Процесс строительства скважин в интервалах распространения ММП осложняется интенсивным кавернообразованием и обвалами горных пород. Наиболее часто это проявляется в интервалах неустойчивых пород четвертичного возраста, что в свою очередь приводит к образованию уступов, сползанию шлама вниз по стволу, а спуск кондукторов, сопровождающийся недопусками до проектной глубины, осложняет последующий процесс их цементирования [1]. При этом дальнейшая эксплуатация скважины обусловлена развитием сопутствующих негативных сценариев, оказывающих влияние на надежность всей конструкции скважины в целом. В работе [1] приведено обоснование необходимости учета литологического состава мерзлых пород в интервале ММП, а также его неоднородности при определении нагрузки на крепь скважины, превышение которой приводит к потере ее продольной устойчивости на глубинах, не связанных с оголенными приустьевыми участками. При этом дополнительная нагрузка на крепь обеспечивается зависанием оттаявшей породы на внешней стенке колонны и количественно может достигать до 60 % от общей нагрузки за счет действия сил трения породы о боковую поверхность обсадной колонны [1, 2].

Известно, что к главным факторам, определяющим и влияющим на продольную устойчивость крепи, относятся [3]:

1. Прочностная характеристика конструкции крепи или ее жесткость, которая складывается из жесткости элементов конструкции скважины и которая может увеличиваться за счет:

• введения в конструкцию скважины дополнительной колонны (удлиненного направления, термокейса) с установкой башмака колонны в устойчивые породы;
• увеличения диаметров обсадных колонн и толщины стенки;
• применения в межколонных пространствах жестких центраторов и (или) увеличения модуля упругости цементного камня.

2. Способ закрепления концов участка крепи, не имеющего опоры (увеличения жесткости крепления концов критического участка крепи), который достигается за счет:

• замещения в приустьевой части до начала бурения скважины ореола льдистых пород кондиционным карьерным грунтом;
• недопущения оттаивания льдистых пород на границе цементного кольца наружной колонны применением теплоизолированных насосно-компрессорных труб или охлаждающих (замораживающих) устройств или их комбинации;
• своевременной засыпки приустьевой воронки кондиционным грунтом. Данное мероприятие направлено в большей степени на снижение негативных условий оголенных приустьевых участков.

3. Нагрузка на крепь скважины, складывающаяся из веса устьевой обвязки, лифтовых труб, веса самой крепи в интервале глубин от устья скважины до нижней точки заделки ее свободного участка, а также дополнительной нагрузки на крепь оттаивавшей породы, уменьшение которой достигается за счет:

• снижения веса устьевой обвязки, колонны лифтовых труб и веса погонного метра крепи скважины;
• разгрузки веса крепи установкой башмаков наружных колонн (направления и кондуктора) в устойчивые породы с обеспечением сцепления цементного камня с породой и колонной.

Геологической особенностью рассматриваемого разреза ММП отмечается его неоднородность на глубинах от 70 до 160 м [1].
Данный интервал представлен песками, чередующимися с мягкими, текучепластичными, сильнопучинистыми суглинками с высокой пористостью, которые подвержены высоким пластичным деформациям и при насыщении их влагой теряют свою первоначальную форму. Вышележащий интервал (20–70 м) представлен слоем глины, который при оттаивании не теряет своих прочностных свойств и при этом изолирует нижележащие просадочные слои от воздействия оседающих выше по разрезу грунтовых масс [1]. Таким образом, учитывая особенности разреза ММП и тот факт, что предусмотрена трехколонная конструкция скважины при наличии термокейса, факторы, повышающие надежность крепи скважины в контексте сохранения продольной устойчивости крепи скважины, классифицируются следующим образом:

1. Увеличение жесткости крепи скважины через:

• увеличение диаметров обсадных колонн и толщины стенки;
• применение в межколонных пространствах жестких центраторов и/или увеличение модуля упругости цементного камня.

2. Сохранение прочностных свойств мерзлых пород через недопущение оттаивания льдистых пород на границе цементного кольца наружной колонны применением теплоизолированных насосно-компрессорных труб.

Известно, что увеличение диаметров обсадных колонн и (или) толщины их стенки закономерно приводит к увеличению веса обсадной колонны и ее металлоемкости, что не всегда допустимо как с технической, так и с экономической стороны.
При этом условием сохранения продольной устойчивости крепи является превышение критической длины (L_кр) рассматриваемого участка колонны над длиной интервала мерзлых пород (L_л.п), в котором она расположена, и теряющих при оттаивании свои прочностные свойства [3, 4]:

где Р_с⁰ — суммарный вес устьевой обвязки и лифтовых труб, Н; L — длина крепи скважины в интервале глубин от устья скважины до верхней точки закрепления ее свободного участка (от забоя), обеспечивающая ей боковую опору, м; Z_ς — дополнительная нагрузка на погонный метр крепи за счет оттаивания породы, Н/м; µ — значение коэффициента приведения длины в зависимости от способа закрепления концов критического участка крепи; ƩE×J — суммарная жесткость элементов, составляющих крепь (обсадных колонн и цементных колец), Н·м²; q_im — вес погонного метра крепи скважины, Н/м.

Так, в работе [1] определено, что крепь скважины с трехколонной конструкцией и включенным термокейсом, с глубиной залегания ММП до 600 м теряет свою устойчивость при длине критического участка обсадной колонны до 70 м (в отсутствие опоры на породу в интервале от 70 до 140 м по вертикали), а также воздействии на него критической нагрузки равной 465 т — условия, при которых происходит деформация обсадной колонны. Определим время и радиус оттаивания ММП при условии, что скважина работает без остановок. При этом межколонное пространство (МКП) скважины 324×245 и 245×178 в интервале ММП заполнено облегченным цементным раствором с теплопроводностью цементного камня (λ_ц) равной 0,6 Вт/(м·град), в конструкцию скважин включен термокейс, спущенный на глубину 22 м, интервал 20–70 м представлен глинами, температура на устье скважины при эксплуатации составляет +19 °С [1]. Тогда обратным расчетом, подставляя в формулу известные величины и длину критического участка (с 5 % запасом принимаем 99,8), определим жесткость, удовлетворяющую условию устойчивости крепи, при существующих геологических условиях она равна ƩE×J = 1 106 060 559 Па·м⁴.

При этом, исходя из условия, что жесткость крепи складывается из суммы жесткости стальных труб и жесткости цементных колец, определим необходимую жесткость обсадных труб (кондуктора, тех. и экспл. колонн). Она должна составлять ƩE_т·J_т =133 775 398 Па·м⁴.
Так как изменению подлежат толщины стенок обсадных колонн, то, соответственно, меняется и момент инерции [3], результаты представлены в таблице (табл. 1).

В результате проведенных расчетов определено, что увеличение толщины стенки обсадных труб кондуктора, тех. и эксплуатационной колонн приводит к незначительному увеличению жесткости крепи скважины на 0,26 %. Аналогичным способом оценено влияние цементного раствора за технической и эксплуатационной колонной в интервале ММП с позиции устойчивости крепи скважины — увеличение жесткости происходит на 0,13 % в случае отсутствия его за колоннами. При этом с увеличением толщины стенки труб увеличивается вес погонного метра крепи скважины на 0,22 кН, что в свою очередь увеличивает критическую нагрузку на ее крепь, а также ограничивается грузоподъемностью буровой установки. Проведенные расчеты влияния жестких центраторов на жесткость крепи скважины показали лучшие результаты. Так, включение их в компоновку обсадных колонн приводит к повышению жесткости крепи скважины
до 119 451 794,6 Па·м⁴ (увеличение на 9 %), однако в целом данного значения не достаточно для удовлетворения жесткости равной ƩE×J = 1 106 060 559 Па·м⁴, когда сохраняется условие устойчивости крепи скважины в условиях геологической неоднородности в разрезе ММП.

Таким образом, определено, что в условиях геологической неоднородности в разрезе ММП повышение продольной устойчивости крепи скважины усилением ее жесткости за счет увеличения толщины стенки обсадных колонн и (или) применение в межколонных пространствах жестких центраторов не позволяют добиться продольной устойчивости крепи скважины. В этом случае сохранение продольной устойчивости крепи скважины необходимо рассматривать за счет удержания прочностных свойств мерзлых пород, через недопущение оттаивания льдистых пород на границе цементного кольца наружной колонны. С этой целью рассмотрим известные термостабилизирующие мероприятия, направленные на сохранение прочностных свойств ММП при эксплуатации скважин, такие как:

Такие мероприятия, как включение в состав конструкции теплоизолирующего направления (термокейс) и системы температурной стабилизации грунтов, не рассматриваются по причине включения термокейса в конструкцию скважины, а также эффективности СОУ только до незначительных глубин ~ 10–50 м, что значительно выше рассматриваемого интервала неоднородности ММП, подверженного оттаиванию, который находится на глубине 70–160 м.

Оценка изменения теплового и механического состояния пород в околоскважинном пространстве определялась через радиус протаивания на заданной глубине согласно [3]:

где a — усредненный по разрезу наружный радиус цементного кольца за внешней колонной скважины (кондуктором), м; λ_т, λ_м — коэффициенты теплопроводности пород в талом и мерзлом состоянии, Вт/(м·град); γ_ск.м. — плотность скелета мерзлой породы, кг/м³; w_tot — суммарная весовая влажность мерзлой породы, кг/кг; w_w — весовая влажность мерзлой породы за счет незамерзшей воды, кг/кг; k = 3,35×105 Дж/кг — удельная теплота фазовых превращений воды в лед; t₀, t_с, t_ф — температура соответственно: массива мерзлых пород на глубине нулевых амплитуд (в ненарушенном состоянии), внешней границы цементного кольца за внешней колонной (кондуктором), начала оттаивания мерзлой породы, °C.

Ранее было установлено, что для данного интервала ММП крепь скважин теряет свою устойчивость при достижении нагрузки критического значения в 465 т, формирующейся при длине критического участка обсадной колонны в 70 м, который в свою очередь частично перекрывает участок геологической неоднородности ММП в интервале от 70–160 м [1].
Также исследованиями было установлено, что интервал ММП, представленный чередующимися слоями песков с мягкими, текучепластичными, сильнопучинистыми суглинками с высокой пористостью оттаивает неравномерно. Так, оттаивание интервала суглинков 95–110 м, в силу отличительных особенностей своих теплофизических свойств, происходит с некоторой задержкой по времени в отличие от интервала 110–160 м, представленного песками и супесью. Определив радиусы оттаивания мерзлых пород в разные периоды времени и сопоставив их с результатами развития критического участка обсадной колонны, определено, что достижение критических показателей, ведущих к возможной деформации обсадной колонны, возможно через 3,5 года эксплуатации скважины (рис. 1).

Анализ рисунка 1 показывает, что для формирования участка обсадной колонны длиной 70 м, на который воздействует критическая нагрузка величиной 465 т приводящая к его деформации, радиусы оттаивания мерзлых пород на глубинах 95–110 м и 110–140 м по вертикали должны составить 1,6 и 2,0 м от центра скважины соответственно. Определенные радиусы являются показателями достижения критических значений аварийной ситуации при эксплуатации скважины.

С целью определения влияния описанных выше технико-технологических решений на теплофизические свойства ММП в исходном состоянии определим радиусы оттаивания при эксплуатации скважины за период равный 20 годам эксплуатации скважины, а также максимальный (стационарный) радиус оттаивания ММП без учета времени эксплуатации скважины. При этом цементирование интервалов ММП планируется с использованием тампонажных растворов с низкой теплопроводностью тампонажного камня —
не более 0,25 Вт/(м·град), что позволяет достичь необходимых показателей
по теплопроводности, достаточных для удержания прочностных свойств мерзлых пород (табл. 2).