Устойчивость обсадных колонн скважин в интервалах многолетнемерзлых пород

С.И. Васильев, к.т.н., профессор, Е.Е. Милосердов, старший преподаватель, ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет» (Красноярск); К.А. Чернокалов, аспирант, ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (Иркутск)

В 2015 г. совокупная выручка России от экспорта нефти, нефтепродуктов и газа составляла более 50% ВВП России. В целях поддержания основной бюджетообразующей отрасли страны, предстоит разрабатывать труднодоступные месторождения со сложными горно-геологическими и климатическими условиями, сосредоточенными в восточных и северных районах страны, а также на шельфах арктических и дальневосточных морей.

В настоящее время, в связи с распространением буровых работ все дальше от центральной части России в районы Западной Сибири и Крайнего Севера, характеризующиеся наличием в геологическом разрезе многолетнемерзлых пород (ММП), глубиной порядка 500 м и колебанием температуры пород от 0 до – 8°С, создающих специфические осложнения при бурении и цементировании скважин. Цементирование скважин представляет собой сложный технологический процесс закачки тампонажного раствора в заколонное пространство. От качества крепления скважин, зависит долговечность их работы. Поэтому все большую актуальность приобретает задача качественного цементирования интервалов залегания ММП.

Промысловый опыт крепления скважин в районах распространения ММП в верхних интервалах при использовании стандартных методов цементирования и обычного портландцемента приводит к нарушению теплового баланса в интервале этих пород, что приводит к необратимым последствием в виде растепления ствола скважины, образования фильтрационных каналов и уменьшения прочности цементного камня по сравнению с начальными значениями. К одному из наиболее распространенных и тяжелых осложнений относится смятие обсадных колонн. При не подъеме тампонажного раствора до устья скважины или долго схватывающихся, седиментационно-неустойчивых тампонажных растворах проявляются сминающие усилия в заколонном пространстве, вызванные промерзанием больших водосодержащих объемов в междуколонном пространстве.

Поэтому, для успешного крепления обсадных колонн в зоне расположения ММП, необходимо использовать быстротвердеющие, безусадочные, седиментационно-устойчивые тампонажные растворы.

Быстротвердеющие тампонажные растворы зависят от скорости реакции гидратации, – это реакция взаимодействия химических веществ и воды, – приводящих к загустеванию и твердению тампонажного раствора. Скорость реакции гидратации зависит от состава связывающего вещества, концентрации, температуры и давления. Также при протекании реакции гидратации выделяется большое количество тепла, которое может привести к размораживанию льда и как следствие к перераспределению влаги в породе через неокрепшее цементное кольцо.

С увеличением удельной поверхности цемента увеличивается поверхность реакции гидратации, а также и ее скорость. В результате ускоряется появление новообразований. Кроме того, с повышением дисперсности цемента при постоянном водотвердом отношении уменьшается расстояние между ними, и в системе раньше образуются «стестенные» условия, приводящие к образованию коагуляционной и кристаллизационной структур. На этом действии основано получение быстротвердеющих портландцементов, имеющих удельную поверхность в 1,5–2,0 раза большую по сравнению с обычными цементами. В то же время слежавшиеся, комковатые цементы отличаются замедленными сроками твердения [1]. Давление оказывает гораздо меньшее влияние на свойства цементного камня и тампонажных растворов. Увеличение давления способствует более быстрому проникновению воды в глубинные участки частиц вяжущего и ускорению их гидратации. По этой причине с ростом давления несколько возрастает консистенция тампонажного раствора и сокращаются сроки его загустевания и схватывания.

При изменении температуры, сильно меняется скорость растворения, отсюда следует, что и скорость растворения связывающего вещества тоже будет меняться, как и скорость твердения и загустевания раствора.

Поэтому для улучшения качества цементирования обсадных колонн большого диаметра в зонах распространения ММП, следует найти новые технологические решения и условия для улучшения реакции гидратации, снижение до максимально возможного уровня тепловыделения при гидратации в процессе затвердевания тампонажного раствора, улучшения прочности цементного камня и предотвращения осложнений в процессе крепления [2].

Информационные источники:
1. Овчинников П.В., Кузнецов В.Г., Фролов А.А., Овчинников В.П., Шатов А.А., Урманчеев В.И. - Специальные тампонажные материалы для низкотемпературных скважин. 2002. - 115с.
2. Медведский Р.И., Строительство и эксплуатация скважин на нефть и газ в вечных породах. М.: Недра, 1987, - 230с.
Ключевые слова: колонна, размывание, заколонное пространство, нефть, газ, раствор.

Журнал "Горная Промышленность"№3 (127) 2016, стр.78