6. Осложнения при бурении скважин в многолетнемерзлых породах

Согласно принятой терминологии мерзлыми породами называ­ются такие породы, которые имеют нулевую или отрицательную температуру, и в которых хотя бы часть воды замерзла.

Суммарная льдистость мерзлой породы Л_с — отношение содержащегося в объеме породы льда к объему мерзлой породы — определяется из следующего выражения, %:

л_с = л_в + л_ц, (6.1)

где Л_в — льдистость породы, избыточная за счет ледяных включе­ний, %; Л_ц — льдистость породы за счет порового льда (льда-це­мента), %.

По льдистости мерзлые породы делятся на малольдистые (со­держание льда менее 10 %), слабольдистые (менее 25 %), льдис­тые (25...40%) и сильнольдистые (более 40%).

Многолетнемерзлые (вечномерзлые) породы (ММП) — это породы, находящиеся в мерзлом состоянии в течение многих лет (от трех и более).

В верхней части геологического разреза многих северных райо­нов (Коми, Западная Сибирь, Аляска, Канада и др.) залегает тол­ща многолетнемерзлых пород; мощность этой толщи иногда дос­тигает 500 м и более. В состав ее могут входить как хорошо связные прочные породы (известняки, песчаники и т.п.), так и поро­ды несвязные (пески, галечники и т.п.), единственным цемен­тирующим материалом для которых является лед.

При бурении в толще многолетнемерзлых пород возникают сле­дующие осложнения:

- интенсивное кавернообразование (К_к > 1,5) в интервалах за­легания ММП и низкотемпературных талых пород (НТП), осыпи и обвалы пород, приводящие к прихвату, слому бурильного ин­струмента; размыв, провалы фундамента под буровой установ­кой в результате протаивания мерзлых пород, прилегающих к по­верхности;

- протаивание, размыв ММП и НТП за направлением, кондук­тором, проникновение бурового раствора в затрубное простран­ство, в том числе соседних близкорасположенных скважин при бурении с поглощением бурового раствора с частичной или пол­ной потерей его циркуляции в стволе, грифонообразование;

- недопуск обсадных колонн до проектной глубины, неподъем цемента за направлением, кондуктором, разгерметизация резьбо­вых соединений, смятие обсадных колонн, насосно-компрессорных труб в случае обратного промерзания при длительных просто­ях, консервации скважин;

- примерзание спускаемых обсадных колонн к стенке скважины в интервале залегания ММП в зимний период;

- выбросы бурового раствора, воды, газа из-за наличия зажатых мерзлых вод и пропластков гидратов.

Бурение скважины в ММП должно осуществляться в строгом соответствии с Регламентом технологии строительства скважин в условиях многолетнемерзлых пород с контролем качества в про­цессе бурения и крепления (РД 39-009-90 Миннефтегазпрома). Согласно этому регламенту, скважина считается качественно по­строенной в интервале залегания ММП, если в результате при­менения выбранной конструкции и технологии бурения пре­дотвращаются осложнения, перечисленные выше; обеспечива­ется К_к < 1,3 в интервале криолитовой зоны и спуска кондуктора; качество цементирования: 40 % длины колонны в интервале крио­литовой зоны отмечается как хорошее и удовлетворительное, при­чем ниже криолитовой зоны, над башмаком кондуктора, на высо­ту не менее чем 60 м, как хорошее.

Конструкция скважин в зоне залегания ММП должна обеспе­чивать надежную сохранность ее устья, предотвращать промыв бу­ровым раствором затрубного пространства за направлением и кон­дуктором, а также образование воронок, провалов пород в приус­тьевой зоне в процессе всего цикла строительства скважины, а также при ее испытании и дальнейшей эксплуатации.

Эксплуатационная колонна в интервалах залегания ММП дол­жна состоять из труб, выдерживающих давления, которые возникают при обратном промерзании затрубных и межтрубных про­странств. При использовании труб меньшей прочности должны осуществляться специальные мероприятия (управляемое замораживание затрубного пространства, периодические прогревы и др.) предотвращающие смятие колонн и нарушение резьбовых соеди­нений при обратном промерзании.

Основным способом предотвращения осложнений при бурении в многолетнемерзлых породах является сохранение отрица­тельной температуры стенок скважины. Для этой цели применяют различные буровые среды: от охлажденного воздуха и буровых растворов до устойчивой пены. При использовании буровых растворов на водной основе приходится также решать проблему пре­дупреждения замерзания раствора при длительном прекращение промывки.

В наибольшей мере усло­виям бурения в многолетнемерзлых породах отвечает технология бурения с применением продувки воздухом, охлажденным до отрицательных тем­ператур.

Массовые расходы воздуха обычно в 15-25 раз меньше расхода лю­бой промывочной жидкости, а его теплоемкость 10³ Дж/(кг- °С) в 4 раза меньше. При одной и той же начальной температуре воздух несет в 60-100 раз меньше тепла, чем циркулирующая жидкость. Это существенно сни­жает опасность осложнений, связанных с протаиванием мерзлых пород. Воздух значительно эффективнее солевого раствора, который, хотя и не замерзает в скважине, легко может нарушить естественное агрегатное состояние мерзлых пород. Однако и сжатый воздух не всегда устраняет осложнений, связанных с протаиванием пород. Для регулирования и нор­мализации температурного режима скважин при бурении с продувкой в мерзлых породах необходимо предусматривать эффективную систему принудительного охлаждения и остужения сжатого воздуха.

В районах распространения многолетнемерзлых пород наиболее ра­ционально применять пены.

В последние годы в отечественной и зарубежной практике бурения скважин на нефть и газ все чаще для получения пен используется азот. Газ инертен, не горюч, содержание его в атмосфере 78%. На буровые азот доставляют в сжиженном виде в специальных контейнерах. При его вводе в промывочную жидкость образуется пена. Содержание азота в промы­вочных жидкостях изменяют от 50 до 95% в зависимости от решаемой технологической задачи.

После разбуривания всей толщи многолетнемерзлых пород ствол скважины закрепляют обсадной колонной, башмак которой уста­навливают на 100... 150 м ниже глубины промерзания. При цементировании следует подбирать цементы с низкой температурой гидратации, низкой теплопроводностью и высокой скоростью выделения тепла при гидратации. В газовых и газоконденсатных скважинах кольцевое пространство между кондуктором и стенкам ствола скважины рекомендуется герметизировать с помощью пакера, устанавливаемого в 10... 20 м от башмака. Это позволяет предотвратить прорыв в заколонное пространство и образование грифонов вокруг устья скважин, что часто наблюдается при растеплении мерзлых пород.

Учитывая, что зона ММП, как правило, состоит из рыхлых и неустойчивых пород, большое значение имеет продолжитель­ность бурения под кондуктор, которая должна составлять (для ус­ловий Западной Сибири) не более 1... 2 сут. За это время при при­менении качественного глинистого раствора с температурой не выше 5 °С осложнений, как правило, не бывает, и спуск колонны происходит нормально. Если же продолжительность бурения по каким-либо причинам увеличивается до 4...5 сут и более, то воз­никают обвалы и необходимость в многократных проработках.

Технология строительства и конструкция скважин должны от­вечать требованиям охраны окружающей среды в зонах залегания ММП в условиях Крайнего Севера.

Контрольные вопросы по шестому разделу:

1. Что такое льдистость горных пород?

2. Какие осложнения возникают при бурении многолетнемерзлых пород?

3. Какие профилактические меры предпринимаются для предотвращения осложнений при бурении в многолетнемерзлых породах?

4. Какие требования к конструкции скважин предъявляются при бурении в многолетнемерзлых породах?

5. Какие требования предъявляются к тампонажным материалам при тампонировании скважин, буримых в многолетнемерзлых породах?