Анализ особенностей строительства эксплуатационных скважин в условиях многолетнемерзлых пород

Цель данного исследования заключалась в представлении результатов анализа особенностей строительства и эксплуатации скважин на нефть и газ в условиях многолетнемерзлых пород. При рассмотрении соответствующих данной теме материалов применялся метод сравнительного анализа. Объектом исследований являлись технологии и оборудование, применяемые для качественного и быстрого строительства глубоких скважин в условиях многолетнемерзлых пород. В результате происходят осложнения и аварии в виде обрушения стенок скважины, наличия каверн, прихватов, смятия обсадных колонн и просадки устьевого оборудования. Замечено, что наиболее неустойчивые породы в разрезах многолетнемерзлых пород находятся в интервале 0–200 м. Проведен анализ влияния температуры на интенсивность теплового взаимодействия в системе «промывочный агент – устье скважины – бурильная (эксплуатационная) колонна». Установлено, что основным способом предотвращения осложнений при бурении многолетнемерзлых пород является сохранение отрицательной температуры стенок скважины. Рассмотрено применение термоизолирующих обсадных труб для формирования направляющей колонны скважины. Отмечено, что в качестве основного способа при бурении криолитозоны целесообразно использовать роторный способ, а бурение под шахтовое направление осуществлять с помощью шнека без применения промывки. Установлено, что в бурении при использовании буровых растворов приходится решать проблему предупреждения замерзания раствора при длительном прекращении промывки. Учитывая, что зона многолетнемерзлых пород, как правило, состоит из рыхлых, неустойчивых пород, большое значение имеет продолжительность бурения под кондуктор, которая должна быть не более трех суток. За это время при применении качественного глинистого раствора с температурой от 0,5 до 2,5 °C осложнений почти не бывает. Исследована реальная возможность использовать в качестве очистного агента буровой раствор с отрицательной температурой, а также его же с положительной температурой, но с применением дополнительных специальных технологий. Признано, что применение буровых растворов с отрицательной температурой неэкономично. Установлено, что для предупреждения растепления многолетнемерзлых пород недостаточно только предварительного охлаждения циркулирующего раствора, необходимо также при проектировании режима бурения выбирать повышенные значения частоты вращения и осевой нагрузки на забой при одновременном изменении количества подаваемой в скважину жидкости. Рассмотрены варианты реализации технологии бурения буровых растворов с увеличением его степени минерализации. Отмечено, что если степень минерализации буровых растворов и поровой воды многолетнемерзлых пород одинакова, то система «скважина – порода» будет находиться в изотоническом равновесии.

1. Аветов Н.Р., Якушев В.С. Распространение и особенности заколонных газопроявлений на Ямбургском нефтегазоконденсатном месторождении // Газовая промышленность. 2017. № 6. С. 26–30. EDN: YUPZHD.

2. Ваганова Н.А., Махнаева В.В., Филимонов М.Ю. Моделирование последствий воздействий на вечную мерзлоту от технических систем на северных нефтегазовых месторождениях // Математическое моделирование в естественных науках. 2017. Т. 1. С. 53–57. EDN: ZMNINN.

3. Мазыкин С.В., Ноздря В.И., Мнацаканов В.А., Полищученко В.П., Царьков А.Ю., Скотнов С.Н. Комплексное решение проблем бурения скважин Северо-Веситинского месторождения // Бурение и нефть. 2014. № 3. С. 23–24. EDN: RXXCZT.

4. Литвиненко Б.С., Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. М.: Недра, 1991. 295 с. EDN: YMBEHV.

5. Are F.E. The problem of deep gas release into the atmosphere // Permafrost response to economic development, environmental security and natural resources / eds R. Paepe, V.P. Melnikov, E. Van Overloop, V.D. Gorokhov. Berlin: Springer, 2001. P. 497–509. https://doi.org/10.1007/978-94-010-0684-2_34.

6. Егоров Н.Г. Бурение скважин в сложных геологических условиях: монография. Тула: Гриф и К, 2006. 301 с. EDN: QMYJNF.

7. Nelson F.E., Anisimov O.A., Shiklomanov N.I. Subsidence risk from thawing permafrost // Nature. 2001. Iss. 410. P. 889–890. https://doi.org/10.1038/35073746.

8. Шанаенко В.В. Бурение в вечной мерзлоте – больше не проблема // Нефть. Газ. Новации. 2014. № 11. С. 25–27. EDN: TELLBN.

9. Zubrzycki S. Drilling frozen soils in Siberia // Polarforschung. 2012. Vol. 81. Iss. 2. P. 151–153.

10. Kutasov I.M., Eppelbaum L.V. Time of refreezing of surrounding the wellbore thawed formations // International Journal of Thermal Sciences. 2017. Vol 122. P. 133–140. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2017.07.031.

11. Медведский Р.И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах. М.: Недра, 1987. 230 с.

12. Перейма А.А., Черкасова В.Е. Биополимерные промывочные жидкости для бурения скважин в мерзлых породах // Газовая промышленность. 2010. № 3. С. 66–69. EDN: LABUCF.

13. Перейма А.А., Кондренко О.С., Минченко Ю.С. Биополимерглинистые буровые растворы для проводки скважин в зоне многолетнемерзлых пород // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2011. Т. 1. С. 28–31. EDN: NCQHYH.

14. Debruijn G., Popov M., Bellabarba M. Study of cementing practices in the Arctic region // Society of Petroleum Engineers: Arctic Technology сonf. (Houston, 3–5 December 2012). Houston, 2012. Vol. 1. P. 306–317. https://doi.org/10.4043/23744-ms. EDN: WVNQLJ.

15. Орешкин Д.В., Семенов В.С., Розовская Т.А. Облегченные тампонажные растворы с противоморозными добавками для условий многолетнемерзлых пород // Нефтегазовое хозяйство. 2014. № 4. C. 42–45. EDN: SBKKRD.

16. Korostelev A.S. Design and field practice of application of Arctic cement systems for well construction in permafrost zones. Arctic and Extreme Environments Conference and Exhibition (Moscow, October 2011). Moscow, 2011. Vol. 2. P. 880–894. https://doi.org/10.2118/149928-MS.

17. Marques C., Castanier L.M., Kovscek A.R. Super insulated wells to protect permafrost during thermal oil recovery // International Journal of Oil Gas and Coal Technology. 2011. Vol. 4. Iss. 1. Р. 4–30. https://doi.org/10.1504/IJOGCT.2011.037742.

18. Полозков К.А., Близнюков В.Ю., Полозков А.В., Гафтуняк П.И. Теплоизоляция конструкций добывающих скважин в зонах распространения многолетнемерзлых пород // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2009. № 11. С. 14–17. EDN: MLJGLZ.

19. Samarskii A.A., Vabischevich P.N. Computational heat transfer, volume 2: the finite difference methodology. New York: John Wiley & Sons, 1996. 432 p.

20. Vaganova N.A., Filimonov M.Yu. Simulation of freezing and thawing of soil in Arctic regions // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Ekaterinburg, 19 May 2017). Ekaterinburg, 2017. Vol. 72. P. 12005. https://doi.org/10.1088/1755-1315/72/1/012005.

21. Vaganova N.A., Filimonov M.Yu. Computer simulation of nonstationary thermal fields in design and operation of northern oil and gas fields // Applications of Mathematics in Engineering and Economics: 41st Intern. conf. (Sozopol, 8–13 June 2015). Sozopol, 2015. Vol. 1690. Iss. 1. P. 20016. https://doi.org/10.1063/1.4936694.

22. Гасумов П.А., Толпаев В.А., Кондренко О.С. Расчет изотермического фронта протаивания вечной мерзлоты по данным, полученным при бурении скважин // Строительство нефтяных и газовых скважин на суше и на море. 2011. № 11. C. 37–41. EDN: NQRWPB.

23. Wang Z., Wang X., Sun B., Deng X., Zhao Y., Gao Y., et al. Analysis of wellhead stability during drilling in Arctic permafrost zone // ASME 2017 36th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering (Trondheim, 25–30 June 2017). Trondheim, 2017. Vol. 8. P. 25–32. https://doi.org/10.1115/OMAE2017-61868.