способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах
Классы МПК: | E21B36/00 Нагревательные, охлаждающие, изолирующие устройства для буровых скважин, например для использования в зоне вечной мерзлоты |
Автор(ы): | Кононов В.И., Березняков А.И., Смолов Г.К., Забелина Л.С., Олиневич Г.В., Попов А.П., Осокин А.Б. |
Патентообладатель(и): | Предприятие "Надымгазпром" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-03-10 публикация патента:
27.10.2000 |
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации месторождений, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород. Устанавливают в скважине охлаждающую систему, состоящую из естественно действующих термостабилизаторов малого диаметра, размещенных внутри теплопередающих трубок-контейнеров, осуществляют отвод тепла, поступающего со стороны скважины в атмосферу. Трубки-контейнеры располагают в два кольцевых контура вокруг скважины: внутренний и внешний. Внутренний контур размещают непосредственно за трубой направления внутри цементного кольца. Внешний контур располагают внутри массива пород на удалении от скважины, равном половине максимального расчетного радиуса ореола оттаивания пород вокруг этой же скважины, не оборудованной охлаждающей системой, которое определяют на основе решения одномерного уравнения Лапласа, записанного в цилиндрических координатах методами численного моделирования, например методом конечных разностей. Количество трубок-контейнеров в контурах определяют путем расчета температурного поля на основе решения численными методами в декартовых координатах двухмерного нестационарного уравнения теплопроводности в неоднородной среде с подвижной границей раздела фаз, описывающего тепловое взаимодействие скважины, охлаждающей системы и окружающих пород. Приводятся математические зависимости. Достигается эффективная стабилизация теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах и обеспечивается заданная надежность ее эксплуатации. 4 ил., 1 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5
Формула изобретения
Способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, включающий установку в ней охлаждающей системы, состоящей из естественно действующих термостабилизаторов малого диаметра, размещенных внутри теплопередающих трубок-контейнеров, осуществляющей отвод тепла, поступающего со стороны скважины в атмосферу, отличающийся тем, что трубки-контейнеры располагают в два кольцевых контура вокруг скважины - внутренний и внешний, внутренний размещают непосредственно за трубой направления внутри цементного кольца, внешний контур располагают внутри массива пород на удалении от скважины, равном половине максимального расчетного радиуса ореола оттаивания пород вокруг этой же скважины, не оборудованной охлаждающей системой, которое определяют на основе решения одномерного уравнения Лапласа, записанного в цилиндрических координатах методами численного моделирования, например методом конечных разностей:![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158353/2158353-6t.gif)
где Ti - температура;
i = 1,2,3 - индекс, определяющий среду, включенную в расчетную область, и относящийся к материалам цемента, талым и мерзлым породам соответственно;
r - радиальная координата,
а количество трубок-контейнеров в контурах определяют путем расчета температурного поля на основе решения численными методами в декартовых координатах двухмерного нестационарного уравнения теплопроводности в неоднородной среде с подвижной границей раздела фаз, описывающего тепловое взаимодействие скважины, охлаждающей системы и окружающих грунтов:
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158353/2158353-7t.gif)
где Ti - температура;
i = 1,2,3 - индекс, определяющий среду, включенную в расчетную область, и относящийся к материалам цемента, талым и мерзлым породам соответственно;
х, у - пространственные координаты;
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/964.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158001/955.gif)
Ci - теплоемкость;
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158029/961.gif)
f(x,y) - функция, равная 1 в области расположения термостабилизатора и 0 вне этой области;
Qmc - тепловой поток, передаваемый термосифоном;
Vmc - объем охлаждающей части термосифона.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации месторождений, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород. Известен способ промораживания устьевой зоны скважины с помощью рефрижераторного шахтового направления, в которое принудительно подается предварительно подготовленный на дневной поверхности хладагент [Быков И.Ю. Техника экологической защиты Крайнего Севера при строительстве скважин. - Л.: Изд-во ЛГУ. 1991, -с. 110-113]. Недостатками данного способа являются техническая сложность и значительная стоимость конструкции, необходимость использования холодильного агрегата, энергоемкость, затраты на содержание квалифицированного персонала для обслуживания системы. Известен также способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины, включающий установку непосредственно за направлением скважины в теплопередающих трубках-контейнерах естественно действующих термостабилизаторов малого диаметра [см. патент РФ на изобретение N 2127356, C1,10.03.1999 на "Способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах и устройство для его осуществления"]. Данный способ в ряде случаев при определенном соотношении геотехнических параметров системы "скважина - многолетнемерзлые породы" не обеспечивает эффективной теплоизоляции устьевой зоны скважины и не предотвращает оттаивания пород. Эксплуатация высокотемпературных скважин в криолитозоне неизбежно связана с растеплением массивов многолетнемерзлых пород, следствием чего является снижение прочностных параметров и несущей способности последних. Это приводит к потере устойчивости скважины, развитию различного рода деформаций и снижению ее эксплуатационной надежности. Целью изобретения является эффективная стабилизация теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах и обеспечение заданной надежности ее эксплуатации. Для достижения цели необходимо решить задачу оптимального, с точки зрения теплового взаимодействия, расположения элементов охлаждающей системы в устьевой зоне скважины. Это позволит во-первых, повысить эффективность ее работы по сравнению с другими способами, обеспечив более высокий уровень надежности, а во-вторых, сократить число используемых термостабилизаторов, необходимых для обеспечения заданного проектного уровня надежности. Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, включающем установку в ней охлаждающей системы, состоящей из естественно действующих термостабилизаторов малого диаметра, размещенных внутри теплопередающих трубок- контейнеров, осуществляющей отвод тепла, поступающего со стороны скважины в атмосферу, трубки-контейнеры располагают в два кольцевых контура вокруг скважины: внутренний и внешний, внутренний контур размещают непосредственно за трубой направления внутри цементного кольца, внешний контур располагают внутри массива пород на удалении от скважины, равном половине максимального расчетного радиуса ореола оттаивания пород вокруг этой же скважины, не оборудованной охлаждающей системой, которое определяют на основе решения одномерного уравнения Лапласа, записанного в цилиндрических координатах методами численного моделирования, например методом конечных разностей:![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158353/2158353-2t.gif)
где:
Ti - температура,
i = 1, 2, 3 - индекс, определяющий среду, включенную в расчетную область, и относящийся к материалам цемента, талым и мерзлым породам соответственно;
r - радиальная координата,
а количество трубок-контейнеров в контурах определяют путем расчета температурного поля на основе решения численными методами в декартовых координатах двухмерного нестационарного уравнения теплопроводности в неоднородной среде с подвижной границей раздела фаз, описывающего тепловое взаимодействие скважины, охлаждающей системы и окружающих пород:
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158353/2158353-3t.gif)
где:
Ti - температура,
i = 1, 2, 3 - индекс, определяющий среду, включенную в расчетную область, и относящийся к материалам цемента, талым и мерзлым породам соответственно:
x, y - пространственные координаты;
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/964.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158001/955.gif)
Ci - теплоемкость;
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158029/961.gif)
f(x,y) - функция, равная 1 в области расположения термостабилизатора и 0 вне этой области;
Qmc - тепловой поток, передаваемый термосифоном;
Vmc - объем охлаждающей части термосифона. Сущность способа поясняется графическими материалами. На фиг. 1 и фиг.2 представлена схема геотехнической системы "добывающая скважина - термостабилизаторы - многолетнемерзлые породы", на фиг. 3 показан фрагмент расчетной области геотехнической системы, на фиг.4 представлены в виде графика результаты моделирования теплового взаимодействия элементов геотехнической системы, где: А - внутренний контур термостабилизаторов, В - внешний контур термостабилизаторов, 1 - добывающая скважина, 2 - трубки-контейнеры, 3 - термостабилизаторы внутреннего контура, 4 - термостабилизаторы внешнего контура, 5 - дневная поверхность, 6 - труба направления скважины, 7 - сечение геотехнической системы, используемое при моделировании. Способ реализуется следующим образом. В устьевой зоне скважины 1 (Фиг. 2) размещают в виде двух кольцевых контуров, внутреннего А и внешнего В (Фиг. 1), вертикальные трубки-контейнеры 2 (Фиг. 2), в которые постоянно или временно устанавливают естественно действующие термостабилизаторы малого диаметра 3, 4. Внутренний кольцевой контур А (Фиг. 1) термостабилизаторов 3 располагают непосредственно за трубой направления 6 скважины 1. Внешний кольцевой контур В (Фиг. 1) термостабилизаторов 4 размещают на расстоянии R от скважины 1. Расстояние R составляет половину максимального расчетного радиуса ореола оттаивания пород вокруг этой же скважины, не оборудованной охлаждающей системой. Максимальный расчетный радиус ореола оттаивания пород определяют на основе решения одномерного уравнения Лапласа, записанного в цилиндрических координатах методами численного моделирования, например, методом конечных разностей:
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158353/2158353-4t.gif)
где:
Ti - температура,
i = 1, 2, 3 - индекс, определяющий среду и относящийся к материалам цемента, талым и мерзлым породам соответственно;
r - радиальная координата. Для определения необходимого количества термостабилизаторов 3, 4 в каждом из охлаждающих контуров А, В решают численными методами в декартовых координатах двухмерное нестационарное уравнение теплопроводности в неоднородной среде с подвижной границей раздела фаз, описывающее тепловое взаимодействие скважины, охлаждающей системы и окружающих пород:
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158353/2158353-5t.gif)
где:
Ti - температура,
i = 1, 2, 3 - индекс, определяющий среду и относящийся к материалам цемента, талым и мерзлым породам соответственно,
x, y - пространственные координаты,
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/964.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158001/955.gif)
Ci теплоемкость,
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158029/961.gif)
f(x,y) - функция, равная 1 в области расположения термостабилизатора и 0 вне этой области,
Qmc- тепловой поток, передаваемый термосифоном,
Vmc - объем охлаждающей части термосифона. Необходимое количество термостабилизаторов 3, 4 определяют исходя из положения об обеспечении заданного уровня надежности системы в течение всего периода эксплуатации скважины. Критерием надежности является проектное значение стационарной температуры Tгран (Фиг. 3) на границе "цемент - порода", которое задается или равной температуре Tно начала оттаивания пород, или любой сколь угодно низкой, но не превышающей значения Tно. Пример конкретной реализации способа. Реализация проведена для условий Харасавейского газоконденсатного месторождения в несколько этапов. Этап 1. Определялся максимальный расчетный радиус ореола оттаивания пород на основе решения одномерного уравнения Лапласа, записанного в цилиндрических координатах, методом конечных разностей. Создана прямоугольная расчетная область, размер которой 1 х 50 м, разбитая по горизонтали на расчетные блоки. Координата левой границы области - 0,21 м задана в соответствии с диаметром скважины (трубы направления). В интервале от 0,21 до 3 м шаг сетки составлял 0,1 м, в интервале от 3 до 7 м - 0,2 м, в интервале от 7 до 15 м - 0,5 м, далее до конца расчетной области шаг равнялся 1 м. На левой границе области, соответствующей положению скважины, были заданы граничные условия 3 рода, т.е. температура, соответствующая температуре добываемого флюида на Харасавейском месторождении и равная 45oC, и коэффициент теплоотдачи с трубы направления, равный 0,23 Вт/(м2
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158001/955.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158001/955.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158001/955.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
![способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах, патент № 2158353](/images/patents/313/2158003/183.gif)
Класс E21B36/00 Нагревательные, охлаждающие, изолирующие устройства для буровых скважин, например для использования в зоне вечной мерзлоты