СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ ПОДПОЧВЕННОГО СЛОЯ
METHOD FOR ISOLATION OF SUBSOIL LAYER

Настоящее изобретение относится к области строительства или бурения, в частности, когда предполагается, что грунт состоит из многолетнемерзлых пород.
Многолетнемерзлыми породами называется участок грунта, который является постоянно замерзшим по меньшей мере в течение 2 лет.
Из-за существования очень холодной зимы холод может проникать глубоко в подпочвенный слой. В летний период небольшое количество тепла не дает возможности прогреть подпочвенный слой по всей его глубине: некоторые участки подпочвенного слоя в силу этого остаются постоянно замерзшими.
Однако, если многолетнемерзлые породы оттаивают (в силу техногенных или природных причин), они становятся неустойчивыми, поскольку их механические свойства изменяются. Например, многолетнемерзлые породы могут прогреваться из-за:
- потепления климата;
- бурения (механического трения бура в подпочвенном слое);
- эксплуатации существующей добывающей скважины (нефть или добываемый газ имеют температуры выше 0°C);
- экзотермической реакции отверждения бетона/цемента (в частности, в случае установки стяжки из бетона/цемента на грунте или конструкции или строительства добывающей скважины, стенки которой будут цементироваться);
- простого присутствия здания, построенного на грунте, ограничивающего, тем самым, проникновение холода под здание;
- и так далее.
В том случае, когда многолетнемерзлые породы тают, любые сооружения/здания, установленные на них, начинают погружаться в подпочвенный слой под своим собственным весом, поскольку оттаивающий грунт впоследствии теряет свою способность противостоять давлению.
Для предотвращения протаивания многолетнемерзлых пород в случае присутствия здания в некоторых странах были установлены строительные правила, предписывающие поднимать здания на сваях, что будет благоприятствовать проникновению холода в подпочвенный слой (см. «Строительные Нормы и Правила - Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах, СНиП 2.02.04-88 - Государственный строительный комитет СССР»).
Однако эти способы не подходят для строительства всех типов зданий (например, зданий, которые должны поддерживать значительную нагрузку, дороги, взлетно-посадочные полосы, буровые опоры, зоны хранения и т.д.).
Кроме того, эти способы не решают проблем, связанных с поступлением тепла из добывающей скважины: существуют, тем самым, риски потери замкнутости или устойчивости скважины или бурового оборудования. Были предложены некоторые способы для изоляции скважины от подпочвенного слоя с помощью добавления изоляционных материалов в кольцевое пространство скважины. Однако последние являются дорогостоящими, поскольку их изолирующая способность должна быть значительной, так как пространство, доступное для установки этой изоляции в скважине, является небольшим.
И наоборот, в контексте хранения сжиженных газов в грунте необходимо стремиться к тому, чтобы предотвратить замерзание подпочвенного слоя, что может спровоцировать вспучивание и повреждение защитной оболочки/хранилища. В связи с этим, обычно снаружи подпочвенного слоя предусмотрены системы обогрева, и стенки конструкции для хранения покрыты дорогостоящей и тонкой изоляцией.
Таким образом, существует потребность облегчить строительство зданий на грунте в зонах многолетнемерзлых пород и/или изолировать добывающие скважины простым и экономически рентабельным способом.
Данное изобретение улучшает сложившуюся ситуацию.
Для этого данное изобретение предлагает универсальный и экономичный способ решения указанных выше проблем.
Данное изобретение относится к способу изоляции подпочвенного слоя, включающему в себя:
(а) механическое разрушение указанного подпочвенного слоя;
(b) впрыскивание изоляционного материала в указанный разрушенный подпочвенный слой;
(c) перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала.
Теплопроводность указанного изоляционного материала существенно ниже, чем теплопроводность подпочвенного слоя.
Теплопроводность указанного изоляционного материала может быть также в 2, 3, 4, 5, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 200, 300, 400, 500, 1000 раз меньше теплопроводности подпочвенного слоя.
Выражение «разрушение подпочвенного слоя» относится к явному и/или видимому изменению его макроскопической структуры относительно первоначального состояния, считающегося обычным для рассматриваемого местоположения. Например, распахивание поля позволяет разрушить поверхность грунта. Разрушение дает возможность ослабить структурные связи, которые может иметь компактный подпочвенный слой (в масштабе сантиметров или миллиметров). В связи с этим два участка разрушенного подпочвенного слоя больше не оказывают какого-либо сопротивления отделению друг от друга (или, по меньшей мере, в меньшей степени, чем первоначальное сопротивление): если минимальное усилие, необходимое в лабораторных условиях для разделения двух смежных объемов, изолированных от структурированного подпочвенного слоя, представляет собой F, тогда минимальное усилие, необходимое в лабораторных условиях для разделения двух смежных объемов, изолированных от разрушенного подпочвенного слоя, составляет менее чем F/2 (элементарным объемом может быть куб со сторонами 2 см).
Простое впрыскивание изоляции в грунт (т.е. без перемешивания и разрушения) может не быть удовлетворительным/достаточным для рассматриваемых вариантов осуществления, поскольку ее распределение в грунте может быть слишком равномерным и может требовать присутствия пустот в подпочвенном слое, которые могут быть заполнены.
Данный способ, таким образом, дает возможность изменить тепловые свойства подпочвенного слоя в месте залегания без его замены. В частности, это позволяет:
- максимально снизить объем вскрываемой породы (поскольку существующий подпочвенный слой не извлекается полностью, но повторно используется при перемешивании),
- уменьшить надземные или буровые работы,
- сохранить структуру и устойчивость устья скважин;
- переоценить возможности подземного хранения сжиженного газа (например, повышение объемов хранения, уменьшение изоляционных работ и т.д.).
Кроме того, данный способ дает возможность, в частности, избежать строительства опорной конструкции при создании стяжки или сооружения на сваях над многолетнемерзлыми породами и, тем самым, позволяет устанавливать конструкции непосредственно на грунт. Это дает возможность уменьшения необходимого количества свай и металлических конструкций, одновременно облегчая использование и работу сооружений.
К тому же в случае бурения данный способ может служить решением, являющимся альтернативой или дополнениям к решениям по изоляции в существующих скважинах. При указанной выше обработке/изоляции подпочвенного слоя под буровыми установками можно снизить количество проблем, связанных с проседанием и деградацией рабочих зон с течением времени.
Наконец, в контексте подземного хранения сжиженного газа, можно исключить, по меньшей мере частично, системы для обогрева настила. В связи с этим, с помощью осуществления описанного выше способа можно увеличить период прекращения функционирования системы обогрева, который не будет оказывать воздействия на грунт. К тому же существование изолированного подпочвенного слоя позволяет снизить потребности в тепле, подаваемом системами обогрева и, соответственно, снизить эксплуатационные расходы устройства для хранения.
Механическое разрушение может осуществляться с помощью экскаватора или при использовании механической части (например, винта), приводимой во вращение. К тому же, данное разрушение может осуществляться с помощью струи жидкости высокого давления, способной разрушить подпочвенный слой.
Изоляционный материал может предпочтительно быть изоляцией из полиуретановой или эпоксидной пены, обеспечивающей необходимые качества сопротивления и прочности, а также требуемые тепловые характеристики.
Предпочтительно, разрушение указанного подпочвенного слоя может включать в себя:
- бурение нагнетательной скважины в подпочвенном слое;
- перемещение впрыскивающего сопла в нагнетательной скважине;
- впрыскивание во время указанного перемещения разрушающей текучей среды под высоким давлением, способной разрушить подпочвенный слой, через указанное впрыскивающее сопло.
Впрыскивание указанной изоляции может тогда осуществляться во время указанного перемещения.
Кроме того, перемешивание указанного подпочвенного слоя и указанного изоляционного материала может включать в себя вращение механического вала в указанном подпочвенном слое.
В одном варианте осуществления изобретения изоляционный материал может содержать материал, который отверждается после впрыскивания.
В силу этого, данная изоляция обеспечивает повышенную прочность подпочвенного слоя, а также непроницаемость.
Предпочтительно отверждение может включать экзотермическую реакцию.
Данная экзотермическая реакция сама по себе может вызывать временное протаивание многолетнемерзлых пород, находящихся в контакте с изоляцией в процессе отверждения и, тем самым, увеличивать зону в подпочвенном слое, в которой изоляция перемешивается.
Изоляционный материал содержит гидрофобный материал. В связи с этим непроницаемость обработанных участков подпочвенного слоя может быть повышена.
В частном варианте осуществления изобретения температура указанной разрушающей текучей среды может быть на 20°C выше, чем температура грунта.
В связи с этим, если подпочвенный слой является замерзшим, разрушающая способность указанной текучей среды повышается без увеличения давления впрыска. Разрушение в силу этого облегчается, и эффективность способа повышается.
Способ может дополнительно включать в себя бурение добывающей скважины в указанном подпочвенном слое, перемешанном с указанным изоляционным материалом.
Предпочтительно, перемешанный подпочвенный слой имеет форму перевернутого конуса (например, перевернутой пирамиды).
Другие характеристики и преимущества изобретения будут очевидны далее при прочтении нижеследующего описания. Последнее приводится исключительно для целей иллюстрации и должно рассматриваться в соответствии с прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 показан конкретный вариант осуществления способа изоляции подпочвенного слоя в соответствии с изобретением;
на фиг. 2 – конкретная форма изоляции подпочвенного слоя в варианте осуществления в соответствии с изобретением;
на фиг. 3а и 3b – бурение эксплуатационной скважины в пределах изолированного подпочвенного слоя в варианте осуществления изобретения;
на фиг. 4 – теплопроводность λ в зависимости от концентрации определенных материалов;
на фиг. 5 – теплопроводность λ в зависимости от пористости цемента.
На фиг. 1 представлен конкретный вариант осуществления способа изоляции подпочвенного слоя в соответствии с изобретением.
Механическое разрушение подпочвенного слоя, впрыскивание изоляционного материала в данный подпочвенный слой и перемешивание всего этого может быть осуществлено многими способами. Для целей иллюстрации можно раскопать грунт с помощью лопаты или механического устройства экскаваторного типа, чтобы разрушить грунт, впрыснуть на поверхность раскопанного грунта желаемую изоляцию и перемешать все вручную.
Предпочтительно, также можно:
- пробурить скважину 101 в подпочвенном слое 100 с помощью традиционной буровой установки;
- ввести сопло 103, закрепленное на нагнетательной штанге 102, в скважину и к забою скважины;
- привести во вращение нагнетательную штангу и сопло;
- после начала вращения впрыснуть из сопла вдоль оси, радиальной к оси вращения последнего (т.е. в горизонтальной плоскости на фиг. 1) жидкость 104, что позволяет разрушать подпочвенный слой и перемешивать изоляцию 105 с грунтом.
Термин «обработанный» подпочвенный слой или «изолированный» подпочвенный слой используется для обозначения участка подпочвенного слоя, который был перемешан с изоляцией, как указано выше.
Жидкость, дающая возможность разрушить подпочвенный слой, является, например, водой. Предпочтительно, данную жидкость впрыскивают под очень высоким давлением, благодаря чему она способна эффективно разрушить подпочвенный слой. К тому же, и, в частности, в пределах подпочвенного слоя многолетнемерзлых пород может быть предпочтительным впрыскивать жидкость, температура которой выше 0°C, например, более чем на 20°C, 30°C, 50°C, 70°C или даже 100°C выше температуры рассматриваемого подпочвенного слоя, чтобы вызвать таяние замерзшего подпочвенного слоя.
Впрыскивание осуществляется при подъеме сопла 103 в скважине 101. Благодаря эффективности разрушающей струи (что связано со свойствами подпочвенного слоя и давлением впрыскиваемой разрушающей жидкости) перемешивание между подпочвенным слоем и изоляцией эффективно в пределах радиуса r от оси скважины.
В конечном итоге столб 106 с высотой h и радиусом r является «обработанным» и, таким образом, считается «изолированным» подпочвенным слоем.
Также можно добавить к описанному устройству (возможно, путем замены впрыскивания разрушающей текучей среды) механическое устройство для перемешивания, такое как режущий диск или винт, приводимый во вращение за счет вращения вала 102 и механически перемешивающий подпочвенный слой с изоляцией.
Изоляция может предпочтительно быть изоляцией такого типа, как полиуретановая или эпоксидная пена, обеспечивающей необходимые качества сопротивления и прочности, а также требуемые тепловые характеристики.
Данная изоляция также может быть перлитом (изоляционные шарики), связанным, например, с цементным раствором.
На фиг. 2 представлена конкретная форма изоляции подпочвенного слоя в варианте осуществления в соответствии с изобретением.
Способ, описанный в связи с фиг. 1, может повторяться большое число раз в одной и той же зоне, при этом «обработанные» участки подпочвенного слоя могут быть сопряженными (т.е. соседними) или практически сопряженными (с горизонтальными расстояниями между двумя обработанными колоннами меньше r).
Предпочтительно, обычная форма участков «обработанного» подпочвенного слоя 200 (201a, 201b, 201c и т.д.) образует перевернутый конус 202, как показано на фиг. 2. Основание данного конуса (на поверхности подпочвенного слоя) может использоваться в качестве опоры при создании бетонной стяжки или любой другой конструкции на грунте.
Данная форма дает возможность лучшего проникновения холода под участки обработанного подпочвенного слоя (т.е. лучшего отведения тепла под участками обработанного подпочвенного слоя, отмеченного стрелками 204). В связи с этим подпочвенный слой в контакте с перевернутым конусом 202 может оставаться замерзшим и в силу этого вносить вклад в прочность оснований стяжки 203 или любого другого сооружения на поверхности.
На фиг. 3а и фиг. 3b показано бурение эксплуатационной скважины в пределах изолированного подпочвенного слоя в варианте осуществления изобретения.
Для осуществления бурения добывающей скважины для добычи углеводородов можно предварительно изолировать участок подпочвенного слоя, как описано выше, и после этого пробурить скважину в данном участке изолированного подпочвенного слоя.
Глубина участка обработанного подпочвенного слоя для изоляции (например, 40-100 м) может, конечно, быть меньше, чем полная глубина скважины (например, 2000 м).
В возможном варианте осуществления изобретения (фиг. 3а) можно изолировать несколько столбов подпочвенного слоя (301, 302, 303), как описано выше, причем данные участки являются соседними. Бурение 304 затем осуществляется в изолированной зоне подпочвенного слоя. Данный вариант осуществления изобретения является особенно предпочтительным, в частности, когда механические свойства обработанного подпочвенного слоя более благоприятны для бурения, чем механические свойства необработанного подпочвенного слоя (например, более низкая плотность, более низкое механическое истирание и т.д.).
В другом возможном варианте осуществления изобретения (фиг. 3b) можно изолировать несколько столбов подпочвенного слоя (305, 306, 307), как описано выше, причем эти участки являются соседними, но между ними существуют разделяющие пространства необработанного подпочвенного слоя. Бурение 308 затем осуществляется в одной из этих необработанных зон подпочвенного слоя. Данный вариант осуществления изобретения является особенно предпочтительным, в частности, когда механические свойства обработанного подпочвенного слоя менее благоприятны для бурения, чем механические свойства необработанного подпочвенного слоя (например, более высокая плотность, более высокое механическое истирание и т.д.).
Разумеется, настоящее изобретение не ограничивается описанными выше в качестве примеров вариантами осуществления, оно распространяется и на другие альтернативы.
Возможны и другие варианты осуществления изобретения.
Например, на фиг. 3а и 3b показаны три колонны (участки изолированного подпочвенного слоя), но возможно и любое другое их число.
К тому же, также возможно, в комбинации или вместо того, что было указано выше, предотвращать дестабилизацию многолетнемерзлых пород благодаря использованию цемента в ходе бурения скважин или добычи текучих сред из этих скважин.
Во время схватывания цемента химическая реакция (переход силикатов и алюминатов в гидрат) является экзотермической реакцией. Образованное тепло будет вызывать таяние многолетнемерзлых пород. После этого среда в непосредственной близости к скважине будет дестабилизирована.
В случае если цемент или другие материалы используются во время фазы добычи, текучая среда, выходящая из подпочвенного слоя, поднимается к поверхности. Данная текучая среда находится при высокой температуре, и ее тепло может рассеиваться в скважине. Это опять может приводить к дестабилизации многолетнемерзлых пород.
Поэтому желательно иметь цемент с низкой теплотой гидратации. Однако в том случае, когда текучая среда, поднимающаяся к поверхности, является очень горячей, и скорость поступления значительная, низкой теплопроводности цемента оказывается недостаточно. Тогда целесообразно связывать его с материалом, который имеет очень низкую теплопроводность.
Полученная композиция может ограничивать теплообмен между скважиной и многолетнемерзлыми породами. Следует теплоизолировать подпочвенный слой при одновременном обеспечении, предпочтительно, механической опоры для скважины.
На сегодняшний день существуют различные материалы, которые добавляются в цемент, например вермикулит или полые шарики. Однако теплота гидратации и теплоизолирующая способность не позволяют гарантировать, что многолетнемерзлые породы не будут дестабилизированы.
Поэтому существует потребность в композиции, которая содержит по меньшей мере один цемент и материал с низкой теплопроводностью, который может в достаточной степени теплоизолировать подпочвенный слой, чтобы не вызывать дестабилизации многолетнемерзлых пород.
Настоящее изобретение заключается в нанесении композитного материала, например синтактической пены, на поверхность обсадной колонны скважины, чтобы иметь хорошую теплоизоляцию, и заключается во впрыскивании цемента между пластом и синтактической пеной. Цемент предпочтительно имеет низкую теплоту гидратации, чтобы не приводить к дестабилизации многолетнемерзлых пород во время его схватывания и чтобы обеспечить, если это возможно, низкую теплопроводность для усиления изоляции.
Композитный материал не может использоваться отдельно, поскольку необходимо заполнять пространство между многолетнемерзлыми породами и материалом. Цемент с низкой теплотой гидратации и низкой теплопроводностью выполняет эту роль.
В качестве примера, отдельно взятый изоляционный композитный материал имеет низкую теплопроводность (примерно 0,03-0,05 Вт/(м·K)), хотя она составляет примерно 0,9 Вт/(м·K) для чистого цемента (вода+цемент HSR класса G). Теплопроводность цемента может быть понижена до 0,4 Вт/(м·K) или 0,5 Вт/(м·K) с помощью добавления различных материалов к нему и оптимизации пористости. Следующие два примера показывают влияние концентрации изоляционного материала на теплопроводность и далее влияние пористости. Данные испытания осуществлялись с цементом класса G, который не имеет низкой теплоты гидратации. Можно видеть, что чем выше концентрация в изоляционном материале, тем ниже теплопроводность. Однако при значениях пористости свыше 55% дальнейшего уменьшения теплопроводности не происходит.
Для целей иллюстрации на фиг. 4 показаны примеры кривых теплопроводности λ в зависимости от концентрации определенных материалов. Цемент, в частности, состоит из бурового цемента (Cemoil) класса G, кремнезема, полых сфер (50-60%), противопенного агента, диспергатора, противоосаждающего вещества и воды.
Кроме того, на фиг. 5 показан пример кривой теплопроводности λ в зависимости от пористости цемента.
Применение цемента с низкой теплотой гидратации и содержащего материал для получения низкой теплопроводности, в сочетании с изоляционным композитным материалом, дает возможность получения качества изоляции, которое значительно выше, чем у существующих растворов.
Предпочтительно, чтобы цемент с низкой теплотой гидратации отличался от традиционного цемента, например, разбавленного другим материалом (таким как кремнезем или карбонат) для обеспечения хороших механических свойств.
Можно наблюдать экспериментально, что предел прочности при сжатии для цемента класса G, чистого или традиционного цемента и двух других цементов с низкой теплотой гидратации имеют практически одну и ту же величину.