Большинство нефтегазовых месторождений Западной Сибири расположены в северных широтах, в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП). В геологическом отношении ММП Западной Сибири отмечаются в олигоценовых и эоценовых отложениях, в некоторых случаях и в верхней части палеоцена. На Медвежьем и Уренгойском газовых месторождениях промерзанием охвачены супесчано-глинистые и песчано-глинистые отложения четвертичного и палеогенового возраста, глубина нижней границы изменяется от 250 до 400 м на Медвежьем месторождении, на Уренгойском – от 282 до 537 м. Температура мерзлых пород региона от минус 2 до минус 3 °С. Льдистость в верхней части разреза ММП на севере Западной Сибири часто превосходит 50 %; наибольшая объемная льдистость (более 60%) соответствует интервалу 30–50 м. Как правило, в составе мерзлой толщи преобладает лед, мощность которого достигает половины мощности всего интервала ММП [1]. 
В процессе строительства скважин в интервалах распространения ММП в результате совместного физико-химического воздействия и эрозии сцементированные льдом песчано-глинистые отложения разрушаются, что приводит к интенсивному кавернообразованию и связанными с ним обвалам и осыпям горных пород, наиболее частое данный вид осложнения проявляется в интервале 0–200 м неустойчивых пород четвертичного возраста. В результате сильного кавернообразования, сопровождающегося появлением уступов и сползанием шлама, спуск кондукторов до проектной глубины не всегда удается [2]. Также в ряде случаев наблюдается проседание кондуктора и направления, образование вокруг устья скважины кратеров, не позволяющие вести буровые работы. Как правило, в таких условиях цементирование кондуктора осложнено вследствие образованных в кавернах застойных зон бурового раствора, незамещенного цементным, что, в свою очередь, оказывает влияние на качество крепления скважины и последующую ее эксплуатацию. При длительных остановках скважин происходит обратное промерзание растепленных ранее скважиной ММП и бурового раствора, находящегося в кавернах, с увеличением объема промерзающего материала, который оказывает неравномерное по периметру внешнее давление на обсадные трубы и приводит в ряде случаев к их слому. Наличие в разрезе неоднородных по качественным и количественным характеристикам мерзлых пород (сильнольдистые, льдистые и слабольдистые) и подверженные потери прочностных свойств при их оттаивании в процессе эксплуатации скважины от воздействия температуры добываемого флюида, обуславливают деформации обсадной колонны. Это потеря устойчивости крепи скважин, когда конструкция скважины и ее элементы не способны сохранять первоначальную форму упругого равновесия.
Решение данных проблем, возникающих в результате растепления околоствольной зоны ММП и ее обратного промерзания при эксплуатации скважины состоит с одной стороны – в учете первичного растепления в процессе строительства скважины и влияния его на определение прочностных характеристик обсадных колонн и ее оснастки, а с другой – не допущения растепления ММП в процессе эксплуатации скважины, путем регулирования температуры на внешней поверхности цементного кольца, граничащего с ММП.
Однако обратное промерзание зависит от ряда внешних факторов, которые управляются тем или иным способом [3, 4], что, в отличие от потери продольной устойчивости крепи скважины, не поддается управлению. Это связано с тем, что смятие эксплуатационной колонны происходит в момент времени, когда нагрузка на колонну превышает некое критическое значение, при котором она не в состоянии сохранять свою первоначальную форму упругого равновесия. Сосредоточенная нагрузка на крепь, в свою очередь, определяется с учетом геологического разреза скважины, схемы нагружения и крепления расчетного (критического) участка склонного к деформации [5]. Как правило, при определении сосредоточенной нагрузки, система обсадных колонн заменяется однородным весовым стержнем с соответствующими геометрическими характеристиками и механическими свойствами. При этом стержень нагружен сосредоточенной силой, равной весу устьевой обвязки и лифтовых труб, приложенной к верхнему торцу по оси, а также равномерной распределенной продольной нагрузкой равной ее собственному весу и определяется как:
где Рс – нагрузка, сосредоточенная на верхнем конце расчетного участка крепи (стержня), Н;
L – длина крепи в интервале глубин от устья скважины до верхней точки заделки ее свободного участка, м;
qiм – вес погонного метра крепи скважины, Н/м.
Однако, как показывает практика, литологический состав мерзлых пород, а также их неоднородность оказывают значительное влияние на величину сосредоточенной нагрузки.
Так, в качестве примера в работе рассматривается разрез ММП одного из месторождений севера Западной Сибири в интервале 0-600 м, естественная неоднородность которого проявляется в том, что слои просадочных песков чередуются суглинками мягко- и текучепластичными, сильнопучинистыми с высокой пористостостью (до 70 %), не отличающиеся высокой прочностью, характерны к высоким пластичным деформациям, которые дают большую усадку и лучше пропускают воду. При сильном насыщении суглинков влагой, они способны к активному переходу в полужидкое состояние, теряя первоначальную форму, воздействие на них внешней силы в мерзло-талом состоянии приводит к изменению формы, трещинам. В процессе бурения интервала ММП под кондуктор интенсивного кавернообразования не наблюдалось, однако расчеты динамики протаивания ММП показали, что хоть и с задержкой, вследствие своих теплофизических свойств, ореол протаивания ММП через 20 лет составит 2,15 м (рис. 1). Таким образом, породы в данном интервале теряют сцепление с крепью скважины, и в результате обсадная колонна может потереть опору, что впоследствии приводит к ее деформации.
Помимо всего прочего, согласно работы [6], суммарное осевое усилие, действующее на стержневой участок, заключенный в теле этого пропластка (расчет интервала критического участка), складывается из веса колонны, устьевой обвязки, лифтовых труб и сил негативного трения за счет оттаивания породы в интервале рассматриваемого участка, сосредоточенная нагрузка определяется как [7]:
где Zς - дополнительная нагрузка на погонный метр крепи за счет оттаивания породы, Н/м.
Учитывая дополнительную нагрузку на погонный метр крепи, согласно методике [6], проанализирована динамика развития критической длины крепи скважины в зависимости от изменения длины интервала ММП, теряющего при оттаивании свои прочностные свойства (рис. 2).
При этом интервал мерзлых пород, теряющих при оттаивании свои прочностные свойства, представлен чередованием песков, супесей и суглинков, толщинами 25, 15 и 50 м соответственно. Расчет проводился для трехколонной конструкции скважины (324х245х178), из условия перекрытия кондуктором всего интервала ММП.
Анализ рис. 2 показывает, что для данного интервала ММП крепь скважин теряет свою устойчивость при увеличении длины критического участка на 45 м, изначально ограниченного прослоем суглинков, который, как показывают расчеты динамики протаивания ММП, оттаивает и теряет свои прочностные свойства в период эксплуатации скважины, однако, с некоторой задержкой во времени (рис. 1). При этом критическая нагрузка на крепь будет увеличиваться и достигнет критического значения – 453 т, когда конструкция и ее элементы уже не будут способны сохранять первоначальную форму упругого равновесия, что, в свою очередь, приведет к деформации обсадной колонны. С другой стороны, расчет совокупной нагрузки на крепь, в отсутствие учета дополнительной нагрузки на нее за счет оттаивания породы, при равно одинаковых условиях показывает величину равную 281 т, что составляет порядка 60 % критического значения.
Таким образом, при определении критической длины участка крепи, способного удерживать первоначальную форму конструкции, необходимо учитывать литологический состав мерзлых пород, а также его неоднородность что оказывает значительное влияние на величину сосредоточенной нагрузки и может достигать до 40 % от общей нагрузки на крепь, отсутствие которого может привести к последующей деформации всей крепи скважины.
