Разработка концепции метода ускоренного проведения экспериментов по нахождению состава тампонажных смесей для строительства скважин в условиях вечной мерзлоты

© С.В. Ефименко, М.Ю. Мерзляков, А.А. Клавдиев, В.Е. Трушников, 2016

РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ МЕТОДА УСКОРЕННОГО ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО НАХОЖДЕНИЮ СОСТАВА ТАМПОНАЖНЫХ СМЕСЕЙ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СКВАЖИН В УСЛОВИЯХ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Строительство скважин на алмазоносных месторождениях в Якутии сопряжено со многими трудностями. В связи с непростыми климатическими и горно-геологическими условиями здесь нередко возникают осложнения, влекущие за собой аварии, устранение которых требует роста материально-временных затрат. Предлагаемая методика оптимизации процесса проведения экспериментов по формированию состава смесей позволяет минимизировать риски возникновения вышеуказанных осложнений, прежде всего - путем создания надежных тампонажных смесей для крепи скважин. Ключевые слова: обратное промерзание, растепление мерзлых пород, дренажный сток, подмерзлотные водоносные горизонты, герметизация затрубного пространства, тампонажные смеси, крио-литозона, системно-аналитический метод, модели и планы экспериментов.

Анализ положения

Наиболее частыми проблемами в зонах распространения многолетнемерзлых пород (ММП), при создании и эксплуатации скважин, являются обвалы горных пород на устье, недоподъем тампонажных смесей до проектной отметки, смятие обсадных колонн при возникновении обратного промерзания, растепление мерзлых пород и, как следствие, нарушение герметичности затрубного пространства [1]. Вместе с тем, помимо указанных сложностей, при подземном способе добычи на крупнейших месторождениях по добыче алмазов в Запад-

УДК 622.257.1

С.В. Ефименко, М.Ю. Мерзляков, А.А. Клавдиев, В.Е. Трушников

ной Якутии возникает сложность, связанная с поступлением пластовых минерализованных вод в горные выработки. В последнее время большая часть дренажных стоков закачивается с помощью скважин обратно в подмерзлотные водоносные горизонты или в толщи многолетних мерзлых пород (ММП). При закачке этих вод в скважины необходимо учитывать тот фактор, что до 5—6 месяцев в году они имеют положительную температуру и могут привести к таянию льдистых мерзлых пород, что может грозить разрушением скважины.

Минимизировать риски возникновения вышеуказанных осложнений, прежде всего, можно путем создания качественной и эффективной крепи скважин, которая с одной стороны обеспечит достаточную герметизацию затрубного пространства, а с другой — позволит защитить ММП от возможного растепления. В подобных условиях для герметизации затрубного пространства широко используются облегченные тампонажные растворы, среди которых можно выделить смеси, включающие в качестве облегчающей добавки пузырьки газа (воздуха). Применение газожидкостных тампонажных смесей (ГЖТС) для крепления скважин в районах с наличием ММП вызвано их низкой плотностью и незначительной водопотребностью, хорошей способностью проникать в поры и трещины и надежно их закупоривать, успешно замещать имеющиеся в затрубном пространстве водосодержащие объемы и прочно связываться с горными породами и стенками обсадных труб [2]. Использование подобных цементных составов, кроме того, вызвано их низкой теплопроводностью, что позволяет их использовать в качестве пассивного метода защиты ММП от растепления [1, 3]. Необходимо также отметить, что образуемая ГЖТС пористая структура цементного камня способствует росту его морозостойкости [4] и механических свойств[5], препятствующих развитию трещин по всему объему камня.

Возможные пути решения существующих проблем

При создании тампонажных смесей, предназначенных для крепления скважин в вечной мерзлоте, особое внимание нужно уделять их способности схватываться в достаточно короткие сроки при низкой температуре окружающей среды. Для ГЖТС немаловажным свойством также будет являться ее способность вовлекать пузырьки воздуха в свой состав. Помимо этого, тампонажная смесь должна иметь достаточную подвижность для закачивания ее в затрубное пространство скважины.

Увеличение сроков схватывания приводит к седиментацион-ной неустойчивости тампонажной смеси, в результате которой цементное кольцо теряет сплошность, а образующийся цементный камень приобретает рыхлую структуру с наличием в ней заполненных фильтратом трещин и каналов с различной конфигурацией и размерами [1]. Фазовый переход находящейся в затрубном пространстве жидкости при промерзании зако-лонного пространства сопровождается возникновением избыточного давления, которое может привести к смятию колонны обсадных труб. При увеличении количества пузырьков воздуха в составе ГЖТС снижаются ее плотность и теплопроводность, но в то же время ухудшаются прочностные характеристики образуемого цементного камня. Кроме этого, при укрупнении размеров пор в структуре тампонажного камня возрастает его газо- и водопроницаемость. Из всего вышеизложенного можно сделать вывод о том, что создание эффективной ГЖТС, для крепления скважин в мерзлых породах, представляет весьма сложную задачу. Для успешного ее решения необходимо учесть взаимное влияние различных факторов.

Пошаговая реализация новой концепции

проведения исследований

Проектирование концептуальной онтологии. При разработке методологии проведения экспериментальных исследований, в любой конкретной области знания, следует особое внимание уделить проектированию онтологии, как частного рода спецификации концептуализации, обоснованию вероятностного характера статистического вывода, выборочному методу, проверке статистических гипотез. Для реализации нового принципа проведения исследований нужно уметь находить, оценивать и сравнивать возможные альтернативы на основе рабочих (опорных) гипотез.

Разработка частной методики ускоренного проведения экспериментов. С целью построения планов экспериментов, сокращения общего числа опытов и, как следствие этого — уменьшения суммарного времени по определению сроков схватывания смесей, на кафедре бурения скважин Национального минерально-сырьевого университета «Горный», совместно с кафедрой системного анализа и управления Горного университета был разработан системно-аналитический метод разработки новых смесей ГЖТС для крепления скважин в криоли-тозоне.

Решение частных задач. Системно-аналитический метод призван решать следующие частные задачи:

1. Создание информационной модели на основе сформулированных требований.

2. Построение алгоритма экспериментов на основе информационной модели.

3. Построение сетевого графика экспериментов, его представление в матричной форме, и т.д.

4. Фиксирование, анализ хода и результатов экспериментов.

5. Статистическая обработка результатов экспериментов, с целью отбора оптимальных составов тампонажных смесей.

Ход работы и проведение экспериментов

Описание метода. Разрабатываемый системно-аналитический метод не только позволяет построить схему ускоренного проведения экспериментов по определению сроков схватывания разработанных тампонажных смесей, но и создать требуемую схему физической реализации опытов с учетом прочих свойств и параметров ГЖТС. Проведем выстраивание линии нашего исследования.

Постановка задачи. Должны быть рассмотрены основные процедуры сбора, статистической обработки и анализа массовых данных, возможности их реализации посредством специального ПО с помощью вычислительной техники.

Планирование эксперимента (experimental design techniques) — комплекс мероприятий, направленных на эффективную постановку опытов. Основная цель планирования эксперимента — достижение максимальной точности измерений при минимальном количестве проведенных опытов и сохранении статистической достоверности результатов.

Математический аппарат планирования экспериментов позволяет проводить действительно активный эксперимент и получать только необходимую информацию отдельно о каждом факторе или сочетании факторов. В частности, это выражается в том, что коэффициенты регрессии, которые являются основными характеристиками каждого фактора, определяются независимо друг от друга.

Проведение экспериментов происходит методом последовательного повторения с текущей коррекцией (методом последовательных итераций), при этом проводились контролируемые изменения, или «покачивание», основных входных параметров. Все схемы физической реализации опытов имеют

Рис. 1. Вертикальная структура алгоритма экспериментов

системно-аналитический характер и строятся на основе рабочих (опорных) гипотез.

Опорные гипотезы. Если вероятность позволяет нам предсказывать неизвестные результаты, основанные на известных параметрах, то правдоподобие позволяет нам оценивать неизвестные параметры, основанные на известных результатах. Оценка максимального правдоподобия является популярным статистическим методом, который используется для создания статистической модели на основе данных, и обеспечения оценки параметров модели. Метод наибольшего правдоподобия — МНП (англ. maximum likelihood estimation — ML) в математической статистике — это метод оценивания неизвестного параметра путем максимизации функции правдоподобия.

На этапе планирования предстоящих исследований создается информационная модель и структура (в рассматриваемом случае — вертикального типа) алгоритма проведения экспериментов. В нашем случае информационная модель и структура (алгоритм) экспериментальных исследований могут быть различными и существенно отличаться в зависимости от состава предположений (гипотез) и параметров, на которых делается акцент.

Информационная модель алгоритма экспериментов строится, как указывалось выше, на основании выдвигаемых рабочих (опорных) гипотез, которые корректировались в ходе выполнения программы экспериментов.

Управляемость процесса получения информации заключается в том, что в процессе исследований ставятся эксперименты не по всем возможным сочетаниям факторов, а только по сочетаниям (значениям факторов в каждом эксперименте), которые обеспечат получение нужной информации. Это, в первую очередь, резко сокращает количество опытов и облегчает обработку и анализ полученных результатов, и, во-вторых, заставляет целенаправленно проводить исследования, четко обосновывая условия и количество экспериментов.

В качестве примера на рис. 1 приводится одна из нескольких сформированных вертикальных структур алгоритма.

Общая характеристика состава ГЖТС

Разрабатываемый состав ГЖТС включает полые алюмоси-ликатные микросферы для придания смеси большей устойчивости, прочности и адгезии при сохранении ее низкой плотности [6]. Для вовлечения газовой фазы вводились поверхностно-

Г этап фриСотголеши

смеси

II чтап

ечяап^наичя смей г

111 зтап Оирслсленме ча^нна срфМйв счввплпанИЯ

3

в

- приготовление ЖИДКОСТИ >11'К\Х. I- нрнптоолеэгке ГГРОТН£Г1Р4(>ООЛ1С!>

- затворенне гшпоивжюй смеси;

- приготовление сучой смеси:

- пригсгговлоине еухйга цедента?

- (догэтододонр твердого сщГгллпчгггорп; I' приготовление иги^гх мпкросгфер;

смешен№ компонентов с^хой смеси;

- ткешпвание нужного волнчестьн Г1Л11;

- смешение компонентов ЖИДЙХП' здггворения:

- чатпорекие сцеси;

- начало срокш счвуплваппн:

1 - кнлив 1Т1М1К1 нижний смеси и конус; I - измерение вдодв срокон сяиатыацдн; I - щюнчнние сроков сквашшшнч:

I - ЩЪ1«реИ№ ЬПШЛУ сроьчтн .М!.1,Ы1ННМЯ,

I - обра{кч>гв . • ':: 11.' и н выроди.

Рис. 2. Последовательность экспериментов в виде графика

активные вещества (ПАВ). Добавка ПАВ позволила снизить плотность и повысить седиментационную устойчивость там-понажной смеси. Для увеличения подвижности и снижения водотвердого отношения в тампонажную смесь вводился кварцевый песок. В целях предотвращения замерзания ГЖТС при низких температурах, а также сокращения сроков схватывания тампонажная смесь в своем составе включала противомороз-ные добавки.

Так как ГЖТС имеет пористую структуру со специфическими структурно-механическими свойствами, то допустимо измерение лишь некоторых из его стандартных показателей способами, предусмотренными ГОСТом. Сроки схватывания определялись для неаэрированных растворов как при обычной температуре (Т = 20 ± 2°С), так и при температуре близкой к 0°С (Т = 0 ± 5°С).

Исходя из линейного вида последовательности экспериментов, сетевой график похож на цепочку последовательных операций или процессов — цепь. Сетевой график (экспериментов) создается с учетом содержания (или структуры) алгоритма. Для каждого элемента представленной схемы применяется соответствующая цветовая кодировка, т.е. каждый элемент имеет свой собственный определенной цвет, и в дальнейшем мы будем соб-

людать принятое соответствие. Так, теперь наша сеть (цепь) экспериментов будет иметь вид, изображенный на рис. 2.

Дальнейший алгоритм исследования

Дальнейший пошаговый алгоритм исследования:

a) графическое отображение порядка проведения экспериментов представляется в математической форме, для удобства последующей обработки результатов экспериментов.

b) Выстраивается ход экспериментов с заранее заданными граничными условиями.

c) Оценка результатов проведенных экспериментов и их математическая обработка.

d) Выбор наиболее приемлемых тампонажных смесей для требуемых условий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бойко Н.Г., Устименко Т.А. Теория и методы инженерного эксперимента. — Донецк: ДонНТУ, 2009. — 158 с.

2. Зоткин А.Г. Воздушные поры и морозостойкость бетона // Технологии бетонов. - 2011. - № 5-6. - С. 18-21.

3. Мерзляков М.Ю., Яковлев А.А. Исследование технологических свойств аэрированных тампонажных составов с включением в них полых алюмосиликатных микросфер // Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. - 2015. - № 14. - С. 13-17.

4. Квеско Н.Г., Чубик П.С. Методы и средства исследований: учебное пособие. - Томск: Изд-во ТПУ, 2010. - 112 с.

5. Овчинников П.В., Кузнецов В.Г., Фролов А.А. и др. Специальные тампонажные материалы для низкотемпературных скважин. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. - 115 с.

6. Орешкин Д.В., Фролов А.А., Ипполитов В.В. Проблемы теплоизоляционных тампонажных материалов для условий многолетних мерзлых пород. - М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2004. - 235 с.

7. Щербаков Д.В. Существующие проблемы при цементировании скважин // Нефть. Газ. Новации. - 2013. - № 3. - С. 41-45.

8. Яковлев А.А. Газожидкостные промывочные и тампонажные смеси (комплексная технология бурения и крепления скважин). - СПб.: СПГГИ (ТУ), 2000. - 143 с. ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Ефименко С.В. - ассистент, e-mail: falcon.sergey@yandex.ru, Мерзляков М.Ю. - ассистент, e-mail: merzlyackov.mihail@yandex.ru, Клавдиев А.А. - кандидат технических наук, доцент, e-mail: kss1959@mail.ru,

Трушников В.Е. - доктор технических наук, e-mail: tvye@yandex.ru, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

S.V. Efimenko, M.Yu. Merzlyakov, A.A. Klavdiev, V.E. Trushnikov

DEVELOPMENT OF CONCEPT OF METHOD OF ACCELERATED EXPERIMENTS TO FIND A GROUTING COMPOSITION MIXES FOR BUILDING WELLS IN PERMAFROST

Construction of wells diamondiferous deposits in Yakutia are many challenges. Due to complicated climatic and geological conditions are often complications arise, entailing an accident, the elimination of which requires the growth of material and time costs. The proposed method of process optimization experiments on the formation of mixtures to minimize the risks of complications of the above, first of all - by creating reliable plugging mixtures for lining wells.

Key words: reverse freezing, thawing permafrost, drainage flow, subpermafrost aquifers, sealing the annulus grouting mixture permafrost, systematic and analytical methods, models and plans for experiments.

AUTHORS

Efimenko S.V.1, Assistant, e-mail: falcon.sergey@yandex.ru, Merzlyakov M.Yu.1, Assistant, e-mail: merzlyackov.mihail@yandex.ru, Klavdiev A.A.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: kss1959@mail.ru,

Trushnikov V.E.1, Doctor of Technical Sciences, e-mail: tvye@yandex.ru, 1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.

REFERENCES

1. Boyko N.G., Ustimenko T.A. Teoriya i metody inzhenernogo eksperimenta (Theory and methods of experimental engineering), Donetsk, DonNTU, 2009, 158 p.

2. Zotkin A.G. Tekhnologii betonov. 2011, no 5—6, pp. 18—21.

3. Merzlyakov M.Yu., Yakovlev A.A. Vestnik PNIPU. Geologiya. Neftegazovoe igornoe delo. 2015, no 14, pp. 13-17.

4. Kvesko N.G., Chubik P.S. Metody isredstva issledovaniy: uchebnoe posobie. Tomsk, Izd-vo TPU, 2010, 112 p.

5. Ovchinnikov P.V., Kuznetsov V.G., Frolov A.A. Spetsial'nye tamponazhnye materialy dlya nizkotemperaturnykh skvazhin (Special plugging materials for low-temperature wells), Moscow, OOO «Nedra-Biznestsentr», 2002, 115 p.

6. Oreshkin D.V., Frolov A.A., Ippolitov V.V. Problemy teploizolyatsionnykh tampon-azhnykh materialov dlya usloviy mnogoletnikh merzlykh porod (Problems of thermally insulating plugging materials for permafrost rocks), Moscow, OOO «Nedra-Biznestsentr», 2004, 235 p.

7. Shcherbakov D.V. Neft'. Gaz. Novatsii. 2013, no 3, pp. 41-45.

8. Yakovlev A.A. Gazozhidkostnye promyvochnye i tamponazhnye smesi (kompleksnaya tekhnologiya bureniya i krepleniya skvazhin) (Liquid-gas flushing and plugging mixtures (integrated hole drilling and casing technology)), Saint-Petersburg, SPGGI (TU), 2000, 143 p.

UDC 622.257.1