Проектування конструкцій свердловин в умовах вічної мерзлоти

У багатьох нафтогазовидобувних районах Півночі верхня частина геологічного розрізу складається з вічномерзлих порід. Товщина зони цих порід може досягати 600 і більше метрів.

Якщо порода має слабкі мінеральні зв’язки або вони зовсім відсутні (рихлий пісок), то порода нестійка (незцементована). Так само нестійка порода, яка має надлишкову льодовитість, тобто коли об’єм льоду в породі перевищує об’єм пор у талому стані в умовах залягання. Розмерзання таких порід призводить до їх руйнування.

Якщо порода не має надлишкової льодовитості, то мінеральні зв’язки між частинками під час танення льоду зберігаються і тоді буріння можна вести без ускладнень. Після закінчення буріння такого інтервалу вічномерзлих порід достатньо перекрити його кондуктором, башмак якого необхідно встановити на 100–200 м нижче від границі вічної мерзлоти в стійкій породі з постійною плюсовою температурою.

У нестійких породах, в яких цементом служить лід, розмерзання призведе до серйозних ускладнень, а саме: до утворення великих каверн і провалів, до розмиву устя. Перекриття таких порід кондуктором без спеціальних додаткових заходів з теплозахисту не усуває небезпеки ускладнень.

Для запобігання розмерзанню нестійких порід під час буріння і експлуатації існують два види теплозахисту: активний і пасивний.

За активного теплозахисту порід тепловий потік виводиться із свердловини на денну поверхню і розсіюється в атмосфері циркулюючим охолоджуючим агентом. Для цього потрібно потужне холодильне устаткування з насосом (компресором) і додаткова колона більшого, ніж кондуктор, діаметра. Активна система захисту знайшла широке застосування в практиці буріння.

Пасивний теплозахист ґрунтується на обмеженні величини теплового потоку від свердловини в породу. Різними способами створюється спеціальний тепловий екран на шляху переносу тепла. Для цього використовуються подвійні обсадні труби, простір між якими заповнений теплонепроникним матеріалом, наприклад, поліуретановою піною. Простіший варіант теплоізоляційної колони – коли обсадні труби зверху покриваються шаром поліуретанової піни товщиною 60 мм. Ці труби мають назву “термокейс”. Простір між обсадними колонами заповнюється антифризами: дизельним паливом, розчинами на нафтовій основі (РНО).

На рисунку 2.3 показано два варіанти конструк­ції свердловини: один з комбінованою системою термозахисту, а другий – тільки з елементами пасивного термозахисту.

Однією з проблем під час буріння свердловин в районах вічної мерзлоти є забезпечення стійкості устя. З цією метою направлення спускають по­довженим до 30 м, іноді з подвійними стін­ками, між якими ство­рюється ваку­ум (термос).

Ефективним засобом теплозахисту є венти­ляційний патрубок, який розміщується між кондук­тором і направленням, розділяючи кільцевий простір між ними на внутрішній і зовнішній, які сполучені знизу. Нагріте під дією тепла свердловини повітря виштовхується з внутрішнього кільця важчим повітрям, яке поступає йому на заміну з зовнішнього кільця. В сполученні з теплоізоляцією ствола свердловини вентиляційний патрубок є досить ефективним засобом для забезпечення стійкості устя на тривалий період експлуатації свердловини.