При проектировании скважин в ММП основным принципом строительства яв- ляется сохранение почвенно-растительного покрова в естественном состоянии в тече- ние всего периода эксплуатации. Для этих целей в России разработан ряд типовых оснований (рис. 7.1) [18, 20, 21].
 |
Рисунок 7.1 – Типовые основания под буровые сооружения в условиях ММП
(1 – ММП; 2 – торфо-моховая прослойка (мох); 3 – насыпь из песчаного грунта;
4 – берма; 5 – теплоизоляционный слой, изготовленный из торфа; 6 – откос из торфяной присыпки; 7 – противофильтрационная выстилка из глинистого материала; 8 – полимерная плёнка)
На малольдистых грунтах (Л < 0,2) насыпь сооружается из песчаного грунта, нанесённого непосредственно на растительный покров (рис. 7.1 а).
На льдистых грунтах (Л = 0,2 – 0,4) насыпи сооружают из песчаных грунтов с укладкой на берме (рис. 7.1б). Берма – уступ на откосе земляного полотна для прида- ния устойчивости вышележащей части сооружения. Выполняется из теплоизоляцион- ных торфяных грунтов.
На сильнольдистых грунтах (Л > 0,4) насыпи сооружают двухслойными (рис. 7.1в) с приоткосными бермами, причём нижний теплоизоляционный слой изго- тавливают из торфа, отличающегося пониженным коэффициентом теплопроводности, а откос выполаживают с помощью торфяной присыпки. Надёжность основания суще- ственно повышается при предварительном промораживании ММП, то есть при его сооружении в зимнийпериод.
На мёрзлых торфяных грунтах (Л > 0,4) насыпи сооружают на противофиль- трационной выстилке (рис. 7.1г). При этом начало возведения таких оснований при- урочивается к моменту максимального сезонного оттаивания торфяника в конце теплого периода. Сохраняя естественную торфо-моховую прослойку, укладывают по- лимерную плёнку, на которую отсыпают противофильтрационный выравнивающий слой из глинистого материала. Затем сверху сооружают песчаную насыпь. Полимер- ная плёнка служит для защиты насыпи от переувлажнения капиллярной влагой, по- ступающей снизу, и обеспечивает отвод из тела насыпи дренируемой влаги, поступающей сверху (осадки, таяние).
 |
Фирма «Хамильтон Бразерс» при строительстве скважин на Аляске в ММП ис- пользует свайный фундамент, изображённый на рисунке 7.2. Для изготовления фунда- мента требуется от 150 до 300 свай, которые устанавливаются в специально пробуренные скважины и циклически заливаются 7-8 л воды через 4 часа, что предот- вращает всплытие свай и их повреждение при кристаллизации льда. Затем свайное по- ле покрывают песчано-гравийной смесью, насыпаемой непосредственно на мохово- растительный покров. Поверх насыпи укладывается слой пенопласта для повышения эффективности термозащиты ММП под свайным основанием. Торцы свай оборудуют- ся брусьями с настилом из досок в два слоя, между которыми укладывают полиэтиле- новую плёнку, выполняющую роль гидроизоляционного экрана. Фундаменты под вспомогательное оборудование и жилой комплекс представляет собой выкладку из брусьев, установленных на досчатом настиле, размещённом на гравийной подсыпке. Площадь между брусьями покрывается слоем пенопласта толщиной не более половины высоты вентиляционного канала. Таким образом, нижележащий слой ММП защищён гравием, пенопластом, настилом из досок, а также воздушным пространством.
Рисунок 7.2 – Тепло- и гидроизоляционное основание под буровую установку для ММП (1 – вышка; 2 – буровое оборудование; 3 – вспомогательное оборудование; 4 – жилой комплекс; 5 – настил из досок; 6 – полиэтиленовая плёнка; 7 –выкладка
из брусьев; 8 – слой пенопласта; 9 – сваи; 10 – вентиляционный канал; 11 – гравийно- песчаная смесь; 12 – мохово-растительный покров; 13 – ММП)
Способы защиты скважин от воздействия мерзлоты можно подразделить на два типа: механические и термические. Механический способ защиты не предполага- ет ограничения тепловой эрозии ММП и направлен на предотвращение деформации металлической крепи.
Предупреждение продольных изгибов и перемещений колонн осуществляется путём подвески колонн на специальных фермах, опоры которых устанавливают около устья скважины за пределами зоны протаивания (рис. 7.3а). Гибкие тяги узла подвес- ки компенсируют термическое удлинение обсадных колонн. Для защиты от осевых деформаций американцами предложено использовать телескопические обсадные ко- лонны (рис. 7.3б). При этом затрубное пространство заполняется загущенной нефтью или другим высокоэффективным теплоизоляционным материалом, что значительно снижает темп протаивания прискважинной зоны. Указанные конструкции испытыва- лись на Аляске на месторождении Прадхо-Бей.
4
А б
Рисунок 7.3 – Способы механической защиты скважин от воздействия многолетней мерзлоты (1 – ММП; 2 – воронка протаивания; 3 – обсадная колонна; 4 – ферма;
5 – тяги узла подвески; 6 – телескопическое звено)
Механические способы защиты конструкции скважин от радиальных деформа- ций представляют собой мероприятия, направленные на предотвращение смятия об- садных колонн при обратном промерзании. Американскими специалистами предложен следующий способ. В затрубное пространство обсадной колонны допол- нительно спускается перфорированная колонна для периодической откачки оттаива- ющей пульпы. Предусмотрена также возможность продувки затрубного пространства воздухом с последующим заполнением его тампонажным раствором. Смятие колонны предупреждают также регулярным прогревом приствольной зоны.
Термические способы защиты конструкций скважины от воздействия ММП подразделяются на активные и пассивные. Активные способы делятся на энергоёмкие и неэнергоёмкие, а пассивные – на индустриальные и неиндустриальные. К энергоём-ким относят способы, осуществляемые с помощью источника энергии (механический, электрический и т. д.), к неэнергоёмким – способы, реализуемые с помощью энергии атмосферы, движущихся потоков добываемой продукции. Индустриальными спосо- бами защиты считают использование термозащитных экранов заводского изготовле- ния, неиндустриальными – с помощью тепловой изоляции, сооружаемой в процессе строительства скважины.
Сущность активного способа термической защиты энергоёмкого типа заключаетсяв том, что хладоноситель, охлаждённый с помощью холодильной машины,расположен-
ной на поверхности, прокачивается по смежным межтрубным кольцевым пространствам, соединённым в башмачной части циркуляционным каналом (рис. 7.4).
К неэнергоёмким способам активной термозащиты скважины относят способ, основанный на принципе конвекции. Воздух, находящийся во внутреннем кольцевом пространстве, прогреваясь от обсадной колонны, поднимается вверх, создавая разре- жение во внешнем кольцевом пространстве (рис. 7.5). Возникает естественная цирку- ляция, при которой холодный воздух поступает к обсадной колонне, охлаждает её и способствует предотвращению таяния ММП.
 | |||
 |
Рисунок 7.4 – Способы активной термозащиты энергоёмкого типа
(1 – циркуляционный канал в башмачнойчасти;
2 – межтрубное кольцевое пространство;
3 – обсадная колонна;
4 – холодильная машина)
Рисунок 7.5 – Способы активной термозащиты скважин неэнергоёмкого типа
(1 – циркуляционный канал в башмачной части;
2 – внутреннее кольцевое пространство; 3 – внешнее кольцевое пространство; 4 – обсадная колонна)
Американские исследователи предлагают использовать энергию добываемого газа, в частности, дросселировать газовый поток при подходе его к подошве ММП. Охлаждённый до отрицательной температуры поток направляют в затрубье для охла- ждения сопряжённого с ним горного массива.
Пассивная термозащита индустриального типа включает способы тепловой изоляции конструкций скважин с помощью термозащитных экранов промышленного изготовления, отличающихся простотой свинчивания, развинчивания и взаимозаме- няемости, что не нарушает стандартной технологии спуско-подъёмных и ремонтных работ в скважинах. В связи с этим все разработанные способы термозащиты инду- стриального типа основаны на использовании стандартных труб нефтяного сортамен- та. В качестве теплоизолирующих материалов используются пенополиуретан, поролон, пенопласт и базальтное волокно.
К пассивному типу неиндустриальной термозащиты относятся способы, основан- ные на использовании воздуха или газа в качестве теплоизоляционных материалов. Его сущность заключается в том, что одно или несколько кольцевых пространств освобожда- ются от жидкости и поддерживаются в сухом состоянии. Кроме этого, этого предлагается покрывать поверхности обсадных колонн теплоизоляционными материалами. Например, в США предлагается надевать на трубы полускорлупы из пенополиуретана с последующим нанесением на их поверхности гидроизоляционного покрытия.