Осложнения, связанные с физико- химическим воздействием на ММП

4.1 Сложность бурения скважин в условиях залегания ММП
На сегодняшний день происходит увеличение темпов бурения скважин в осложненных условиях, таких как аномальные пластовые давления (как низкие, так и высокие), неустойчивые породы, породы высокой твердости, залегание многолетнемерзлых пород(ММП) и др. 
Многолетняя мерзлота распространена в России на территории различных регионов, занимая площадь 10 млн км2 , т.е. более 50 % всей территории страны (рисунок 4.1). В районах залегания ММП располагаются богатые залежи углеводородов – нефти и газа. 
 Значительная территория Аляски (США) и часть территории Канады также характеризуются наличием ММП. Большая часть нефтегазовых месторождений приурочена к этим регионам, что влечет за собой повышенный интерес к разработке технологий повышения качества бурения скважин в этих условиях. При этом глубина залегания ММП может доходить до 1400 м (Мархинская скважина в северо-западной части Якутии), но в основном она не превышает 600–700 м. Температура мерзлоты может достигать –8 °C, но чаще колеблется от 0 до –2,5 °С. В период нашего времени в России      приблизительно 50 % разведанных запасов нефти и 70 % 	природного газа прировнялась к местностям, характеризующимся распространением многолетнемёрзлых пород (ММП).

 
Рисунок 4.1

В настоящее время  геолого-геотермические условия залегания ММП изучены не в полную меру. Отсутствуют конкретные рекомендации по оценке такой важной характеристики как льдистость, очень мало данных о теплофизических свойствах пород.
В мерзлых породах различают три вида криогенной текстуры соответственно : массивную, слоистую, сетчатую. (рисунок 4.2)
 
Рисунок 4.2 – Три вида криогенной текстуры
В составе мерзлой породы может находиться незамерзающая поровая вода с различной степенью минерализации. Количество этой  воды во многом зависит от температуры и вещественного состава.
Одной из важнейшей характеристики ММП, от которой зависит степень осложнений условий при строительстве скважин является их льдистость.

4.2 Осложнения, связанные с физико- химическим воздействием на ММП.
При бурении в интервалах распространения ММП в следствии общего физико-хим влияния и эрозии в стены скважины сцементированные лед песчано-глинистые отложения рушатся и свободно размываются градом бурильногораствора. Данное  приводит к интенсивному кавернообразованию и связанным с ним обвалам и осыпям горных пород. Более усиленно рушатся породы с невысоким признаком льдистости и слабо уплотненные породы. Теплоемкость подобных пород невы¬сокая, и по этой причине их распад совершается значительно стремительнее, нежели по¬род с значительной льдистостью.	
 Среди мерзлых пород попадаются пропластки талых пород, многие из которых предположены к поглощениям бурового раствора при давлениях, незначительно превышающих гидростатическое давление столба в скважине. Поглощения в такие пласты бывают весьма интенсивные и требуют специальных мероприятий для их ликвидации или предупреждения. 
Процессы разрушения ММП довольно непростые и не достаточно изученные.
Циркулирующий в скважине буровой раствор термо- и гидродинамически взаимодействует как с горной породой, так и со льдом, при этом связь может сущетсвенно усиливаться физико-химическими процессами( например, растворением), которые никак не прекращаются даже при отрицательных температурах. Имеющий как правило положительную температуру буровой раствор расплавляет лед в прилегающих к скважине ММП. В следствии чего связность частиц породы друг с другом 	нарушается, стенка скважины утрачивает устойчивость и разрушается под действием несбалансированного горного давления и эрозии движущейся промывочной жидкостью. Опытным путем установлено: чем выше температура бурового раствора, тем интенсивнее процесс кавернообразования. осыпи, обвалы, поглощения при проходке ММП. Формированию этих нежелательных процессов способствуют большая продолжительность бурения в ММП, высокая интенсивность промывки скважины и степень турбулентности восходящего потока бурового раствора.
При бурении в толще многолетнемерзлых пород возникают следующие осложнения:
а) в интервалах 	залегания многолетнемерзлых пород и низкотемпературных талых пород образуются интенсивные кавернообразования (К„ > 1,5), обвалы и осыпи горных пород, размывы, провалы, которые могут привести к прихвату колон, потери ствола скважины, слому бурильного инструмента;
б) может произойти протаивание, размыв ММП и НТП за обсадными колонами в результате нарушения температурного режима, проникновение промывочного раствора с частичной или полной потерей циркуляции в стволе скважины, грифонообразование;
в) недопуск обсадных колонн до проектной глубины, неподъем цемента за направлением, кондуктором, разгерметизация резьбовых соединений, смятие обсадных колонн, насосно-компрессорных труб при обратном промерзании при длительных простоях, консервации скважин;
г) примерзание спускаемых обсадных колонн к стенке скважины — Нь1 в интервале залегания ММП в зимний период;
д) Выбросы бурового раствора, воды, газа из-за наличия в породе зажатых под давлением меж мерзлых вод и пропластков гидратов.
4.2 Способ бурения скважины в районе залегания ММП с продувкой охлажденным воздухом
Использование сжатого воздуха вместо промывочной жидкости является  большим шагом вперед в решении проблемы бурения в условиях ММП. Сжатый воздух, в отличие от воды и глинистых растворов, не замерзает при влиянии температуры и давления в процессе бурения, в результате чего полностью устраняются осложнения, связанные с замерзанием промывочной среды. Бурение скважин с продувкой представляет собой процесс строительства скважины, при котором очистка забоя осуществляется путем подачи газообразных агентов. В роли таких агентов выступают дисперсные системы, в состав которых помимо газообразного компонента могут входить жидкости различного типа.
Преимущество способа воздушной промывки в отличие от жидкостной является простое и надежное регулирование температурного режима скважины. Значительную часть года в районах распространения мерзлоты охлаждение сжатого воздуха до необходимых отрицательных температур является простым и дешевым методом - за счёт теплообмена с холодным воздухом в длинном трубопроводе. Только в летнее время нужна система принудительного охлаждения сжатого воздуха, элементы которой дешевы и в то же время долговечны.
В бурении с продувкой массовые расходы воздуха обычно выходят в 15-25 раз меньше массовых расходов любой промывочной жидкости, а его теплоемкость 1000 Дж/( кг•°С) соответственно  в четыре раза меньше. Поэтому можно сделать вывод что при одинаковой начальной температуре подаваемой в скважину промывочной среды воздух несет значительно меньше тепла, чем промывочная жидкость. В следствии чего снижается опасность осложнений, связанных с протаиванием и утратой устойчивости и монолитности мерзлых пород.
В вышеуказанном положении воздух как промывочный агент намного эффективнее, например, солевого бурового раствора (NaCl или CaCl2 в воде), который и не замерзает в скважине, но имеет возможность нести большой запас тепла который может нарушить естественное агрегатное состояние слагающих стенки скважины мерзлых пород. Впрочем нагнетаемый через компрессор непосредственно в скважину сжатый воздух,  снижая опасность и опасность появления осложнений, связанных с протиаванием мерзлых пород, не устраняет этих осложнений полностью. На выходе из компрессора сжатый агент всегда имеет высокую температуру, достигающую 70-80 °С	; при этом возможно  протаивание мерзлоты с последующими осложнениями.
Имеются также и осложнения специфического вида, связанных с выпадением конденсата из воздуха при его резком охлаждении в скважине и выражающихся в слипании коллоидной фазы шлама, образовании сальников, намеразании конденсата в резьбовых соединениях, уменьшении проходных сечений и в результате этого прижогах долота, прихватах снаряда и др. Эти осложнения вызваны в следствии недоучета температурного режима при бурении.
Также и при незначительных глубинах до 100-200 м температура продувочного агента в скважине значительно меняется. Причина в том, что у воздуха меньше теплоемкость и массовый расход по сравнению с промывочными жидкостями, продувочный агент несет с собой незначительный запас холода или тепла и поэтому мгновенно приобретает с глубиной температуру, близкую к температуре слагающих мерзлых пород.
Наиболее нежелательные условия бурения по мерзлым породам получаются из-за высоких температур нагнетаемого в скважину воздуха, особенно при его больших расходах. Это ведет к тому что по всему стволу скважины может сохраниться положительная температура воздуха, что приведет к противанию ММП. При незначительных расходах продувочного агента, начиная с некоторой глубины скважины, его высокая температура перестает быть значимой для бурения. В верхнем участке ствола, где влияние начальной температуры сохраняется, будущие осложнения можно предупредить с помощью установки осадной колонны. Во всех вариантах бурения с продувкой воздухом его температура резко возрастает у забоя скважины за счет тепла, получаемого от  долота. 						При использовании охлажденного агента максимум температуры в скважине (при нетеплоизолированных бурильных труб) устанавливается, как правило, у забоя и лишь при небольшой глубине и значительном расходе холодного агента- на немного выше забоя скважины.  									          Задачу с  резким повышением температуры воздуха в призабойной части ствола скважины можно решить установкой специального генератора холода (вихревого холодильника) в сочетании с охлажденным воздухом с поверхности (устья). Снаряд отличается небольшими размерами, отсутствием движущихся частей. Он создает в холодной струе при перепаде давления 0,5 МПа температуру агента до минус    40-50 °С; также кроме холодильника можно использовать пневмоударный инструмент, трубодентандер, или пневматический забойный двигатель. 
Нужно в любом варианте бурения по мерзлым породам проводить осушение и охлаждение сжатого воздуха на поверхности в нужном отношении, что позволит простым способом устранить осложнения, связанные с выпадением конденсата. Охлаждение продувочного агента без специальных мер его осушения почти всегда сопровождается конденсацией и отводом влаги.    
При бурении скважин с продувкой возможны следующие способы охлаждения сжатого воздуха:
а) в результате теплообмена с естественным хладоносителем (атмосферным воздухом, проточной водой, мерзлыми породами, льдом) с помощью разделительных (поверхностных), смесительных или иной конструкции холодильников;
б) в результате изменения внутреннего баланса энергии самого сжатого воздуха при его расширении или изменении формы движения (адиабатическое расширение с отдачей внешней работы, дросселирование, вихревой эффект);
в) путем теплообмена с кипящим при низкой температуре хладагентом (фреоном, аммиаком и др.) в парокомпрессионных, пароэжекторных, адсорбционных холодильных машинах, а также при использовании прочих машинных способов охлаждения.
Из известных способов охлаждения наиболее общедоступным и простым является теплообмен с естественным хладносителем. На крайнем севере России в зимний период имеются лучшие условия для охлаждения сжатого воздуха до отрицательных температур за счет теплообмена с окружающим атмосферным воздухом в разделительных теплообменниках. Также можно использовать как естественные хладоносители в этих условиях- лед и многолетнемерзлые породы.



4.3 Бурение в условиях ММП с применением газожидкостных дисперсных систем
В качестве самостоятельных очистных агентов можно использовать газожидкостные системы которые делятся на аэрированные жидкости, пены и туманы. Пены относятся как правило к многофазным дисперсным системам, в которых дисперсной фазой служит газ, а дисперсной средой жидкость. Отличие аэрированных жидкостей от пен в том, что в них концентрация газа намного меньше, пузыри газа не взаимодействуют между собой и имеют шарообразную форму. В пенах дисперсная система, в которой газообразная фаза составляет основную часть объёма - до 99%.  										Газожидкостные системы имеют ряд больших технологических преимуществ из-за входящих в них известных преимуществ состоящих из двух компонентов – жидкости и газа. Таким образом, результат, достигаемый от использования газожидкостных систем обоснуется присутствием в них газовой фазы, позволяющей значительно снижать гидростатическое давление столба промывочной жидкости, создавать условия для лучшего выноса бурового шлама на поверхность. Однако жидкая фаза, содержащая различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), химические реагенты (КМЦ, гипан и др.), а также глинопорошок, смазывающие, ингибирующие, противоморозные и другие добавки, позволяющие повысить показатели бурения, создает лучшие условия для нормального охлаждения и работы породоразрушающего инструмента по сравнению с продувкой скважины сжатым воздухом. 													Имеется также преимущество газожидкостных систем по сравнению с продувкой сжатым агентом в создании лучшего условия работы и охлаждения долота со взаимодействием различных поверхностно-активные веществ (ПАВ), реагентов понизителей водоотдачи (КМЦ, гипан), со смазочными, ингибирующими,  противоморозными и другими добавками. Добавки  позволяют повысить показатели бурения.
В наше время газожидкостные системы используются при бурении скважин на нефть, газ и воду. Они могут использоваться при любом способе бурения.  Результаты бурения скважин на севере Канады выявили, что использование пресных стабильных пен в породах с отрицательными температурами не следует. Пена с температурой на 2–7 °С выше точки замерзания уже через 1,5 ч после прекращения циркуляции замерзала, поэтому в состав пен рекомендуется вводить противоморозные добавки. Имеются различные способы для предотвращения замерзания пен в зимних условиях. Многие исследователи приходят к выводу что при использовании пен резко сократились прихваты бурового инструмента в скважине и снизилась коррозионная агрессия, также применение пен способствует уменьшению загрязнения окружающей среды. Пена, как и все очистные агенты, не может применяться во всех случаях. Пену как очистной агент нельзя применять при бурении несцементированных рыхлых отложений, сильно обводненных пород с притоками более 31,7 м3/ч , а также пластов с аномально высокими давлениями, где давление превышает вес гидростатического столба пены в скважине.
Аэрированные жидкости получают вводом воздуха или газа в растворы различного типа. Есть два способа получения аэрированной жидкости: компрессорный и бескомпрессорный.
Эффективность аэрированных жидкостей можно добиться с помощью добавки в раствор поверхностно активных веществ. В аэрированном растворе ПАВ уменьшает слипание разбуренных частиц, снижает коррозионное воздействие воздуха или газа в дисперсной системе, поддерживается стабилизация дисперсной системы, улучшает условия выноса шлама на поверхность за счет высоких смачивающихся и соединяющихся свойств ПАВ.

4.4 Теплофизические свойства пен
Стабильные пены представляют из себя гетерогенные системы, в которых физические и геометрические свойства сохраняются до определенного времени их присутствия. При этом теплоемкость жидкого компонента намного выше газового. С ростом плотности пены теплопроводность ее будет повышаться, потому что передача тепла в пене идет через пузыри газа и жидкие пленки между ними. Но все ровно теплопроводность пены мала из-за наличия в системе газовой фазы.
При бурении с применением пены растепление мерзлых пород в стенках скважины и керна сводится к минимуму или практически не происходит, из-за того что имеет небольшой расход, имеет низкую начальную температуру и небольшой запас теплоты. В отличие от других очистных агентов, пена не требует предварительного охлаждения.
.......................