трубы) расчетной длины. Перед началом цементирования термокейс центрируется.
...