Растепление мерзлой породы

Растепление и разрушение стенок скважин циркулирующим буровым раствором с положительной температурой создает серьезные затруднения (оползни и обвалы рыхлых пород, снижение выхода керна, замерзание раствора, низкое качество цементирования) и нередко приводит к тяжелым авариям (смятие обсадных колонн, прорыв газа за кондуктором во время газопроявлений, образование грифонов и провала устья скважины).

Главной причиной перечисленных осложнений является нарушение температурного режима бурящейся скважины вследствие применения технологии бурения без учета теплообменных процессов между мерзлыми породами и циркулирующим буровым раствором. Наиболее полно с учетом определяющих факторов задача о температурном режиме скважины, пригодная для практических расчетов решена Б.Б.Кудряшовым.

Растепление мерзлой породы с потерей связанности наступает, когда породе передано количество тепла достаточное не только для ее нагрева от естественной отрицательной температуры до 0 °С, но и для перехода содержащегося в породе льда-цемента в жидкое состояние. Поэтому полной гарантией от осложнений, связанных с протаиванием сцементированных льдом мерзлых пород, следует считать соблюдение условия t_max≤^0°С, т.е. чтобы ни в одной точке ствола скважины температура циркулирующей жидкой или газообразной промывочной среды не превышала 0 °С.

Точные аналитические зависимости, описывающие нестационарное поле температур в бесконечном массиве, окружающем скважину. Весьма сложны.

Для определения радиуса зоны протаивания окружающих скважину мерзлых пород получена формула

                    (17.34)

где R_о - радиус скважины, м; k_агр - коэффициент интенсификации теплообмена при агрегатном переходе; k'_τ=4/3k_τ (k_τ - коэффициент нестационарного теплообмена Вт/(м2 °С); t - температура промывочной среды в кольцевом пространстве; Т_п - температура мерзлых пород; τ - продолжительность циркуляции, в; ψ - скрытая теплота плавления льда, ψ=3,34Т05Дж/кг; ρ_п - плотность породы, кг/м3; W_п - активная массовая влажность породы (отношение массы льда или свободной воды в единице объема мерзлой или немерзлой породы к ее объемной плотности), доли единицы.

Приближенная расчетная формула для определения радиуса зоны теплового влияния R_п скважины (горной выработки) на окружающие породы имеет вид

                   (17.35)

Для оценки достоверности формул (17.34) и (17.35) для практических растчётов рассмотрены конкретные примеры определения R_агр и R_п в массиве пород с естественной температурой Т_п=-3°С вокруг скважины диаметром 160 мм (R₀=0,08 м), продуваемой воздухом температурой t=20°C в течение τ=8 ч, (τ=2,88·10⁴с). При расчётах принято ρ_п=2200 кг/м3; W_п=0,15; С_п=1,09·10³ Дж/(кг·°С); λ-2,33 Вт/(м·С); α=34,9 Вт/(м2·С).

Значение основных определяющих величин, вычесленные по ссответствующим формулам, составили: k_агр=1,96; k_τ=12,8 Dn/(12·°C); k'_τ=17 Dn/(м2·°С); R_агр=0,142 м; R_П=0,597 м.

Для предупреждения растепления многолетнемерзлых  недостаточно только предваритель°н°ого 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.

Применение нерганических солей (NaCl, Kcl, CaCl₂, Na₂CO₃ и др) рационально при введении в циркулирующий раствор органических добавок (этиловый спирт, глицерин, этиленгликоль, ПАВ и др.). Эти данные подтверждены исследованиями.

Разработаны низкотемпературостойкие растворы - эмульсолы буровые морозостойкие.

Установлено, что 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.