Суровый климат и широкое распространение многолетней мерзлоты налагают особые требования строительства и эксплуатации скважин. Так, все промысловые сооружения, а также буровые установки должны обладать повышенной тепло- и ветрозащищенностью, персонал должен быть защищен арктической одеждой и обувью, пройти спецподготовку к работе в северных условиях. Вопросы строительства буровых площадок и свайных оснований также имеют свою специфику. Традиционная отсыпка кустовых оснований осложняется отсутствием строительного материала, завоз которого чрезвычайно дорог. Поэтому часто проектируются свайные основания с учетом веса буровой установки и вспомогательных сооружений. Диаметр и частота отверстий под металлические сваи рассчитываются, исходя из проектируемой нагрузки. Технологии строительства скважин в северных условиях постоянно совершенствуются. Например, относительно недавно появились технология строительства специальных арктических свайных платформ и технология строительства скважин со снежно-ледовых площадок, при которой заливается ледовая площадка, являющаяся и фундаментом буровой установки, и защитой тундрового покрова.

Существует определенная специфика крепления скважин, которая заключается в необходимости обеспечения быстрого «схватывания» цемента, пока он не успеет растопить стенки скважины. При низких температурах обычный цемент схватывается долго, поэтому для северных условий используются специальные цементы и ускорители «схватывания». В качестве ускорителей обязательны добавки в цемент 6-8% CaCl₂. Часто используют специальные арктические марки цемента, например «permafrost». Его особенностью является быстрый срок схватывания при меньших потерях объема.

С этих позиций бурение вертикальных, наклонно-направленных, многоствольных и горизонтальных скважин через многолетнюю мерзлоту имеет дело с одним и тем же кругом вопросов, а именно:

• Химико-физическое воздействие на многолетнюю мерзлоту;
• Тепловое взаимодействие скважины и окружающей мерзлоты;
• Подбор типа и компонентного состава промывочного бурового раствора.

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. Например, известно, что в Тюменской области льдистость ММП в интервале 0-30 м составляет 40-60%, причем наибольшая льдистость соответствует глубине 30-50 м.

По вертикали ММП подразделяются на три слоя:

1. Слой сезонного оттаивания и промерзания мощностью до 5 метров. Температура слоя колеблется от плюсовой (среднелетней), до наиболее низкой минусовой (среднезимней). В результате сильных изменений (фазового состояния) этого слоя отмечаются сезонные пучения и осадки грунтов.

2. Слой годовых колебаний температур мощностью до 30 метров. Как правило, этому слою присуща наибольшая льдистость, постоянство отрицательных температур в нижней части слоя (до минус 4-5?С) и сезонные колебания отрицательных температур в основной части слоя от 0?С до минусовых температур, тяготеющих к среднезимним.

3. Многолетнемерзлая толща (вечная мерзлота). Характеризуется постоянством отрицательных температур, не зависящих от сезонных колебаний температур на дневной поверхности. Наиболее низкие температуры обычно характерны для верхней части толщи (до минус 4-5?С). По мощности эта толща составляет основную и наибольшую часть разреза многолетней мерзлоты.

В составе ММП может находиться незамерзающая вода с различной степенью минерализации. Количество этой воды зависит от температуры, вещественного состава и солености. Например, считается, что тонкодисперсные мерзлые глины могут содержать незамерзшую воду даже при температуре минус -50?С.

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[1] и направления[2], а иногда вокруг устья[3] 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[4]. Зачастую цементирование получается односторонним при несплошном цементном кольце, что создает условия для межпластовых перетоков и смятия колонн.

Для предупреждения кавернообразования, разрушения устьевой зоны, осыпей и обвалов при бурении скважин в ММП, буровой промывочный раствор должен отвечать нескольким требованиям:

• Обладать низким показателем фильтрации;
• Содержать количество солей, равновесное с жидкостью в ММП;
• Создавать на поверхности льда в ММП плотную непроницаемую пленку;
• Обладать низкой эрозионной способностью;
• Иметь низкую удельную теплоемкость;
• Образовывать фильтрат, не создающий с жидкостью породы истинных растворов;
• Быть гидрофобным к поверхности льда.

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[5] 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. Это связано с необходимостью предохранения устья скважины от размыва при бурении под кондуктор.

Проблемы строительства скважин в районах распространения ММП порой не прекращаются после их закрепления колонной (кондуктором). При длительных остановках или при использовании охлажденных ниже 0?С буровых растворов происходит обратное промерзание растепленных скважиной ММП и бурового раствора, находящегося в кавернах. В результате возникает огромное, неравномерное по периметру внешнее давление на обсадные трубы, приводящее в ряде случаев к их слому.

Еще одной проблемой при эксплуатации скважин в зоне ММП может являться повышенное гидратообразование. Причем, при остановках скважины может происходить ее полная блокировка газогидратами.

Горные породы, слагающие разрез скважины ниже распространения ММП, имеют положительную температуру, увеличивающуюся по мере углубления забоя. Например, на глубине 3000 метров температура горных пород может достигать +80 — +100?С. Нагретый на этой глубине циркулирующий буровой раствор нагревает приствольную зону ММП за кондуктором и растепляет ее. Обсадная колонна в зоне ММП может подвергаться многократному растеплению и промерзанию. В результате отмечаются как случаи повреждения кондукторов, так и случаи проседания их вглубь скважины.

Решение проблемы растепления зоны ММП состоит, с одной стороны, в учете этого явления при расчете прочностных характеристик обсадных колонн на смятие внешним давлением, а с другой — регулирование температуры нагнетаемого в скважину бурового раствора до значений, близких к температуре плавления льда, скрепляющего частицы ММП.

Для предотвращения кавернообразования используются следующие рекомендации:

• Использование для бурения ММП охлажденных до температуры плавления льда буровые растворы (практически, их температура должна быть не выше +0,5?С);
• Сведение к минимуму способности буровых растворов растворять лед;
• Соблюдение умеренных скоростей циркуляции бурового промывочного раствора в кольцевом пространстве скважины.

4. Типы буровых промывочных агентов

В настоящее время наилучшим способом соблюдения описанных выше рекомендаций является выбор специальных промывочных сред. Например, в Канаде получены значительные успехи в профилактике кавернообразования, осыпей и обвалов при проходке ММП через использование в качестве промывочных агентов пены, воздуха, эмульсии и растворов на нефтяной основе. Такого рода промывочные жидкости незначительно отфильтровывают жидкость в поры породы, нейтральны по отношению ко льду, обладают пониженной теплоемкостью.

Наилучшими промывочными агентами с точки зрения предотвращения растепления ММП являются осушенный воздух и пена. 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 (70-80?С), 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.

Наиболее рационально охлаждение сжатого воздуха в результате теплообмена с атмосферным. На практике этот способ применяется в зимнее время (например, с помощью использования компактного ребристо-трубчатого холодильника). В летний период охлаждение таким способом менее эффективно, но также полезно. Снижение температуры сжатого воздуха от 80 (на выходе из ресивера компрессора) до 25?С (на выходе из теплообменника) позволяет более чем втрое снизить внутреннюю энергию воздушного потока. При этом в зимний период может эксплуатироваться лишь первая ступень охлаждения, достаточная для получения сжатого воздуха с температурой минус -10?С, а в летний период желательно сочетать ее со второй ступенью охлаждения.

Газожидкостные системы, используемые при бурении как промывочные агенты, делятся на аэрированные жидкости, туманы и пены.

Пены — это, как правило, многофазные дисперсные системы, где дисперсионной средой служит жидкость, а дисперсной фазой — газ, который составляет до 99% объема системы. В аэрированных жидкостях концентрация газа значительно ниже, его пузырьки, имеющие специфическую форму, не контактируют между собой.

Существенные технологические преимущества систем жидкость — газ обусловлены следующим. Присутствие газовой фазы способствует снижению в широком диапазоне гидростатического давления столба промывочного агента, обеспечивает лучшие условия удаления из скважины шлама и т.д. Жидкая фаза, содержащая поверхностно-активные вещества (ПАВ), химические реагенты (например, гипан), глинопорошок, смазывающие, ингибирующие, противоморозные и прочие добавки, определяет их большую эффективность в осложненных условиях, чем многих других промывочных агентов.

Газожидкостные системы широко применяются при бурении скважин, в том числе из-за снижения затрат энергии, расхода дизельного топлива (до 30%) по сравнению с продувкой скважины сжатым воздухом, а также почти вдвое меньшие эксплуатационные расходы при бурении ММП. Пены обладают высокой несущей и выносной способностью при малой скорости восходящего потока в затрубном пространстве — почти в 10 раз меньшей, чем при бурении скважин с продувкой сжатым воздухом. Все вместе это приводит к значительному снижению сроков строительства скважин. Например, во время бурения в зонах водопритоков и поглощений на северо-западе Канады забой очищался воздухом, аэрированной жидкостью, туманом и пеной. Скважины глубиной до 1000 м с пеной проходились за 16 суток против 35-65 суток с применением других промывочных агентов, т.е. в 2-4 раза быстрее.

Для получения пен в настоящее время все чаще используется азот. Этот газ инертен, не горюч, его содержание в атмосфере 78%. На буровые азот доставляется в сжиженном виде в специальных контейнерах. При его вводе в промывочную жидкость образуется пена. Содержание азота в промывочных жидкостях варьируется от 50 до 95% в зависимости от решаемой технологической задачи.

---

[1] Колонна обсадных труб, предназначенных для разобщения верхнего интервала разреза горных пород, изоляции пресноводных горизонтов от загрязнения, монтажа противовыбросового оборудования и подвески последующих обсадных колонн. Устанавливается после (ниже) направления.[2] Первая колонна труб или одна труба, предназначенная для закрепления приустьевой части скважин от размыва буровым раствором и обрушения, а также для обеспечения циркуляции жидкости. Обычно направление спускают в заблаговременно подготовленную скважину и бетонируют на всю длину. Иногда направления забивают в породу, как сваю (особенно на болотах).

[3] Верхняя часть скважины

[4] Раствор для цементирования скважины (другое название — цементный раствор, что не совсем точно). Часто твердая фаза представлена портландцементом, или другими «тампонирующими» материалами.

[5] Короткая утолщенная труба, предназначенная для оборудования низа обсадных колонн из труб диаметрами 114-508 мм с целью направления их по стволу скважины и защиты от повреждений при спуске.