способ эксплуатации добывающей скважины в условиях распространения многолетнемерзлых пород

Формула изобретения

Способ эксплуатации добывающей скважины в условиях распространения многолетнемерзлых пород, включающий проведение геофизических исследований, определение теплофизических свойств, измерение естественной температуры многолетнемерзлых пород, отличающийся тем, что на основании полученных данных создают расчетную математическую модель геотехнической системы "добывающая скважина - многолетнемерзлые породы", основанную на решении численными методами двухмерного дифференциального уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах с подвижной фазовой границей в неоднородной среде:



где Т_i - температура;

- время;

_i - коэффициент теплопроводности среды;

_i - плотность среды;

С_i - теплоемкость среды;

i - индекс среды, относящийся к цементу, талым и мерзлым породам;

r - радиальная координата;

z - вертикальная координата;

- функция, равная 1 в случае наличия дополнительных тепловых источников в прискважинной зоне и равная 0 при их отсутствии,

осуществляют моделирование теплового взаимодействия между составляющими элементами геотехнической системы и определяют время эксплуатации, при котором температура на границе "цементное кольцо - многолетнемерзлая порода" на одной из глубин геологического разреза не станет равной температуре начала оттаивания многолетнемерзлой породы, затем фиксируют величину полученного интервала времени эксплуатации, после чего производят математическое "отключение" скважины путем назначения ее нулевого коэффициента теплоотдачи и продолжают математическое моделирование с измененными параметрами на период, равный зафиксированному на предыдущем шаге периоду эксплуатации скважины, после чего вновь назначают фактическую величину коэффициента теплоотдачи скважины и повторяют операции моделирования, получая тем самым чередование разновременных циклов, в которых периоды эксплуатации и "отключения" скважины равны по времени между собой, причем моделирование выполняют до тех пор, пока длительность трех последовательных циклов эксплуатации "отключения" скважины не станут равными между собой, а их полученная длительность является искомой величиной, на основании которой в дальнейшем назначают режим эксплуатации конкретной скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при эксплуатации нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин в зоне распространения многолетнемерзлых пород.

Эксплуатация скважин, добывающих углеводородное сырье, имеющее высокие положительные температуры, приводит к постепенному повышению температур окружающих многолетнемерзлых пород и их оттаиванию. Этот процесс сопровождается изменением не только агрегатного состояния содержащейся в породах грунтовой влаги, но и снижением прочностных характеристик самих пород. Данное обстоятельство может приводить к тому, что породы перестают компенсировать возникающие статические и динамические напряжения в многоколонной конструкции скважины. В последней начинают происходить нарастающие со временем необратимые деформации, приводящие в конечном итоге к возникновению аварийной ситуации и, как следствие, выходу скважины из строя. Восстановление работоспособности скважины в этом случае требует значительных финансовых затрат и привлечение дополнительных людских ресурсов.

Известен способ теплоизолирования труб скважины, предполагающий нанесение на поверхность труб слоя изоляции в виде воздушно-базальтовой композиции [А.с. SU 1716101 A1, 29.02.92, Бюл. N 8].

Недостатком данного способа является то обстоятельство, что величина коэффициента теплопроводности изоляции достаточно высока и не позволяет предотвратить оттаивание пород в процессе эксплуатации.

Известен также способ теплоизоляции скважин в зоне вечной мерзлоты, суть которого заключается в откачке замерзающей жидкости из кольцевого пространства, образовавшегося в результате таяния породы между наружным цементным кольцом и мерзлой породой [А.с. SU 1778277, 13.11.92, Бюл. N 44].

Данный способ имеет следующие недостатки: во-первых, он пригоден лишь для однородного песчаного геологического разреза. В случае наличия в разрезе суглинистых или глинистых горизонтов будут образовываться изолированные "карманы", извлечь из которых образовавшуюся в процессе оттаивания воду предложенным способом не представляется возможным. Во-вторых, реализация способа требует использования энергоемкого компрессорного устройства, а, соответственно, затрат на его приобретение, установку, техническое обслуживание и т. д. В-третьих, неизбежны трудозатраты, связанные с необходимостью содержания квалифицированного технического персонала для осуществления данного способа.

Известен способ теплоизоляции нагнетательной колонны в скважине, который включает закачку в кольцевое пространство трубной колонны водной суспензии базальтового волокна с последующим удалением воды из смеси и гранулированием базальтового волокна.

Недостатками данного способа являются технологическая сложность реализации данного способа и низкая эффективность теплоизоляции [А.с. 998732, 23.02.83, Бюл. N 7].

Известно решение, предлагающее для предотвращение оттаивания мерзлых пород оборудовать парожидкостную охлаждающую установку, расположенную коаксиально обсадной колонне, образующую с ней полость в виде двух кольцевых камер, разделенных перегородкой, и содержащую конденсирующую и испарительную части. Вертикальная кольцевая перегородка имеет зазоры относительно верхнего и нижнего торцов герметичной кольцевой полости, образующие перепускные каналы, осуществляющие сообщение между камерами герметичной полости. Сами камеры заполнены охлаждающей жидкостью, не кипящей при температуре работы скважины [А.с. SU 1767162 A1, 07.10.92, Бюл. N 37].

Основными недостатками предлагаемого способа является чрезвычайная сложность и высокая стоимость подобного рода конструкции, не нашедшей, в силу этих обстоятельств, практического применения.

Наиболее близким к заявляемому является способ управляемого промораживания каверн в прискважинной зоне, направленный на предотвращение смятия обсадных колонн. Данный способ основывается на предварительном проведении комплекса промысловых исследований, включающих в себя геофизические исследования, уточняющие геологический разрез, термометрические исследования, лабораторные исследования теплофизических свойств пород [О.Ф. Андреев, В.В. Врачев, В.А. Истомин и др. Методическое руководство по прогнозированию теплового и механического взаимодействия скважин с мерзлыми породами //ВНИИГАЗ, М., 1987, с.7-24].

Основным недостатком данного способа является необходимость использования хладоносителя и обеспечение его непрерывной циркуляции для отвода поступающего со стороны добываемого флюида тепла. При этом, поскольку средством достижения поставленной цели является поддержание в эксплуатационной колонне температуры, близкой к нулю, необходим очень точный расчет температуры и расхода подаваемого хладоносителя, что само по себе является сложной технической задачей.

Задачей предлагаемого технического решения является предотвращение оттаивания многолетнемерзлых пород в прискважинной зоне.

Достигаемым техническим результатом является выбор такого режима эксплуатации, при котором в геотехнической системе "добывающая скважина - многолетнемерзлые породы" поддерживается стабильный тепловой режим, а сама система находится в равновесном состоянии.

Целью изобретения является обеспечение длительной безаварийной эксплуатации добывающей скважины в условиях распространения многолетнемерзлых пород.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе эксплуатации добывающей скважины в условиях распространения многолетнемерзлых пород, включающем проведение геофизических исследований, определение теплофизических свойств, измерение естественной температуры многолетнемерзлых пород, на основании полученных данных создают расчетную математическую модель геотехнической системы "добывающая скважина - многолетнемерзлые породы", основанию на решении численными методами двумерного дифференциального уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах с подвижной фазовой границей в неоднородной среде:



где T_i - температура,

- время,

_i - коэффициент теплопроводности среды,

_i - плотность среды,

C_i - теплоемкость среды,

i - индекс среды, относящийся к цементу, талым и мерзлым породам,

r - радиальная координата,

z - вертикальная координата,

- функция, равная 1 в случае наличия дополнительных тепловых источников в прискважинной зоне и равная 0 при их отсутствии, осуществляют моделирование теплового взаимодействия между составляющими элементами геотехнической системы и определяют время эксплуатации, при котором температура на границе "цементное кольцо - многолетнемерзлая порода" на какой-либо из глубин не станет равной температуре начала оттаивания многолетнемерзлой породы, затем фиксируют величину полученного интервала времени эксплуатации, после чего производят математическое "отключение" скважины путем назначения ее нулевого коэффициента теплоотдачи и продолжают математическое моделирование с измененными параметрами на период, равный зафиксированному на предыдущем шаге периоду эксплуатации скважины, после чего вновь назначают фактическую величину коэффициента теплоотдачи скважины и повторяют операции моделирования, получая тем самым чередование разновременных циклов, в которых периоды эксплуатации и "отключения" скважины равны по времени между собой, причем моделирование выполняют до тех пор, пока длительность трех последовательных циклов эксплуатации-отключения скважины не станут равными между собой, а их полученная длительность является искомой величиной, на основании которой в дальнейшем назначают режим эксплуатации конкретной скважины.

Сущность способа поясняется графическими материалами. На фиг. 1 представлен общий вид геотехнической системы "добывающая скважина - многолетнемерзлые породы", на фиг. 2 - фрагмент расчетной области геотехнической системы "добывающая скважина - многолетнемерзлые породы". На фиг. 1 цифрами обозначены: добывающая скважина - 1, цементное кольцо - 2, заполняющее кавернозное пространство в прискважинной зоне, дневная поверхность - 3, многолетнемерзлые породы - 4.

Для обеспечения длительной надежности и безопасности геотехнической системы "добывающая скважина - многолетнемерзлые породы" необходимо уменьшить суммарную за период эксплуатации тепловую нагрузку со стороны скважины на многолетнемерзлые породы. Предлагаемый способ эксплуатации скважины в условиях распространения многолетнемерзлых пород позволяет эффективно и без дополнительных затрат решать подобную задачу. При этом используется свойство релаксации теплового состояния геотехнической системы, заключающее в том, что после снятия дополнительной тепловой нагрузки на многолетнемерзлые породы со стороны добываемого флюида, они постепенно восстанавливают свое начальное состояние за счет притока холода из удаленных зон массива пород. То есть используют такой режим эксплуатации скважины, при котором она периодически находится во "включенном" или "выключенном" состояниях.

Способ реализуется следующим образом.

В процессе эксплуатации скважины 1 и добычи углеводородного флюида за счет теплового обмена внутри геотехнической системы происходит постепенное повышение температуры многолетнемерзлых пород 4. Для недопущения начала оттаивания многолетнемерзлых пород 4 необходимо определить время эксплуатации скважины 1, когда температура на границе "цементное кольцо 2 - многолетнемерзлые породы 4"" и температура начала фазовых переходов (фиг. 2) не станут равными. В этот момент необходимо отключить скважину 1, после чего начнется постепенное восстановление исходного температурного поля за счет притока холода из удаленных частей массива многолетнемерзлых пород 4. Через интервал времени, равный по длительности периоду эксплуатации скважины 1, она вновь может быть запущена в работу.

На основании существующего проектного решения по конструкции скважины, которая характеризуется определенными техническими параметрами, результатов проведения геофизических исследований, определения теплофизических свойств, метеорологических данных, измерения естественной температуры многолетнемерзлых пород 4, создают расчетную математическую модель геотехнической системы "добывающая скважина 1 - многолетнемерзлые породы 4"" (фиг. 2), основанную на решении численными методами двумерного дифференциального уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах с подвижной фазовой границей в неоднородной среде:



где T_i - температура,

- время,

_i - коэффициент теплопроводности среды,

_i - плотность среды,

C_i - теплоемкость среды,

i - индекс среды, относящийся к цементу, талым и мерзлым породам,

r - радиальная координата,

z - вертикальная координата,

- функция, равная 1 в случае наличия дополнительных тепловых источников в прискважинной зоне и равная 0 при их отсутствии.

Расчетная математическая модель представляет собой прямоугольную область осевого сечения геотехнической системы "добывающая скважина 1 - многолетнемерзлые породы 4"" (фиг. 2) ограниченных размеров в цилиндрических координатах. Ее размеры задаются таким образом, чтобы левая вертикальная граница соответствовала положению добывающей скважины 1, а правая вертикальная граница была удалена настолько, чтобы на ней в процессе эксплуатации тепловой поток со стороны скважины 1 заведомо был равен нулю. Верхняя горизонтальная граница должна соответствовать дневной поверхности 3, а нижняя горизонтальная граница располагалась ниже глубины залегания горизонтов высокольдистых многолетнемерзлых пород 4, дающих в процессе оттаивания значительные осадки и деформации. Область, соответствующая массиву многолетнемерзлых пород 4, разбивается на прямоугольные расчетные блоки. Размеры блоков могут быть произвольными, при этом чем меньше размеры - тем выше точность результатов математического моделирования, но дольше период его выполнения. В этой связи оптимальным является задание блоков наименьших размеров в тех зонах, которые нас интересуют прежде всего, например, граница "цементное кольцо 2 - многолетнемерзлые породы 4"". Блоки характеризуются такими теплофизическими параметрами, как коэффициенты теплопроводности, теплоемкости в талом и мерзлом состояниях, скрытой теплотой и температурой фазовых переходов. Каждый из расчетных блоков является однородным, но они могут отличаться между собой, что позволяет задавать неоднородную геологическую среду в прискважинной зоне, в том числе описывать цементное кольцо.

На верхней горизонтальной границе, соответствующей дневной поверхности 3, задаются условия теплообмена между атмосферой и многолетнемерзлыми породами 4 посредством задания среднемесячных температур воздуха, характерных для рассматриваемого региона за цикл многолетних наблюдений, и коэффициента теплообмена, зависящего от наличия и мощностей покровов, например, растительного, снежного и других, на поверхности многолетнемерзлых пород 4. На левой вертикальной границе, соответствующей положению добывающей скважины 1, задаются условия ее теплообмена с многолетнемерзлыми породами 4 путем задания температуры добываемого флюида и коэффициента теплоотдачи с поверхности внешней стенки скважины 1. Внутри расчетной области задается начальное распределение температур, задается начальный момент и шаг моделирования по времени. После этого приступают непосредственно к выполнению математического моделирования. Моментом окончания выполняемых расчетов является совпадение температуры на границе "цементное кольцо 2 - многолетнемерзлые породы 4"" (фиг. 2) с температурой начала оттаивания пород на одной из глубин геологического разреза. После этого фиксируют продолжительность периода эксплуатации скважины 1 и производят ее математическое "отключение", то есть на модели задают величину коэффициента теплоотдачи, равной нулю. Затем продолжают моделирование, причем время нахождения скважины 1 в "отключенном" состоянии равно времени ее эксплуатации на предыдущем шаге. По завершении этого этапа вновь назначают фактическую величину коэффициента теплоотдачи и рассматривают период эксплуатации скважины 1 до выполнения условия равенства температур на границе "цементное кольцо 2 - многолетнемерзлые породы 4"" (фиг. 2). Вновь фиксируют продолжительность периода эксплуатации и "отключают" скважину 1. Таким образом чередуют периоды эксплуатации и "отключения" скважины 1 и осуществляют моделирование до тех пор, пока длительности трех последовательных периодов эксплуатации не будут равны между собой. При выполнении данного условия считают моделирование завершенным, а режим эксплуатации при заданных геотехнических параметрах системы "добывающая скважина 1 - многолетнемерзлые породы 4"" определенным.

Пример конкретной реализации способа.

Реализация проведена для условий Бованенковского газоконденсатного месторождения. При этом в качестве исходных геотехнических параметров принимались реальные величины теплофизических свойств многолетнемерзлых пород, слагающих геологический разрез одного из кустов скважин, величины метеорологических параметров, характерных для данного региона, проектная конструкция скважины, предполагающая наличие пассивной теплоизоляции. Сама реализация проводилась в несколько этапов.

Этап 1. На основании имеющихся исходных проектных данных, результатов проведения стандартных газодинамических исследований, определения теплофизических свойств многолетнемерзлых пород, данных измерений естественных температур пород создана двумерная математическая модель теплового взаимодействия элементов геотехнической системы добывающая скважина - многолетнемерзлые породы в цилиндрических координатах.

Расчетная область представляет собой фрагмент осевого сечения геотехнической системы размером 70 (глубина от дневной поверхности) на 100 м (ширина от оси скважины). Величины расчетных блоков составляют в интервале от 0,21 до 0,4 м - 0,01 м, от 0,4 до 0,6 м - 0,05 м, от 0,6 до 1,0 м - 0,1 м, от 1,0 до 3,0 м - 0,2 м, от 3,0 до 4,0 м - 0,25 м, от 4,0 до 10 м - 0,5 м, от 10 - 16 м - 1,0 м, от 16 до 20 м - 2 м, от 20 до 30 м - 5 м, от 30 до 60 м - 10 м, далее от 60 до 100 м - 20 м. По вертикали величины блоков составляют: от 0 до 3 м - 0,2 м, от 3 до 7 м - 0,4 м, от 7 до 20 м - 0,5 м, от 20 до 70 м - 1 м.

Левая вертикальная граница расчетной области соответствует положению добывающей скважины. На ней заданы граничные условия 3 рода - температура добываемого флюида и коэффициент теплоотдачи скважины. Верхняя горизонтальная граница соответствует дневной поверхности, на которой также заданы условия 3 рода - среднемесячные температуры воздуха, характерные для данного региона по данным многолетних наблюдений, и коэффициент теплопередачи от воздуха к породам. На правой вертикальной границе, условно соответствующей границе массива многолетнемерзлых пород, на которой температура в процессе эксплуатации геотехнической системы остается неизменной и равной естественной температуре, а также нижней горизонтальной границе заданы граничные условия 2 рода, характеризуемые плотностью теплового потока, который в нашем случае равен нулю.

Внутренние блоки области описывают литологические разности геологического разреза куста скважин Бованенковского месторождения согласно материалов предварительных исследований и характеризуются такими параметрами, как коэффициенты теплопроводности, теплоемкости в талом и мерзлом состояниях, теплота фазовых переходов, температура начала фазовых переходов. Исключение составляют внутренние блоки, расположенные на удалении до 0,4 м от оси скважины, соответствующие цементному кольцу, образованному после заполнения кавернозного пространства вокруг ствола скважины, характеризуемые собственными величинами тех же параметров.

В соответствие с результатами предварительных исследований, величина температуры добываемого флюида была задана равной 25^oC, величина коэффициента теплоотдачи скважины - 0,4 Вт/(м^2oC). Начальное температурное поле геотехнической системы задано однородным и равным -4^oC. Шаг расчетов по времени составлял 0,1 часа.

Этап 2. Осуществлялось моделирование теплового взаимодействия элементов геотехнической системы, при этом начальным расчетным моментом условно являлось 1 октября 2000 года, когда был осуществлен запуск скважины в эксплуатацию.

Задавался некоторый интервал времени и скважина запускалась в эксплуатацию. По окончании выполнения расчетов фиксировалась температура на границе "цементное кольцо - многолетнемерзлые породы". В том случае, если температура на границе была ниже температуры начала фазовых превращений в породе на всех глубинах (во всех литологических разностях), время эксплуатации скважины увеличивалось и расчеты производились далее. Завершением периода эксплуатации скважины, и соответственно периода расчета, являлся момент, когда на одной из глубин геологического разреза температура на рассматриваемой границе не совпадала с температурой фазовых переходов. В этом случае фиксировалось состояние температурного поля модели, а полученная продолжительность периода расчета отмечалась в соответствующей таблице, после чего осуществлялся переход к третьему этапу реализации способа.

Этап 3. На математической модели, начальное температурное поле которой соответствовало состоянию поля по окончании периода эксплуатации скважины, производилось "отключение" скважины путем назначения нулевой величины коэффициента теплоотдачи. Затем, уже с новой величиной параметра, выполнялось моделирование теплового взаимодействия элементов системы на интервал времени, равный по своей длительности периоду эксплуатации скважины на предыдущем шаге.

Этап 4. Вновь моделировалась эксплуатация скважины, то есть назначалась фактическая величина ее коэффициента теплоотдачи, до совпадения температуры на границе "цементное кольцо - многолетнемерзлые породы" с температурой начала фазовых переходов породы на одной из глубин геологического разреза. После этого скважина снова "отключалась".

Моделирование теплового воздействия на многолетнемерзлые породы со стороны скважины, находящейся в циклическом режиме эксплуатация - "отключение", выполнялось до тех пор, пока величины продолжительности трех последовательных циклов не стали равными между собой и не составили 20 суток. Результаты моделирования представлены в таблице. Как видно из нее, время периодов эксплуатация - "отключение" скважины постепенно снижается до полной стабилизации, что свидетельствует о выходе температурного поля системы на квазистационарный режим.

Таким образом, был определен режим эксплуатации скважины, при котором в течение всего времени действия месторождения не происходит оттаивания окружающих многолетнемерзлых пород. Длительности периодов эксплуатации и "отключения" скважины для каждой из геотехнических систем будут различны и зависят прежде всего от величин температуры добываемого флюида, коэффициента теплоотдачи скважины, теплофизических свойств многолетнемерзлых пород, ширины кавернозной зоны и теплофизических свойств заполняющего его цемента.

Существенным моментом является то, что при кустовом расположении скважин, характерном для Западно-Сибирских месторождений, предлагаемый способ дает возможность за счет сдвига фаз эксплуатации и "отключения" у разных скважин эффективно управлять объемами добычи сырья от полного прекращения до максимального уровня.

Настоящее изобретение позволяет при минимальных затратах на расчет, назначение и поддержание режима эксплуатации скважины без оттаивания многолетнемерзлых пород не допустить развитие необратимых деформаций колонн, предотвратить возможные эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт их конструктивных элементов, обеспечить тем самым длительную технико-экологическую надежность и безопасность эксплуатации геотехнической системы. Кроме того, при выборе данного способа эксплуатации газовых скважин появляется возможность одновременно решать задачу управления объемами добычи сырья, что актуально в период снижения уровней потребления, особенно в летний период. Таким образом отпадает необходимость в использовании подземных хранилищ газа и последующего его вторичного извлечения из временных хранилищ-коллекторов.