СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВОПРОС: БУРЕНИЕ СКВАЖИН В ЗОНЕ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД

Теплообменные процессы при бурении скважин в многолетней мерзлоте:

Во многих случаях температура циркулирующей в скважине промывочной среды становится одним из основных параметров режима бурения, определяющим не только производительность и качество, но часто и саму возможность успешной проходки скважин.

Важность тщательного учета, регулирования и использования температурного фактора в области распространения многолетнемерзлых пород, как при колонковом разведочном бурении на твердые полезные ископаемые или в целях инженерных изысканий, так и при глубоком вращательном бурении. Наличие мерзлоты в разрезе предъявляет ряд специфических требований к технологии проходки и крепления скважин.

Высокая чувствительность сцементированных льдом рыхлых отложений и разрушенных коренных скальных пород к нарушению их температурного и агрегатного состояния, определяющее влияние аккумулированного горными породами холода на ствол скважины и протекающие в нем процессы являются причинами частых, разнообразных по своей природе и тяжелых по последствиям осложнений.

Главной причиной этих осложнений является недоучет температурного фактора, нарушение нормального температурного режима скважины, при котором интенсивность теплообменных процессов между мерзлыми породами и циркулирующей в скважине промывочной средой остается в допустимых пределах, не вызывающих нарушения их фазового состояния.

Задача надежного предупреждения осложнений, обоснования и отработки рациональной и эффективной технологии бурения и мерзлых породах исключает односторонний подход. Необходимо постоянно учитывать тепловое взаимодействие промывочной среды и мерзлых пород. Примерами неверного подхода являются попытки применять нагретую воду или глинистый раствор в целях борьбы с замерзанием, что приводило к нарушению связности сцементированных льдом пород и их обрушению, обвалам и тяжелым авариям. Значительно результативнее оказалось применение солевых и подсоленных глинистых растворов, но и в этих случаях осложнения не устранялись полностью и за недоучета необходимости поддерживать температуру в должных пределах и растворяющего действия соли на лед.

Возможность искусственного регулирования температуры и стволе бурящейся скважины решающим образом зависит от теплофизических свойств промывочной среды. Замена замерзающей при 0°С воды не замерзающим при естественной температуре мерзлоты (до —15°С максимально) достаточно концентрированным водным раствором NаС1 или СаС₁₂, беспарафинным дизельным топливом или воздухом еще не решает задачи, не обеспечивает нормального температурного режима скважины при бурении и мерзлоте. Даже охлаждение той или иной незамерзающей промывочной среды на поверхности за счет теплообмена с атмосферным воздухом или мерзлыми породами не гарантирует от осложнений и аварий без знания особенности теплообменных процессов в стволе бурящейся скважины, характера распределения температуры по глубине. Температура жидкой или газообразной промывочной среды различна в каждой точке циркуляционной системы скважины, является результатом нестационарного (зависящего от времени, продолжительности процесса) теплообмена между окружающим скважину массивом мерзлых или «морозных» пород и циркулирующей в скважине промывочной среды и зависит от физических и теплофизических свойств последней. Знание этих свойств для обеспечения нормальной технологии бурения в мерзлых породах недостаточно без знания и учета основных закономерностей теплообмена в бурящейся скважине.

Под температурным режимом бурящейся скважины понимают распределение температуры циркулирующей промывочной среды во внутреннем канале бурильной колонны и в кольцевом пространстве, зависящее от большого числа разнородных по своему действию факторов.

Нисходящий поток промывочной среды в бурильных трубах находится в состоянии непрерывного теплообмена с восходящим потоком в кольцевом пространстве, который, в свою очередь, контактируя с окружающими породами (непосредственно или через обсадные трубы), непрерывно изменяет свою температуру не только по глубине, но и во времени.

Естественная температура горных пород не является величиной постоянной, она непрерывно изменяется по глубине, как правило более или менее закономерно возрастая. В результате теплообмена с циркулирующей в скважине промывочной средой тепловой баланс в массиве горных пород нарушается, отток тепла из ствола скважины в окружающий массив (или наоборот) зависит от продолжительности циркуляции и непрерывно изменяется во времени. При этом изменяется и температура самих пород.

В призабойной зоне скважины промывочная среда воспринимает тепло, выделяющееся за счет механической работы породоразрушающего инструмента. Местный источник тепла в зоне забоя осложняет картину теплообмена в скважине, влияя не только на температуру восходящего потока, но и вследствие теплообмена через стенки бурильных труб — на температуру нисходящего потока.

Энергия, затрачиваемая потоком на преодоление сопротивлений трения в бурильных трубах и кольцевом пространстве, также рассеивается в виде тепла, оказывающего влияние на температуру среды.

Самостоятельным источником тепла является трение бурильных труб о стенки скважины.

При бурении с продувкой воздухом или газом наряду с процессами теплообмена происходят процессы массообмена, выражающиеся в изменении влажности воздуха или газа, что существенно влияет на их температуру.

При бурении по многолетнемерзлым породам теплообменные процессы осложняются изменениями фазового состояния воды в породах, очень сильно влияющими на интенсивность и направление тепловых потоков.

Температура промывочной среды в любой точке циркуляционной системы скважины в любой момент времени является результатом совместного проявления таких факторов, как расход и начальная температура промывочной среды, скорость движения и турбулентность потока, физические и теплофизические свойства промывочной среды и проходимых скважиной горных пород, естественная температура последних и характер ее изменения по глубине, конструктивные особенности, свойства материала бурильной колонны и обсадных труб, скорость бурения и продолжительность рейса, мощность, развиваемая на забое породоразрушающим инструментом, и др.

Действие большинства этих факторов различно на разных участках скважины, часто противоположно по знаку и изменяется со временем.

Бурение скважин с продувкой охлажденным воздухом:

Применение сжатого воздуха вместо промывочной жидкости является существенным шагом вперед в решении проблемы бурения в условиях мерзлоты. Сжатый воздух, в отличие от воды и глинистых растворов, не замерзает при температурах и давлениях в процессе бурения, поэтому полностью устраняются осложнения, связанные с замерзанием промывочной среды. Применяемые при бурении с продувкой массовые расходы воздуха в единицу времени обычно в 15–25 раз меньше массового расхода любой промывочной жидкости, а его удельная массовая теплоемкость 1000 Дж/(кг·°С) соответственно в четыре раза меньше. Поэтому при одной и той же начальной температуре нагнетаемой в скважину промывочной среды воздух несет с собой в 60–100 раз меньше тепла, чем промывочная жидкость. Это существенно снижает опасность осложнений, связанных с протаиванием и потерей устойчивости и монолитности мерзлых пород. В указанном отношении воздух как промывочный агент значительно эффективнее, например, солевого раствора (NaCl или СаС12 в воде), который хотя и не замерзает в скважине, но в силу своей способности нести больший запас тепла может нарушить естественное агрегатное состояние слагающих стенки скважины мерзлых пород, что ведет к появлению осложнений из-за их протаивания. Однако подаваемый от компрессора непосредственно в скважину сжатый воздух, снижая опасность и остроту появления осложнений, связанных с про- таиванием мерзлых пород, не устраняет этих осложнений полностью. На выходе из компрессора сжатый воздух всегда имеет повышенную температуру, достигающую 70–80 °С; при этом отмечались случаи протаивания мерзлоты с последующими осложнениями. Существует также специфический вид осложнений, связанных с выпадением конденсата из воздуха при его охлаждении в скважине и выражающихся в слипании частиц шлама, образовании сальников, намерзании конденсата в соединениях, уменьшении проходных сечений и вследствие этого в прижогах породоразрушающего инструмента, прихватах снаряда и др. Эти осложнения также вызваны недоучетом температурного фактора при бурении. Даже при незначительных глубинах до 100–200 м температура воздуха в скважине значительно изменяется, и тем больше, чем сильнее начальная температура воздуха отличается от температуры мерзлых пород в большую или меньшую сторону. Причина в том, что в силу малых, в сравнении с промывочными жидкостями, массовых расходов и теплоемкости воздух несет с собой весьма небольшой запас холода или тепла и поэтому быстро приобретает с глубиной температуру, близкую к температуре окружающих мерзлых пород. Наиболее неблагоприятные условия бурения по мерзлым породам складываются при высоких положительных температурах нагнетаемого в скважину воздуха, особенно при его больших расходах. В этом случае по всему стволу скважины может сохраняться положительная температура воздуха, что ведет к тяжелым осложнениям. При малых расходах воздуха, начиная с некоторой глубины скважины, его высокая начальная температура перестает играть отрицательную роль. На верхнем участке ствола, где влияние начальной температуры сохраняется, возможные осложнения могут быть предупреждены установкой обсадной колонны. Во всех случаях бурения с продувкой воздухом его температура резко возрастает у забоя скважины за счет тепла, отбираемого от породоразрушающего инструмента. При использовании охлажденного воздуха максимум температуры в скважине (при нетеплоизолированных бурильных трубах) устанавливается, как правило, у забоя и лишь при малой глубине и большом расходе холодного воздуха – несколько выше забоя. Проблема устранения резкого прироста температуры воздуха в призабойной зоне в результате рационального размещения производства холода может быть решена на основе сочетания охлаждения воздуха на поверхности с использованием встраиваемого в нижнюю часть бурового снаряда погружного вихревого холодильника. Он отличается небольшими размерами, отсутствием движущихся частей и создает в холодной струе при перепаде давления 0,5 МПа температуру воздуха до минус 40–50 °С; кроме того, можно использовать пневматический забойный двигатель, например турбодетандер или обычный пневмоударник. Необходимое в любом случае бурения по мерзлым породам охлаждение и осушение сжатого воздуха на поверхности весьма полезно и в том отношении, что позволяет простейшим образом устранить осложнения, связанные с выпадением конденсата. Охлаждение воздуха даже без специальных мер его осушения всегда сопровождается конденсацией и отводом влаги.

Способы охлаждения сжатого воздуха:

При бурении скважин с продувкой возможны следующие способы охлаждения сжатого воздуха: а) за счет теплообмена с естественным хладоносителем (атмосферным воздухом, проточной водой, мерзлыми породами, льдом) с помощью разделительных (поверхностных), смесительных или иной конструкции холодильников; б) в результате изменения внутреннего баланса энергии самого сжатого воздуха при его расширении или изменении формы движения (адиабатическое расширение с отдачей внешней работы, дросселирование, вихревой эффект); Анализ и обоснование выбора очистных агентов и технология их применения 25 в) путем теплообмена с кипящим при низкой температуре хладагентом (фреоном, аммиаком и др.) в парокомпрессионных, пароэжекторных, адсорбционных холодильных машинах, а также при использовании прочих машинных способов охлаждения. Из существующих способов охлаждения наиболее простым и дешевым является теплообмен с естественным хладоносителем.

Бурение с применением газожидкостных дисперсных систем. Газожидкостные системы, используемые в качестве самостоятельных очистных агентов, делятся на аэрированные жидкости, туманы и пены. Пены представляют собой, как правило, многофазные дисперсные системы, в которых дисперсионной средой служит жидкость, а дисперсной фазой – газ. Аэрированные жидкости отличаются от пен тем, что в них концентрация газа значительно ниже, пузырьки газа не связаны между собой и имеют шарообразную форму. К пенам относятся дисперсные системы, в которых газообразная фаза составляет основную часть объема – до 99 %. Ряд существенных технологических преимуществ газожидкостных систем обусловливается известными преимуществами входящих в них компонентов – жидкости и газа. Так, успех, достигаемый от применения газожидкостных систем, объясняется присутствием в них газовой фазы, позволяющей в широком диапазоне снижать, например, гидростатическое давление столба очистного агента, обеспечивать лучшие условия удаления из скважины бурового шлама и т.д. Однако жидкая фаза, содержащая различные поверхностно-активные вещества (ПАВ), химические реагенты (КМЦ, гипан и др.), а также глинопорошок, смазывающие, ингибирующие, противоморозные и другие добавки, позволяющие повысить показатели бурения, создает лучшие условия для нормального охлаждения и работы породоразрушающего инструмента по сравнению с продувкой скважины сжатым воздухом. В настоящее время газожидкостные системы применяются при бурении скважин на твердые, жидкие (нефть, воду) и газообразные полезные ископаемые (газ, геотермы). Они используются при вращательном (с двигателем на поверхности и с погружным двигателем – турбобуром, электробуром), а также при ударно-вращательном, керновом и бескерновом бурении. Применение пен также способствует уменьшению загрязнения окружающей среды. Пена, как и всякий очистной агент, не является универсальной. Ее не следует применять при бурении несцементированных рыхлых отложений, сильно обводненных пород с притоками более 31,7 м3 /ч, а также высоконапорных пластов, где давление превышает вес столба пены в скважине. Аэрированные жидкости на водной и неводной основах получают вводом газа или воздуха в различные промывочные растворы. При этом различают бескомпрессорный и компрессорный способы. Введением ПАВ в жидкость, аэрируемую любым из указанных способов, обеспечиваются стабилизация дисперсной системы, улучшение условий удаления частиц разбуренной породы с забоя и из скважины на поверхность в результате высоких смачивающих и флотирующие свойств ПАВ, предотвращение агрегирования частиц разбуренной породы, снижение коррозирующего действия воздуха в дисперсных системах и т.д.

Бурение с применением промывочных жидкостей:

Промывочные жидкости на водной основе могут быть полимерглинистые с малым содержанием твердой фазы, полимерглинистые и полимерные безглинистые. В эти жидкости могут вводиться различные реагенты-стабилизаторы, пенообразователи, а также смазывающие, противокоррозионные, противоморозные и другие добавки. Промывочные жидкости используются при бурении пород с отрицательными и положительными температурами. В этих условиях применение даже пресных растворов имеет свои особенности, определяемые в первую очередь климатическими (низкие температуры окружающего воздуха), организационными (дальность перевозок, длительность хранения материалов, трудность водоснабжения и др.), а также экономическими показателями (повышенная стоимость используемых материалов и др.) Область применения глинистых растворов весьма обширна. В качестве самостоятельных промывочных жидкостей их используют во всех случаях, когда бурение скважин с промывкой технической водой невозможно. Они значительно улучшают очистку скважин от выбуренной породы и вынос песка, служат для временного крепления несцементированных пористых и трещинов тых пород, для проходки зон поглощений и т.д.. А.В. Марамзин на основании многочисленных экспериментальных исследований показал, что для обеспечения нерастепляемости пород температура промывочной жидкости, нагнетаемой в скважину, должна быть в пределах от 0 до –2,5 °С и по возможности близкой к температуре окружающих пород. Параметры и подача жидкости в скважину выбирается из расчета обеспечения структурного режима течения жидкости в затрубном пространстве для снижения интенсивности теплообмена между жидкостью и породами. После проходки зоны многолетнемерзлых пород ствол скважины во всех случаях закрепляется обсадными трубами. Однако бурение скважин с промывкой растворами, имеющими положительные температуры, может привести к усложнению конструкции скважины. Чтобы в процессе бурения предохранить многолетнемерзлые породы от растепления, частоту вращения и осевую нагрузку на забой можно изменять при одновременном изменении количества подаваемой в скважину жидкости. Только предварительным охлаждением промывочной жидкости обеспечить стабилизацию многолетнемерзлых пород невозможно. Необходимо регулировать режимные параметры, в том числе режим циркуляции жидкости, ее физико-химический состав, характеризующий в первую очередь теплофизические и смазывающие свойства. Кроме того, при установлении рациональных реологических свойств промывочных жидкостей нельзя не учитывать возможного их изменения под действием температурного фактора. При оценке величины вязкости глинистых растворов следует также учитывать, что с повышением глубины скважины и ростом гидростатического давления вязкость увеличивается. Известно, что при изменении давления от 0,1 до 100 МПа вязкость возрастает на 5–6 %. Тепловое воздействие способствует эрозионному разрушению многолетнемерзлых пород, которое увеличивается при росте скорости и спиралевидном движении потока промывочной жидкости в затрубном пространстве, а также при большом содержании твердой фазы в растворе. При тепловом воздействии создаются условия для образования обвалов пород, формирования каверн, т.е. нарушается нормальный процесс углубления скважин. Наиболее универсальным способом, обеспечивающим охлаждение промывочной жидкости в любое время года, является способ, предусматривающий применение специальных теплообменников и холодильных установок Теплообменник представляет собой металлическую емкость, оснащенную системой труб, пропущенных через лед, заполняющий емкость.

Для понижения температуры замерзания жидкости можно рекомендовать соли NaCl, КС1, Na2CO3 и др. Применение неорганических солей в качестве противоморозной добавки рационально при введении в промывочную жидкость добавок ОП-7 + АНП-2. Известно, что для получения низкотемпературостойких промывочных жидкостей более эффективно применение таких органических добавок, как этиловый спирт, глицерин, этиленгликоль, полиэтиленгликоль, а также добавки ПАВ. Международный опыт бурения показывает, что в настоящее время существует несколько способов охлаждения бурового раствора. Естественное охлаждение. В случае, когда температура раствора при возвращении из скважины выше, чем температура окружающей среды (бурение в зимний период), при движении раствора по наземной обвязке он будет охлаждаться за счет теплообменных процессов с оборудованием и окружающей средой.

Охлаждение при использовании твердых хладагентов:

В емкости с буровым раствором помещается твердое вещество с низкой температурой, не вступающее в химическую реакцию с жидкостью. Охлаждение также происходит за счет теплообменных процессов. Применяется в случаях, когда температура окружающей среды незначительно выше температуры раствора, выходящего из скважины. Принудительное охлаждение специальным оборудованием применяется в случаях, когда температура окружающей среды значительно выше температуры раствора, выходящего из скважины. Независимая система охлаждения раствора в основном используется для исследования газовых гидратов в вечной мерзлоте. Система охлаждения раствора состоит из двух компонентов, а именно системы охлаждения хладагента и контура охлаждения раствора. При прохождении хладагента через холодильную установку его температура может достигать –15 °С. Хладагент и раствор транспортируются к коаксиальному теплообменнику в одно и то же время. Между ними происходит теплообмен через обратный теплообменник. Общая мощность теплообмена может быть рассчитана по следующей формуле:

Q = M · c · (t1 – t2) = (ρ · G) · c · (t1 – t2), (28)

где М – массовый расход, кг/мин; с – удельная теплоемкость, 3,7064 кДж/кг; t1 – t2 – разница температур, °C; ρ – плотность бурового раствора, г/см3; G – расход, л/мин. Обоснование выбора очистного агента для бурения скважин в условиях позволило объединить и обобщить информацию по применению различных очистных агентов для промывки скважин в условиях залегания многолетнемерзлых пород (табл. 9).

Таблица 9

Преимущества и недостатки очистных агентов при бурении ММП

Таким образом, наиболее эффективным является применение газожидкостных промывочных смесей. При этом существующие недостатки не сильно повлияют на эффективность их применения. Во-первых, дополнительное оборудование необходимо при использовании и воздуха, и раствора. Во-вторых, глубина залегания ММП небольшая (в среднем – до 120–150 м), а поэтому нет необходимости надолго останавливать циркуляцию очистного агента в скважине. В-третьих, самая низкая температура в пласте –5 °С, что означает, что при использовании морозостойких добавок в составе газожидкостной смеси она не будет быстро замерзать и создавать помехи в процессе бурения.