Способы эксплуатации месторождений в Якутии



Введение

Север на данный момент основная база добычи энергетического сырья — нефти и газа, и по прогнозным оценкам на ближайшую перспективу 25–30 лет это положение не изменится. К отличительным чертам данного субъекта относят неблагоприятные климатические условия и вечную мерзлоту.

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. 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.

По вертикали ММП подразделяются на три слоя:

1. Слой сезонного оттаивания и промерзания мощностью до 5 метров. Непостоянство температур приводит к сезонным пучениям и осадке грунтов.
2. Слой годовых колебаний температур мощностью до 30 метров. Известно, что данному слою свойственна высокая степень льдистости, а также перманентность отрицательных температур в нижней части слоя (до минус 4–5℃) и сезонные скачки низких температур в главной части слоя от 0С до минусовых температур, тяготеющих к среднезимним.
3. Многолетнемерзлая толща (вечная мерзлота). Отличается перманентностью минусовых температур, которые не зависят от сезонных скачков температур на дневной поверхности. Наиболее низкие температуры обычно характерны для верхней части толщи (до минус 4–5℃). По силе эта толща составляет основную и большую часть разреза многолетней мерзлоты.

В составе ММП может быть незамерзающая вода с различной степенью минерализации. Количество данной воды зависит от температуры, вещественного состава и солености. Полагается, что тонкодисперсные мерзлые глины также могут иметь незамерзшую воду даже при отрицательной температуре в -50℃.

Основная часть

При бурении в толще многолетнемерзлых пород возникают следующие осложнения:

Интенсивное кавернообразование в промежутках залегания ММП и низкотемпературных талых пород (НТП), обвалы породы, осыпи, приводящие к прихвату, слому бурильного инструмента; размыв, провалы фундамента под буровой установкой в результате протаивания мёрзлых пород, которые прилегают к поверхности.

Размыв ММП и МТП за направлением, протаивание, кондуктором, проникновение БР в затрубное пространство, в том числе соседних скважин, которые близко расположены при бурении с поглощением БР с 26 частичной или полной утратой его циркуляции в стволе, грифонообразовании.

Недопуск обсадных колонн вплоть до проектной глубины, неподъём цемента за направлением, кондуктором,смятие осадных колонн, разгерметизация резьбовых соединений, насосно-компрессорных труб в случае обратного промерзания при длинных простоях, консервации скважин.

Примерзание спускаемых обсадных колонн к стенке скважины в промежутке залегания ММП в зимний период.

Выбросы воды, БР, газа содержащие гидраты, которые зажаты между мёрзлых вод и пропластов.

Исследователи, которые занимаются проблемами бурения и эксплуатации скважин в Якутии, выделяют необходимость использования промывочных жидкостей, охлажденных до температуры плавления льда, термоизолирующего оборудования, материалов и покрытий, также обеспечения возможности замораживания приустьевой площадки. Использование термоизолирующего оборудования, к примеру термокейсов, применение самых современных материалов и покрытий в условиях полного оттаивания ММП только урезает скорость роста площади талой зоны. Решение проблемы растепления зоны ММП состоит, сперва, в учете данного 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, укрепляющего частицы ММП.

Для предотвращения кавернообразования используются следующие рекомендации:

Эксплуатация для бурения ММП охлажденных до температуры плавления льда буровые растворы (практически, их температура должна быть не выше +0,5);

Сведение к минимуму способности буровых растворов растворять лед;

Соблюдение умеренных скоростей циркуляции промывочного бурового раствора в кольцевом пространстве скважины.

Решения проблем

1 Применение термоизолирующего направления обсадной трубы

Сближение устьев скважин значительно снижает расходы на отсыпку кустовых площадок из-за существенного уменьшения размеров самой площадки. За рубежом при разработке месторождений в зоне вечной мерзлоты, применяют технологии, позволяющие максимально уменьшить размеры кустовых площадок. Например, при бурении месторождений на Аляске, расстояние между устьями составляло 9–15 м. Там задействовались теплоизолированные конструкции нефтяных скважин, пресекающие интенсивное оттаивание многолетнемерзлых пород (ММП) вокруг кустовых скважин и обеспечивающие эффективные тепловые режимы их эксплуатации. Данная установка также используется на Чаяндинском месторождении в Якутии.

Термоизолирующее направление обсадной трубы, иначе говоря, термокейс — запатентованная технология тюменского завода «Сибпромкомплект» — одного из ведущих российских производителей трубопроводов в заводской изоляции.

Рис.1. Термоизолирующее направление обсадной трубы

Преимущества

10 % экономия на капитальных расходах в сравнении с традиционными неизолирующими направлениями обсадной трубы.

Таблица 1

Сравнение капитальных затрат на обустройство оснований кустовых площадок

Типовая конструкция скважины сприменением:
Вариант 1: Нетермоизолирующее направление обсадной трубы	Вариант 2: Термоизолирующее направление обсадной трубы (термокейса)
Допустимое расстояние между устьями скважин (согласно проектному расчету)
18 метров	10 метров
Затраты (по конкретному проекту на 2013 г.)
67,4 млн. руб	51,8 млн. руб
Итого затраты (включая СМР, оборудование)
97,1 млн. руб	87,9 млн. руб

Главные достоинства применения термокейсов:

‒ Снижение расходов на отсыпку грунтов и сокращение размера кустовой площадки вследствие уменьшения допустимого расстояния между устьями. Особенно, если сравнить термокейсы со стандартными нетеплоизолированными направлениями, использование разработки тюменского завода позволяет снизить это расстояние с 18 до 10 метров при одинаковых условиях.

‒ Предотвращение порчи насосного оборудования вследствие растепления многолетнемерзлых грунтов.

‒ Снижение размера кустовой площадки уменьшает площадь негативного воздействия на окружающую природу.

‒ Обеспечение защиты окружающей среды в районе расположения скважин

Изъяном известного устройства является сложность сборки термоизолирующего корпуса, связанная с необходимостью центрования верхней части корпуса относительно нижней.

Дополнительным недостатком известного устройства является то, что фланцевое соединение требует дополнительной изоляции с помощью уплотнительной прокладки, а также требует высокой точности изготовления.

2 Применение термостабилизаторов

Они способствуют уменьшению площади насыпей и сокращению проектных промежутков между устьями скважин. За рубежом ведутся исследования по созданию аналогичных устройств. Но эффективность работы естественно действующих термостабилизаторов зависит от 2 перепадов температуры в течение года, а точных данных о погодных условиях через 20–30 лет на данный момент не существует. В данной ситуации весьма актуальным является разработка оборудования, предназначенного для замораживания приустьевой площадки, работа которого не зависит от температурных условий. В Сибирском Федеральном университете создано устройство, работа которого основывается на эксплуатации термоэлектрического эффекта Пельтье. Устройство может быть выполнено в качестве сплошного цилиндрического кольца (рисунок 2) или в виде сегментов цилиндрического кольца.

3 Применение буровых промывочных агентов

В настоящее время наилучшим способом соблюдения описанных выше рекомендаций является выбор специальных промывочных сред. Лучшими промывочными агентами с точки зрения предотвращения растепления ММП являются осушенный воздух и пена. Сжатый воздух не замерзает при бурении, не фильтрует жидкость в поры мерзлоты, обладающей низкой удельной теплоемкостью и посему считается наиболее предпочтительным промывочным агентом при бурении в ММП. Массовые расходы воздуха, которые необходимы для очистки скважины обычно в 15–25 раз, а теплоемкость — в 4 раза меньше, нежели чем для промывочной жидкости. Это разительно уменьшает опасность осложнений, связанных с протаиванием мерзлых пород. При этом, полностью опасность осложнений при использовании сжатого воздуха не снимается. На выходе из компрессора воздух имеет повышенную температуру (70–80℃), в результате чего случаются случаи протаивания мерзлоты. Помимо этого, имеются специфические осложнения, связанные с выпадением конденсата из воздуха (слипание частиц шлама, образование сальников, намерзание конденсата в соединениях, прихваты и т. д). Требуется использование эффективной системы принудительного охлаждения и осушения сжатого воздуха. Наиболее рационально охлаждение сжатого воздуха в результате теплообмена с атмосферным. На практике данный способ применяется в зимнее время (например, с помощью использования компактного ребристо-трубчатого холодильника). В летний период в таких регионах, как Якутия охлаждение таким способом не слишком эффективно, но тем не менее полезно. Снижение температуры сжатого воздуха от 80 (на выходе из ресивера компрессора) до 25℃ (на выходе из теплообменника) позволяет более чем втрое снизить внутреннюю энергию воздушного потока. При этом в зимний период может использоваться лишь первая ступень охлаждения, достаточная для получения сжатого воздуха с температурой минус -10℃, а в летний период стоит сочетать ее со второй ступенью охлаждения

Заключение

В ходе выполнения работы были выявлены основные проблемы, возникающие при строительстве и эксплуатации скважин в вечномерзлых грунтах, и последствия, к которым они могут привести. Было уделено особое внимание анализу достоинств и недостатков всех предложенных решений проблемы растепления вечномерзлых пород.

Литература:

1. Медведский Р. И. Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечномерзлых породах. — М.: Недра, 1987, — 230 с., ил.
2. З. Н. Черкай, Е. Б. Гридина. Технологические проблемы и основные положения методики инженерно-геокриологических исследований при строительстве и эксплуатации скважин в многолетнемерзлых породах. — Записки Горного института. 2017. Т. 223. С. 82–85. DOI: 10.18454/PMI.2017.1.82
3. Кудряшов Б. Б., Чистяков В. К., Литвиненко В. С. К 88 Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород .—Л.: Недра, 1991.—295 с.:ил.
4. зависит в производителей мерзлоте программы не закономерностей [Электрон. развитие — 2014. — Режим доступа: одинаковых
5. Термоизолирующие время трубы. расходах ресурс] — 2014. — Режим доступа: скоростей http://www.zaospk.ru/catalog/termoizoliruyushchee-napravlenie-obsadnoy-truby/
6. Быков И. Ю. Термозащита конструкций скважин в мерзлых породах / И. Ю. Быков, Т. В. Бобылева; Ухтинский государственный технический университет. Ухта, 2007. 131 с.
7. Гульков А. Н, Лапшин В. Д, Соломенник С. Ф, Гулькова С. Г, Васянович Ю. А, Никитина А, В. О транспортировке нефти из месторождений, расположенных в вечной мерзлоте — Горный информационно-аналитический бюллетень (Научно-технический журнал), 2014. 7–13 с.
8. Корниенко С. Г — Особенности применения теплового метода для изучения и мониторинга мерзлых грунтов — Бурение и нефть, 2007. 73–74 с.
9. Шанаенко В. В — Бурение в вечной мерзлоте — Экспозиция нефть и газ, 2013. 38 с.
10. 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. 54–55с.