Способ повышения продольной устойчивости конструкции скважины в многолетнемерзлых породах

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано, в частности при выборе технологии строительства, конструкций скважин, мероприятий по повышению их продольной устойчивости в оттаивающих просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах (ММП). Техническим результатом изобретения является повышение надежности конструкции скважины, путем предотвращения возникновения аварий, связанных с потерей конструкциями скважины продольной устойчивости в просадочных, кавернозных ММП. Для этого способ включает бурение скважины, контроль теплового режима строительства и эксплуатации скважины, спуск за наружной колонной в устьевой зоне скважины при цементировании заколонного пространства (ЗП) последней термометрических трубок (ТМТ) и спуск в ТМТ сезоннодействующих охлаждающих устройств (СДОУ) для снижения интенсивности оттаивания ММП и обеспечения опоры конструкции скважины на окружающие породы, поддерживаемые в мерзлом состоянии. Проводят кавернометрию скважины, определяют верхний кавернозный, просадочный протяженностью L_кп интервал ММП, проводят расчет критической длины (L_кр) сохранения продольной устойчивости конструкции скважин. При бурении расширяют ствол скважины, прилегающий к поверхности, расширителем диаметром D_p с учетом кавернозности ствола до глубины L_кп, а также проводят заглубление ствола при расширении в устойчивые при оттаивании породы, залегающие ниже глубины L_кп. Диаметр расширителя D_p определяют из приведенного в формуле математического выражения. Осуществляют цементирование ствола скважины, и с помощью ТМТ и контроль качества цементирования и крепления скважины с оценкой состояния продольной устойчивости конструкции. Выявляют в разрезе криолитозоны просадочные, кавернозные ММП и каверны, незаполненные цементом, за наружной колонной, перекрывающей ММП. Определяют размеры провалов вблизи поверхности и на глубине вокруг скважины, включая их диаметры и глубину, а также зазоры между цементным кольцом вокруг наружной колонны и породой в ЗП. По проведенным замерам и по радиусам протаивания ММП определяют суммарные длины верхней и нижней просадочных зон, длины (протяженность) примыкающих к ним каверн, кавернозных интервалов и по приведенным выражениям определяют суммарные объемы провалов. Далее определяют максимальные непрерывные интервалы, длины L_пр неотсыпанных провалов, каверн, незаполненных цементом, в просадочных, кавернозных ММП, в верхнем прилегающем к поверхности интервале криолитозоны, который может быть отсыпан, и в нижнем интервале, куда не достигает отсыпка. Причем L_пр не должны превышать критической длины L_кр продольной устойчивости конструкции скважины (L_кр>L_пр) для этих интервалов при действующих на нее нагрузках. Для повышения жесткости конструкции скважины и увеличения значения L_кр, повышения продольной устойчивости конструкции, при строительстве скважины ее ствол в просадочных, кавернозных ММП породах расширяют в размерах выявленных каверн и увеличивают толщину цементного кольца за наружной колонной с учетом увеличения в процессе эксплуатации скважины нагрузок с Р_кр1 до Р_кр2 (Р_кр2>Р_кр1), действующих на конструкцию скважины при снижении давления на ее устье, до величины δ_ц2 согласно приведенному выражению. При этом в процессе эксплуатации в образовавшийся вокруг устья скважины провал спускают с устья скважины ТМТ на наибольшую глубину их прохождения в ЗП, после чего провал заполняют отсыпочным материалом, например песком и/или грунтом, с включением в него теплоизолирующих материалов и добавок, закрепляющих конструкцию скважины в окружающих конструкцию скважины породах. После отсыпки провала, при эксплуатации скважины в ТМТ замеряют температуру и по ней оценивают протаивание ММП в ЗП. По подвижкам ТМТ трубок оценивают динамику развития провалов при оттаивании пород вокруг скважины после отсыпки провала. В зимний период спускают в ТМТ трубки, установленные в провал, СДОУ для замораживания оттаявших ММП в зимний период и снижения интенсивности их оттаивания. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано, в частности при выборе технологии строительства, конструкций скважин, мероприятий по повышению их продольной устойчивости в оттаивающих просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах (ММП), а также при контроле технического состояния скважин при их строительстве и эксплуатации при образовании провалов вокруг них в криолитозоне при оттаивании ММП.

Известны способы повышения продольной устойчивости конструкций скважин в ММП при предотвращении или уменьшении оттаивания ММП вокруг скважины путем использования теплоизоляции (пассивной и активной) конструкции скважины, а также повышение жесткости крепи скважины с использованием многоколонных конструкций скважин, например с установкой трех и более обсадных (наружных) колонн, в том числе со спуском направления, перекрывающего просадочные кавернозные породы (см., Ермилов О.М., Дегтярев Б.В., Курчиков А.Р. «Сооружение и эксплуатация газовых скважин в районах Крайнего севера: Теплофизические и геохимические аспекты», Новосибирск, СО РАН, 2003, 223 с.).

Однако эти способы требуют значительных затрат, связанных с усложнением (многоколонная) конструкций скважин, с их теплоизоляцией. Причем в настоящее время имеющиеся способы не позволяют в полной мере учитывать просадочность, кавернозность глубинного разреза ММП на скважинах, изменчивость глубинных геокриологических условий по площади месторождений, не позволяют оценить эффективность произведенных отсыпок образовавшихся провалов на эксплуатационных скважинах. Недостаточно учитывается также связь размеров образующихся провалов (глубина, их протяженность, объем) с критическими параметрами конструкций скважин по продольной устойчивости.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ повышения продольной устойчивости конструкции скважины в многолетнемерзлых породах, включающий бурение скважины, контроль теплового режима строительства и эксплуатации скважины, спуск за наружной колонной в устьевой зоне скважины при цементировании заколонного пространства последней термометрических трубок и спуск в термометрические трубки сезоннодействующих охлаждающих устройств для снижения интенсивности оттаивания многолетнемерзлых пород и обеспечения опоры конструкции скважины на окружающие породы, поддерживаемые в мерзлом состоянии, (см., патент RU №2127356, кл. Е21В 36/00, 10.03.1999).

Существенный недостаток этого способа заключается в том, что проводится контроль оттаивания ММП только в устьевой зоне скважины, что существенно сужает возможность использования данного способа. В этом способе также не используются методы контроля за образованием и развитием провалов в ММП вокруг скважины при оттаивании мерзлых пород.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является реализация контроля за образованием и развитием провалов вокруг конструкции скважины при оттаивании ММП, выявление случаев опасности, риска потери продольной устойчивости конструкцией скважины при превышении протяженности каверн, провалов критической длины продольной устойчивости конструкции скважины и своевременное осуществление мероприятий по повышению продольной устойчивости конструкции.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является повышение надежности конструкции скважины, путем предотвращения возникновения аварий, связанных с потерей конструкциями скважины продольной устойчивости в просадочных, кавернозных ММП.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что способ повышения продольной устойчивости конструкции скважины в многолетнемерзлых породах включает бурение скважины, контроль теплового режима строительства и эксплуатации скважины, спуск за наружной колонной в устьевой зоне скважины при цементировании заколонного пространства последней термометрических трубок и спуск в термометрические трубки сезоннодействующих охлаждающих устройств для снижения интенсивности оттаивания многолетнемерзлых пород и обеспечения опоры конструкции скважины на окружающие породы, поддерживаемые в мерзлом состоянии, проводят кавернометрию скважины, определяют верхний кавернозный, просадочный протяженностью L_кп интервал многолетнемерзлых пород, проводят расчет критической длины (L_кр) сохранения продольной устойчивости конструкции скважин, при бурении расширяют ствол скважины, прилегающий к поверхности, расширителем диаметром D_р с учетом кавернозности ствола до глубины L_кп, а также проводят заглубление ствола при расширении в устойчивые при оттаивании породы, залегающие ниже глубины L_кп, а диаметр расширителя D_p определяют из выражения:

где V_кав - определенный суммарный объем кавернозного ствола до глубины H_кп по данным кавернометрии, м³;

H_кп - глубина залегания подошвы кавернозных ММП в верхнем интервале, м;

μ, μ^* - безразмерные коэффициенты приведенной длины, соответственно, по Эйлеру и для распределенной нагрузки, например, вес конструкции, включающий вес колонн, цементных колец за колоннами;

E_ц, ρ_ц - модуль упругости (кПа/м²) и плотность (г/см³) цементного кольца за наружной колонной;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²,

осуществляют цементирование ствола скважины и с помощью термометрических трубок (ТТ) осуществляют контроль качества цементирования и крепления скважины с оценкой состояния продольной устойчивости конструкции, выявляют в разрезе криолитозоны просадочные, кавернозные многолетнемерзлые породы и каверны, незаполненные цементом, за наружной колонной, перекрывающей многолетнемерзлые породы, определяют размеры провалов вблизи поверхности и на глубине вокруг скважины, включая их диаметры и глубину, а также зазоры между цементным кольцом вокруг наружной колонны и породой в заколонном пространстве, по проведенным замерам и по радиусам протаивания многолетнемерзлых пород определяют суммарные длины верхней и нижней просадочных зон, длины (протяженность) примыкающих к ним каверн, кавернозных интервалов и определяют суммарные объемы провалов:

V_пр=V_нк+V_пм, V_от=K_от·V_пр, K_от=V_фот/V_пр, (2)

где V_пр - суммарные объемы провалов, определяемые отдельно для верхнего и нижнего интервалов просадочных ММП, кавернозных пород, м³;

V_нк - суммарный объем провала, образовавшийся за счет незацементированных каверн (определяются отдельно для верхнего и нижнего интервалов ММП), м³;

V_пм - суммарный объем провала просадочных ММП, образовавшийся за счет их оттаивания (определяются отдельно для верхнего и нижнего интервалов ММП), м³;

V_от - прогнозируемый объем отсыпки с устья провала, образующегося в верхнем интервале ММП, м³;

V_фот - фактический (по промысловым данным) суммарный объем отсыпки провала, образующегося в верхнем интервале ММП до глубины, куда достигает отсыпка, м³;

K_от - безразмерный коэффициент отсыпки, при этом в случае, если K_от больше единицы значения объемов V_пр и, соответственно, V_пм и V_нк уточняют;

далее определяют максимальные непрерывные интервалы, длины L_пр неотсыпанных провалов, каверн, незаполненных цементом, в просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах, в верхнем прилегающем к поверхности интервале криолитозоны, который может быть отсыпан, и в нижнем интервале, куда не достигает отсыпка, причем L_пр не должны превышать критической длины L_кр продольной устойчивости конструкции скважины (L_кр>L_пр) для этих интервалов при действующих на нее нагрузках, причем для повышения жесткости конструкции скважины и увеличения значения L_кр, повышения продольной устойчивости конструкции, при строительстве скважины ее ствол в просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах расширяют в размерах выявленных каверн и увеличивают толщину цементного кольца за наружной колонной с учетом увеличения в процессе эксплуатации скважины нагрузок с Р_кр1 до Р_кр2 (Р_кр2>Р_кр1), действующих на конструкцию скважины при снижении давления на ее устье, до величины δ_ц2 согласно выражениям:

P_кр2-P_кр1=π·(R_ц2 ²-R_ц1 ²)·[π²·E_ц·(R_ц2 ²+R_ц1 ²)/(4·μ²·L_кр ²)-μ^*·ρ_ц·g·L_кр], (3)

δ_ц1=R_ц1-R_к; δ_ц2=R_ц2-R_к, (4)

где δ_ц1, δ_ц2 - толщина цементного кольца за наружной колонной, перекрывающей ММП, при соответствующих наружных радиусах R_ц1 и R_ц2 цементного кольца и наружном радиусе R_к цементируемой колонны (кондуктора), м;

Р_кр1, Р_кр2 - допустимые сосредоточенные нагрузки по продольной устойчивости конструкции, действующие на нее на рассчитываемом участке в интервале каверны, при соответствующих наружных радиусах цементного кольца R_ц1, R_ц2, (кН);

μ, μ^* - коэффициенты (безразмерные величины) приведенной длины, соответственно, по Эйлеру и для распределенной нагрузки, например, вес конструкции, включающий вес колонн, цементных колец за колоннами;

E_ц, ρ_ц - модуль упругости (кПа/м²) и плотность (г/см³) цементного кольца за наружной колонной;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²,

при этом в процессе эксплуатации в образовавшийся вокруг устья скважины провал спускают с устья скважины термометрические трубки (одну или несколько) на наибольшую глубину их прохождения в заколонное пространство, после чего провал заполняют отсыпочным материалом, например песком и/или грунтом, с включением в него теплоизолирующих материалов и добавок, закрепляющих конструкцию скважины в окружающих конструкцию скважины породах и, после отсыпки провала, при эксплуатации скважины в термометрических трубках замеряют температуру и по ней оценивают протаивание многолетнемерзлых пород в заколонном пространстве, а по подвижкам термометрических трубок оценивают динамику развития провалов при оттаивании пород вокруг скважины после отсыпки провала, причем в зимний период спускают в термометрические трубки, установленные в провал, сезоннодействующие охлаждающие устройства (СОУ) для замораживания оттаявших многолетнемерзлых пород в зимний период и снижения интенсивности их оттаивания.

При осуществлении контроля за образованием и развитием провала определяют нижнюю оценку суммарного объема в м³ провала V_пр, а также оценки V_нк, V_пм, соответственно, из (2) принимая

причем при производимой отсыпке образовавшегося провала в период непродолжительного времени, например не более 1-9 месяцев после пуска скважины в эксплуатацию, и при незначительном оттаивании окружающих скважину пород и/или малой просадочности разреза ММП, когда можно принять V_пм≅0, по фактическому отсыпанному объему V_фот провала оценивают объем незацементированных каверн, принимая V_нк≅V_фот, в верхнем, прилегающем к устью скважины, интервале до глубины, куда достигла отсыпка.

В верхний кавернозный интервал, в провал, как правило, спускают 1-3 термометрические трубки, заглушенные снизу, и заполняют их незамерзающими составами (например, дизтопливо, конденсат и др.) для проведения замеров температур при отрицательных температурах, а также спускают в ТТ сезоннодействующие охлаждающие устройства короткоразмерные (длиной до 12 м) или длинноразмерные (более 12 м), а также длина ТТ может быть больше длины СОУ и превышать ее на 50-100 м и более, и охлаждение ММП ниже глубины спуска СОУ обеспечивается за счет циркуляции незамерзающей жидкости, которой заполняются ТТ.

Для осуществления качественного строительства, цементирования скважины в спущенных за наружной колонной ТТ при строительстве скважины в верхней части залегания просадочных, кавернозных ММП проводят замеры температур непосредственно, после спуска обсадной (наружной) колонны, а также при закачке цемента, в процессе цементирования, гидратации, твердения цемента и при бурении, креплении, цементировании последующих обсадных колонн и термометрическим методом, по замерам температур определяют качество цементирования колонн, полноту заполнения заколонных пространств цементом.

Важной особенностью описываемого способа является то, что он в полной мере учитывает влияние просадочного разреза ММП, представленного породами с массовой льдистостью более 180-250 кг/м³ или в процентах более 20,0-27,2%. При этом критическая длина (L_кр) продольной устойчивости конструкции скважины, часто используемой на месторождениях, а именно двухколонной конструкции (кондуктор диаметром 245 мм, перекрывающий криолитозону; эксплуатационная (наружная) колонна диаметром 168 мм) эксплуатационной скважины принимается по продольной устойчивости не менее 25-35 м при принятом шарнирном и жестком закреплении рассчитываемого участка конструкции в ММП.

Было установлено также по скважинам, что суммарная протяженность просадочных и кавернозных пород может значительно превышать 20-25 м, а именно достигать 50-90 м и более. Данный способ позволяет в полной мере учитывать просадочность, кавернозность глубинного разреза ММП на скважинах, изменчивость глубинных геокриологических условий, в том числе просадочности разрезов ММП по площади месторождений, а также оценить эффективность произведенных отсыпок образовавшихся провалов на повышение продольной устойчивости конструкций добывающих скважин в ММП.

На чертеже схематически представлен продольный разрез двухколонной конструкции добывающей скважины в криолитозоне (КЛЗ).

Конструкция скважины включает наружную обсадную (наружную) колонну - кондуктор 1 диаметром D_к=0,245 м, перекрывающую ММП, и эксплуатационную обсадную колонну 2 диаметром D_э=0,168 м. Внутрь эксплуатационной обсадной колонны 1 в скважину спускается лифтовая колонна 3 (насосно-компрессорные трубы - НКТ) диаметром D_нкт=0,114 м, по которой осуществляется отбор газа (нефти) из продуктивного пласта.

Ствол 4 скважины, пробуренный долотом 5 (условно показано на размерной линии, при этом в рассмотренном примере номинальный диаметр долота D_нд=0,295 м) под кондуктор в интервале просадочных 6 (с льдистостью более 180-250 кг/м³), кавернозных 7 ММП расширяется (расширителем 8 - диаметром D_p). В процессе строительства за кондуктором 1 в этом интервале спускают термометрические трубки 9, в том числе на глубину ниже расширенного интервала спускают ТТ диаметром не более 25-48 мм (трубки малого диаметра) для контроля в ТТ по замерам температур тепловых режимов строительства, эксплуатации скважины и кондуктор 1 цементируется (цементные кольца 10 за кондуктором 1 и эксплуатационной колонной 2). При расширении ствол заглубляется несколько ниже глубины залегания просадочных, кавернозных ММП в устойчивые при оттаивании породы для повышения герметичности цементируемого пространства за кондуктором 1.

Оценка качества цементирования обсадных колонн в просадочных, кавернозных ММП проводится термометрическим методом (см. ВРД 39-1.9-015-2000. «Руководство по термометрическим методам контроля качества строительства, крепления скважин в многолетнемерзлых и низкотемпературных породах», Москва, ОАО «Газпром», ООО «ВНИИГАЗ», ООО «ИРЦ Газпром», 2001, 63 с.) по замерам температур в ТТ 9, спускаемых за кондуктором 2, и по термометрии, проводимой внутри цементируемых колонн в процессе твердения цемента.

В интервале расширения ствола за кондуктором 1 обеспечивается повышенная толщина цементного кольца с его наружным радиусом не менее D_p согласно (1). Увеличение толщины цементного кольца позволяет повысить продольную устойчивость конструкции скважины, в том числе в протяженных, длиной L_пр по высоте, кавернах 11 и, соответственно, обеспечить соотношение по критической (по продольной устойчивости) длине конструкции L_кр>L_пр при действующих на нее в интервалах каверн ствола, вверху и внизу, нагрузках как сосредоточенных, так и распределенных (вес труб 1, 2, 3 цементных колец 10).

При эксплуатации добывающей скважины, при повышенных до 15-30°С и выше внутри нее температурах добываемого флюида (газа, нефти), вокруг скважины образуются провалы 12 и зазоры, которые формируются в окружающих просадочных ММП 6 при их оттаивании, при массовой льдистости 180-250 кг/м³ и более (пласты льда до 920 кг/м³) в верхнем отсыпаемом интервале, а также провалы 13 в нижнем просадочном, кавернозном интервале, куда отсыпка с поверхности не достигает.

Провалы 12 и 13 объемом V_пр, согласно (2) образуются, как за счет оттаивания просадочных 6 ММП с избыточной льдистостью и уменьшения при этом их объема на V_пм, так и за счет наличия каверн 14 ствола, полностью не заполненных цементом. Полнота заполнения каверн цементом с выявлением незаполненного цементом их объема V_нк контролируется, например, термометодом по данным термометрии, проведенной через 12-35 часов или более в ТТ 9 и/или внутри колонны 1 после окончания закачки цемента за нее.

В образовавшийся вокруг устья скважины провал 12 спускаются (одна или несколько) термометрические трубки 15, малого диаметра, например, 25-48 мм, заглушенные снизу, на наиболее возможную глубину их прохождения в провал 12. Диаметр трубок подбирается в зависимости от размеров спускаемого в них глубинного термометра и/или от диаметра СОУ 16 с конденсатором (теплообменником) 17.

До спуска в провал 12 ТТ 15 проводят определение его размеров - глубины, диаметров на устье и на глубине, например, с использованием измерительных инструментов типа отвеса (замер глубины) и малогабаритного каверномера.

Осуществляемый контроль за температурами в процессе строительства скважины, ее эксплуатации, а также проведение по ГИС (геофизическим исследованиям) исследований разреза криолитозоны по льдистости позволяют провести расчеты радиусов (диаметров) протаивания ММП вокруг скважины с использованием расчетных методик (см., например, вышеуказанное руководство) и оценить по ним в пластах ММП с различной льдистостью и на разных глубинах диаметры каверн ствола в интервале глубин образующихся провалов 12 и 13.

В таблице 1 приведены результаты расчета и контроля объемов образующихся каверн, провалов, на примере добывающих скважин №103 и 107 в зоне ММП через 0,5 года их эксплуатации. Подошва залегания верхнего просадочного разреза ММП по этим скважинам была выявлена на глубинах 95,9 м и 102,0 м, а изменение льдистости просадочных мерзлых пород до этих глубин, соответственно, в пределах 180-500 кг/м³ и 220-600 кг/м³. По скважине №107 при замере глубины провала отвесом он остановился на глубине 97,5 м, несмотря на то, что просадочные породы залегали по ГИС до глубины Н_пм=102,0 м (подошва, глубина, до которой залегают просадочные породы) в верхнем интервале ММП и номинальный диаметр 0,295 м ствола по кавернограмме был выявлен только с глубины Н_кп=115 м (подошва, глубина, до которой залегают кавернозные породы). Диаметры каверн до глубины 115 м достигали 0,5-0,6 м. При расчете прогнозируемого объема провала V_пр было учтено наличие незацементированных каверн 1,1 м³ в интервале 102-115 м и, соответственно, объем V_нк составил 10,3 м³, а не 9,2 м³. Это определялось тем, что при оттаивании вышележащих ММП они проваливались в образовавшийся зазор за цементным кольцом 10 и заполняли также нижнюю часть провала 13 до глубины 97,5 м.

Объем провала V_пм в м³ за счет оттаивания просадочных ММП по скважинам рассчитывался по выражению

где i - номер исследуемого пласта «i» (i=1, 2, 3, ..., n) в просадочном разрезе ММП;

V_прi - объем провала за счет оттаивания просадочных ММП в интервале залегания просадочного пласта «i», м³;

R_тi, R_цi - радиус оттаивания и наружный радиус цементного кольца, каверн в интервале пласта «i», м;

K_мпi - просадочность в метрах мерзлого пласта «i » при его оттаивании определяется глубиной его осадки (просадки) при оттаивании.

В указанной выше таблице приведены результаты расчетов прогнозируемых объемов V_пм, V_пр, а также коэффициента K_от отсыпки и сравнение их с данными по фактическим (промысловым) объемам отсыпки верхних провалов по скв. №103 и 107.

Как видно из таблицы, K_от не превышает единицы и равен, соответственно, 0,91 и 0,58. При слабопросадочном разрезе ММП по скв. №103 из таблицы видно, что фактический объем отсыпки V_фот=20,5 м³, хорошо соответствует величине прогнозируемого суммарного объема провала V_пр по нижней оценке (-9,3%) согласно способу и объему незацементированных каверн V_нк по верхней оценке (14,6%).

В рассмотренных примерах при оценке провалов на скважинах (см. таблицу) и при оценке продольной устойчивости конструкции скважины в ММП рассматривалась приведенная выше на чертеже конструкция добывающей скважины, включающая кондуктор, перекрывающий ММП ⊘0,245 м, эксплуатационную колонну ⊘0,168 м и лифтовую колонну ⊘0,114 м.

По приведенным выше примерам по скважинам протяженность незацементированных каверн не превышала в верхнем разрезе L_пр=12-17 м, а в нижнем разрезе просадочных, кавернозных ММП L_пр=8-12 м при определенной критической длине L_кр=20-40 м вверху и L_кр=18-26 м - внизу и, соответственно, выполнялось условие L_кр>L_пр согласно способу по продольной устойчивости конструкций в ММП. При этом увеличение толщины цементного кольца с R_ц1=0,185 м до R_ц2=0,275-0,330 м при расширении ствола в верхнем интервале, в рассмотренном примере на чертеже, до диаметра D_p=0,550-0,660 м позволяет увеличить при L_кр=29,2 м сосредоточенную нагрузку Р_кр2-Р_кр1 на конструкцию на 57-140 кН согласно (3) или Р_кр2 увеличивается до 197-280 кН при первоначально действующей нагрузке 140 кН и шарнирном виде закрепления концов конструкции, или соответственно увеличить L_кр на 4,2-6,4 м при неизменной действующей нагрузке Р_кр=140 кН. Таким образом, при увеличенной толщине цементного кольца по способу за кондуктором в кавернах и при повышении нагрузок, действующих на конструкцию добывающих скважин при падении устьевого давления, продольная ее устойчивость в зоне каверн, залегания просадочных пород сохраняется.

При наличии же протяженной 20-23 м каверны диаметром 0,7 м и более на глубине, например 230-250 м, при оттаивании и просадке ММП на конструкцию в каверне может действовать сила Р_кр2=500-600 кН и цементирование ее с обеспечением толщины цементного кольца R_ц-R_к=0,33-0,12=0,21 м и более за кондуктором позволяет, при отмеченных нагрузках, обеспечить продольную устойчивость конструкции, предотвратить ее деформацию.

Для верхнего интервала ММП при действующих на конструкцию нагрузках и L_кр=40 м, согласно правой части выражения (1) определяем первое ограничение при выборе диаметра D_p расширения ствола при шарнирном закреплении концов конструкции и, соответственно, μ=1,0, μ^*=0,51, плотности цементного камня γ_ц=14 кН/м³ и его модуле упругости Е_ц=2·10⁶ кПа/м²

Второе ограничение находим согласно (3) по левой его части, учитывая объем V_кав=26,6 м³ кавернозного ствола по скв. №107 по данным кавернометрии (профилеметрии) до глубины Н_кп=115 м и по скв. №103 - V_кав=39,5 м³ до глубины Н_кп=95,9 м

Полученные средние диаметры каверн по скважинам №107, 103 и, соответственно, равные 0,543 м и 0,724 м, превышают диаметр 0,45 м и для повышения продольной устойчивости конструкции ствол скважины в этих размерах согласно (1) должен быть расширен и зацементирован. При выявленных диаметрах каверн, изменяющихся, соответственно, по данным кавернометрии по скважинам в пределах 0,41-0,60 м и 0,60-1,10 м, рекомендуется расширение кавернозного, просадочного интервала по скважинам долотами или расширителями диаметром D_{p 107}=0,550 м и D_{p 103}=0,730-0,800 м. При этом в последнем случае диаметр расширения ствола выбирается исходя из технологических особенностей расширения (наличия расширителя необходимого диаметра, времени требуемого для расширения, используемой технологии цементирования скважины и др.). В расширенной части ствола используется термометрический метод контроля качества цементирования кондуктора, так как он позволяет определить полноту заполнения заколонного пространства цементом при больших диаметрах ствола.

Расширение ствола 4 в кавернозных 7, просадочных 6 ММП позволяет уменьшить протяженность L_пр незацементированных каверн в верхнем интервале за счет выравнивания ствола 4 и, соответственно, осуществить его более полное заполнение цементом, а также позволяет увеличить толщину (наружный диаметр цементного кольца) и продольную устойчивость конструкции в кавернозном интервале.

По подвижке ТТ 15, спущенных в провал, контролируется динамика развития провала после отсыпки его на добывающей скважине при оттаивания ММП. При этом по подвижкам, проседанию ТТ 15, размещеных в провале, ведется контроль за возможной осадкой, подвижкой конструкции скважины, и если она отмечается, эксплуатация скважины прекращается для снижения нагрузок, действующих на конструкцию. При остановке скважины осуществляется контроль ее технического состояния, проводится глубинное обследование обсадных колонн по ГИС на изгиб (инклинометрия) и деформацию колонн и принимается решение, при выявленных нарушениях колонн, о принятии мер по повышению продольной устойчивости конструкции (подвеска конструкции на устье, промораживание оттаявших пород и др.), а в случае отсутствия отмеченных нарушений - о ее пуске в дальнейшую эксплуатацию с проведением дальнейшего тщательного контроля за ее техническим состоянием.

Для обеспечения опоры конструкции добывающей скважины на окружающие породы в ТТ 15 спускаются СОУ 16, а именно, короткоразмерные (длиной до 12 м) или длинноразмерные (длиной более 12 м), и проводится в зимний период промораживание оттаявших пород для обеспечения опоры конструкции на промороженные породы. При большей длине ТТ 15, чем длина СОУ 16 промораживание оттаявших пород, залегающих ниже глубины спуска СОУ 16, обеспечивается за счет естественной циркуляции незамерзающей жидкости в ТТ 15, в результате подбора соответствующей жидкости (дизтопливо, конденсат, керосин и др.). При этом при охлаждении незамерзающей жидкости в верхней части, в результате ее теплообмена с СОУ 16, повышается ее плотность, и она вытесняется вниз при подъеме вверх жидкости с более высокой температурой, имеющей пониженную плотность.

За счет замеров температур в ТТ 9 за наружной колонной 1 при строительстве скважины контролируется качество цементирования не только кондуктора 1, но и эксплуатационной колонны 2 (и других колонн - промежуточных при их наличии) в интервале спуска ТТ 9.

В целом эффективность предложенного способа заключается в том, что он позволяет контролировать образование и развитие провалов, образующихся в просадочных, кавернозных породах криолитозоны вокруг добывающих скважин при оттаивании ММП, и принимать соответствующие эффективные меры по повышению качества строительства скважин в ММП, а также при их эксплуатации повышающие продольную устойчивость их конструкций, предотвращающих возникновение осложнений и аварий, связанных с потерей конструкциями продольной устойчивости в просадочных, кавернозных ММП.

Настоящее изобретение может быть использовано в нефтегазовой промышленности при строительстве и эксплуатации скважин в криолитозоне.

Пример расчета и контроля объемов незацементированных каверн, провалов, их отсыпки по добывающим скважинам
№ скважины	Интервал залегания просадочных ММП, м	Диаметр каверн, м	Льдистость просадочных ММП, кг/м3	Просадочность верхнего разреза ММП Кпм, м	Объем незацементированных каверн Vнк, м3	Показатели через 0,5 года эксплуатации
Расчетный объем провала Vпм, м3	Прогнозный суммарный объем провала Vпр, м3	Фактический объем отсыпки Vфот, м3	Коэффициент отсыпки Кот, д.е.
103	16,3-95,9	0,60-1,10	180-500	0,9	19,3	3,3	22,6	20,5	0,91
107	15,0-102,0	0,41-0,60	220-600	5,6	10,3	13,8	24,1	14,0	0,58

Способ повышения продольной устойчивости конструкции скважины в многолетнемерзлых породах, включающий бурение скважины, контроль теплового режима строительства и эксплуатации скважины, спуск за наружной колонной в устьевой зоне скважины при цементировании заколонного пространства последней термометрических трубок и спуск в термометрические трубки сезоннодействующих охлаждающих устройств для снижения интенсивности оттаивания многолетнемерзлых пород и обеспечения опоры конструкции скважины на окружающие породы, поддерживаемые в мерзлом состоянии, отличающийся тем, что проводят кавернометрию скважины, определяют верхний кавернозный, просадочный протяженностью L_кп интервал многолетнемерзлых пород, проводят расчет критической длины (L_кр) сохранения продольной устойчивости конструкции скважин, при бурении расширяют ствол скважины, прилегающий к поверхности, расширителем диаметром D_p с учетом кавернозности ствола до глубины L_кп, а также проводят заглубление ствола при расширении в устойчивые при оттаивании породы, залегающие ниже глубины L_кп, а диаметр расширителя D_p определяют из выражения:

где V_кав - определенный суммарный объем кавернозного ствола до глубины H_кп по данным кавернометрии, м³;

H_кп - глубина залегания подошвы кавернозных ММП в верхнем интервале, м;

μ, μ* - безразмерные коэффициенты приведенной длины соответственно по Эйлеру и для распределенной нагрузки, например вес конструкции, включащий вес колонн, цементных колец за колоннами;

E_ц, ρ_ц - модуль упругости (кПа/м²) и плотность (г/см³) цементного кольца за наружной колонной;

g - ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/с²,

осуществляют цементирование ствола скважины и с помощью термометрических трубок осуществляют контроль качества цементирования и крепления скважины с оценкой состояния продольной устойчивости конструкции, выявляют в разрезе криолитозоны просадочные, кавернозные многолетнемерзлые породы и каверны, незаполненные цементом, за наружной колонной перекрывающей многолетнемерзлые породы, определяют размеры провалов вблизи поверхности и на глубине вокруг скважины, включая их диаметры и глубину, а также зазоры между цементным кольцом вокруг наружной колонны и породой в заколонном пространстве, по проведенным замерам и по радиусам протаивания многолетнемерзлых пород определяют суммарные длины верхней и нижней просадочных зон, длины (протяженность) примыкающих к ним каверн, кавернозных интервалов и определяют суммарные объемы провалов:

V_пр=V_нк+V_пм, V_от=K_от·V_пр, K_от=V_фот/V_пр,

где V_пр - суммарные объемы провалов, определяемые отдельно для верхнего и нижнего интервалов просадочных ММП, кавернозных пород, м³;

V_нк - суммарный объем провала, образовавшийся за счет незацементированных каверн (определяются отдельно для верхнего и нижнего интервалов ММП), м³;

V_пм - суммарный объем провала просадочных ММП, образовавшийся за счет их оттаивания (определяются отдельно для верхнего и нижнего интервалов ММП), м³;

V_от - прогнозируемый объем отсыпки с устья провала, образующегося в верхнем интервале ММП, м³;

V_фот - фактический (по промысловым данным) суммарный объем отсыпки провала, образующегося в верхнем интервале ММП до глубины куда достигает отсыпка, м³;

K_от - безразмерный коэффициент отсыпки, при этом в случае, если K_от больше единицы значения объемов V_пр и соответственно V_пм и V_нк уточняют;

далее определяют максимальные непрерывные интервалы, длины L_пр неотсыпанных провалов, каверн, незаполненных цементом, в просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах, в верхнем прилегающем к поверхности интервале криолитозоны, который может быть отсыпан, и в нижнем интервале, куда не достигает отсыпка, причем L_пр не должны превышать критической длины L_кр продольной устойчивости конструкции скважины (L_кр>L_пр) для этих интервалов при действующих на нее нагрузках, причем для повышения жесткости конструкции скважины и увеличения значения L_кр, повышения продольной устойчивости конструкции, при строительстве скважины ее ствол в просадочных, кавернозных многолетнемерзлых породах расширяют в размерах выявленных каверн и увеличивают толщину цементного кольца за наружной колонной с учетом увеличения в процессе эксплуатации скважины нагрузок с Р_кр1 до Р_кр2 (Р_кр2>Р_кр1), действующих на конструкцию скважины при снижении давления на ее устье, до величины δ_ц2 согласно выражениям

P_кp2-P_кp1=π·(R_ц2 ²-R_ц1 ²)·[π²·E_ц·(R_ц2 ²+R_ц1 ²)/(4·μ²·L_кp2)-μ^*·ρ_ц·g·L_кр],

δ_ц1=R_ц1-R_к; δ_ц2=R_ц2-R_к,

где δ_ц1, δ_ц2 - толщина цементного кольца за наружной колонной, перекрывающей ММП, при соответствующих наружных радиусах R_ц1 и R_ц2 цементного кольца и наружном радиусе R_к цементируемой колонны (кондуктора), м;

Р_кр1, Р_кр2 - допустимые сосредоточенные нагрузки по продольной устойчивости конструкции, действующие на нее на рассчитываемом участке в интервале каверны, при соответствующих наружных радиусах цементного кольца R_ц1, R_ц2, (кН);

μ, μ^* - коэффициенты (безразмерные величины) приведенной длины соответственно по Эйлеру и для распределенной нагрузки, например вес конструкции, включащий вес колонн, цементных колец за колоннами;

E_ц, ρ_ц - модуль упругости (кПа/м²) и плотность (г/см³) цементного кольца за наружной колонной;

g - ускорение силы тяжести равное 9,81 м/с²,

при этом в процессе эксплуатации в образовавшийся вокруг устья скважины провал спускают с устья скважины термометрические трубки на наибольшую глубину их прохождения в заколонное пространство, после чего провал заполняют отсылочным материалом, например песком и/или грунтом с включением в него теплоизолирующих материалов и добавок, закрепляющих конструкцию скважины в окружающих конструкцию скважины породах и, после отсыпки провала при эксплуатации скважины в термометрических трубках замеряют температуру и по ней оценивают протаивание многолетнемерзлых пород в заколонном пространстве, а по подвижкам термометрических трубок оценивают динамику развития провалов при оттаивании пород вокруг скважины после отсыпки провала, причем в зимний период спускают в термометрические трубки, установленные в провал, сезоннодействующие охлаждающие устройства для замораживания оттаявших многолетнемерзлых пород в зимний период и снижения интенсивности их оттаивания.