СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ УСТЬЕВОЙ ЗОНЫ ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК E21B36/00 

Изобретение относится к области эксплуатации добывающих скважин в криолитозоне и предназначено для сохранения грунта вокруг устьевой зоны скважины в мерзлом состоянии в течение всего срока ее эксплуатации.

Известна система стабилизации вечной мерзлоты вокруг добывающей скважины (Патент США N 3763931, МКИ⁶ E 21 B 43/00, 1973).

В известной системе вокруг верхнего участка добывающей скважины размещают колонну труб теплоизолирующего элемента, по длине которого установлены теплопередающие трубки-контейнеры. С их помощью осуществляют отвод тепла от теплоизолирющего элемента.

Однако известная система недостаточно надежно обеспечивает термоизоляцию многолетнемерзлых пород в устьевой зоне добывающей скважины, т.к. при ее использовании не учитывается возможный перепад температур и теплоемкость окружающих пород.

Технический результат изобретения заключается в сохранении устойчивости скважины, достижении максимальной жесткости конструкции и обеспечении надежности закрепления ствола в приустьевой зоне, экономии энергии за счет использования естественного природного холода воздуха атмосферы, учета теплофизических характеристик используемого оборудования и верхней части размера мерзлых пород, в которых размещено устье скважины.

Сущность изобретения заключается в том, что вокруг верхнего участка колонны труб размещается телпоизолирующий элемент, по длине которого установлены теплопередающие трубки-контейнеры, с помощью которых осуществляют отвод тепла от теплоизолирующего элемента. В трубки-контейнеры, размещенные непосредственно за трубой направления, устанавливают с возможностью извлечения и замены сезонно действующие термостабилизаторы, осуществляющие перенос естественного природного холода от воздуха к границе теплоизолирующий элемент - многолетнемерзлые породы. Количество и взаимное расположение трубок-контейнеров и термостабилизаторов по периметру трубы направления определяется путем решения методом конечных разностей по явной схеме с регуляризацией двумерного нестационарного уравнения теплопроводности с распределенными внутри расчетной области источниками холода в неоднородной среде, имеющей прямоугольную симметрию и с подвижной границей раздела фаз уравнения вида

где T - температура;
i = 1, 2, 3 - индекс, определяющий среду, включенную в расчетную область, и относящийся к материалу цементного кольца, талым и мерзлым породам соответственно.

x, y - пространственные координаты;
τ - время;
λ - теплопроводность;
C - теплоемкость;
ρ - плотность;
β(x,y) - функция равная 1 в области расположения термостабилизатора и 0 вне этой области;
Q - тепловой поток, передаваемый термостабилизатором;
V - объем грунтового теплообменника термостабилизатора. Все физические величины приводятся в системе СИ.

Расчетная область представляет собой сегмент сечения, плоскость которого, параллельна поверхности земли. Величина расчетной области может меняться от 1 x 1 до 30 x 30 м, а шаг разбиения на элементарные блоки неравномерный и может меняться от 0,01 до 5 м.

Для осуществления способа используется устройство для теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах, включающее рефрижераторное шахтное направление, выполненное в виде теплопередающих трубок - контейнеров с заглушенным нижним концом и полостью, заполненной незамерзающей жидкостью, в качестве которой может использоваться дизельное топливо. Устройство так же снабжено сезонно действующими термостабилизаторами, установленными с возможностью извлечения и замены в теплопередающие трубки-контейнеры, которые размещают непосредственно за трубой направления добывающей скважины.

В частном случае используют термостабилизаторы диаметром 0,04 м в количестве от 2 до 16, в зависимости от результатов решения уравнения (1).

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображена общая схема устройства для реализации предложенного способа, на фиг. 2 - фрагмент конфигурации расчетной области, где изображены труба направления 1, с размещенной в ней теплоизолированной насосно-компрессорной трубой 2, трубки-контейнера 3 с заглушенным нижним концом 4 и полостью 5, сезонно действующие термостабилизаторы 6, многолетнемерзлые породы 7, поверхность земли 8, добывающая скважина 9, цементное кольцо 10.

Способ реализуется следующим образом.

Непосредственно за трубой направления 1 добывающей скважины размещают трубки-контейнеры 3 с заглушенным нижним торцом 4 и полостью 5, которую заполняют незамерзающей жидкостью, например дизельным топливом, и в которую опускают сезонно действующие термостабилизаторы 6 и закрепляют их там с возможностью извлечения и замены. Затем в добывающую скважину опускают теплоизолированую насосно-комперссорную трубу 2 и осуществляют процесс эксплуатации скважины. В процессе добычи теплого флюида происходит передача тепла через материал теплоизоляции насосно-компрессорной трубы 2 в окружающие скважину многолетнемерзлые породы 7. Время начала растепления зависит от эффективного коэффициента теплопроводности материала теплоизоляции насосно-компрессорной трубы 2 и теплофизических свойств, окружающего скважину многолетнемерзлых пород 7.

Необходимые для реализации способа параметры конструкции: эффективный коэффициент теплопроводности материала пассивной теплоизоляции насосно-компрессорной трубы 2, количество термостабилизаторов 6, их коэффициент теплоотдачи, - рассчитывают в зависимости от климатических условий территории применения способа и устройства, теплофизических свойств многолетнемерзлых пород 7, окружающих добывающую скважину, и температуры, которую необходимо поддерживать на границе с окружающем устье скважины многолетнемерзлыми породами 7.

Расчетная область представляет собой сегмент сечения указанной геотехнической системы плоскостью параллельной поверхности земли. В левом углу расчетной области (фиг. 2) задают образующую обсадной трубы направления скважины с помощью прямоугольных граничных блоков. В связи с симметрией задачи скважину задают в виде сегмента окружности, равного 90^o. Таким же образом задают цементное кольцо за направлением скважины, но с помощью внутренних блоков. Во всех остальных внутренних блоках расчетной области задают числа, описывающие теплофизические характеристики мерзлых пород, окружающих скважину. В граничных блоках, описывающих скважину, задают граничные условия 3 рода (температура добываемого из скважины флюида и коэффициент теплоотдачи скважины в окружающие горные породы) для различных вариантов пассивной теплоизоляции скважины (характеристики теплоизолированной насосно-компрессорной трубы)


где φ(τ) - - температура газа, принятая равной значениям температуры добываемого флюида;
α - коэффициент теплоотдачи стенки скважины, зависящей от свойств пассивной изоляции насосно-компрессорной трубы.

На остальных внешних границах расчетной области задают нулевой теплопоток


Термостабилизаторы задают внутри квадрата, эквивалентного диаметру термостабилизатора, который разделен на сантиметровые блоки (фиг. 2). В блоках по образующей термостабилизатора задают граничные условия 3 рода (температура и коэффициент теплоотдачи)


где α_TC - коэффициент теплоотдачи термостабилизатора;
φ(τ) - - температура окружающей среды.

В качестве температуры, воздействующей на геотехническую систему со стороны термостабилизатора принимают среднюю месячную температуру воздуха. Коэффициент теплоотдачи задают в соответствии с паспортными характеристиками термостабилизатора, причем последний изменяют по месяцам от указанных величин до нуля в зависимости от наличия положительной разницы температуры в ближайшем к ним расчетном блоке и среднемесячной температуры окружающего воздуха. На подвижной границе раздела фаз (талое-мерзлое) внутри расчетной области задают условия
T₂(x,y,τ) = T₃(x,y,τ) = T_{фазовыхпереходов}; (5)


На границе внутренних сред расчетной области задают условия неразрывности температуры и теплового потока. В качестве начальных температур в блоках, описывающих цементное кольцо и горную породу, принимают температуру, равную температуре пород в естественном состоянии (до сооружения скважины). Расчет проводят в реальном времени и оканчивают, когда максимальная расчетная температура на границе "цементное кольцо - порода" на конец теплового периода изменяется год от года не более, чем на 0,1^oC.

В качестве примера реализации способа произведено математическое моделирование теплового взаимодействия с многолетнемерзлыми породами геотехнической системы "эксплуатационная газовая скважина, оборудованная теплоизолированной насосно-компрессорной трубой - двухфазные тепловые трубки-термостабилизаторы (ГФКЦ 067314003-06), расположенные в цементном кольце непосредственно за трубой направления - мерзлые породы газоконденсатного месторождения".

Величина расчетной области 30 x 30 м, шаг разбиения на элементарные блоки неравномерный и изменяется от 0.01 м до 5 м. В левом углу расчетной области была задана образующая обсадной трубы направления скважины с помощью прямоугольных граничных блоков 0.01 x 0.01 м (фиг. 2). Таким же образом задано цементное кольцо радиусом 0.35 м за направлением скважины, но с помощью внутренних блоков. Во всех остальных внутренних блоках расчетной области заданы теплофизические характеристики, описывающие суглинки, окружающие скважину с льдистостью 47% и температурой фазовых переходов минус 1.7^oC.

В граничных блоках, описывающих скважину, задавались граничные условия 3 рода (температура и коэффициент теплоотдачи). Было проведено моделирование для варианта, когда пассивная теплоизоляция скважины представляет собой вакуумированную насосно-компрессорную трубу (промысловый параметр, λ = 0.025 - 0.027 Вт/м ^oK, α = 0.44 Вт/м^2oK). Температура добываемого из скважины флюида (природного газа) составляла плюс 27^oC, что соответствует температуре на устье скважины при эксплуатации аптского горизонта. На всех остальных внешних границах расчетной области задан нулевой теплопоток.

Термостабилизаторы заданы внутри квадрата 0.04 x 0.04 м разбитого на сантиметровые блоки. В качестве температуры, воздействующей на геотехническую систему со стороны термостабилизатора принята средняя месячная температура воздуха по данным ближайшей к месторождению метеостанции. Коэффициент теплоотдачи задан равным 35 Вт/м^2oК, что соответствует заводским параметрам термостабилизатора, причем последний изменялся по месяцам от указанных величин до нуля в зависимости от наличия положительной разницы температуры в ближайшем к ним расчетном блоке и среднемесячной температуры окружающего воздуха. Количество термостабилизаторов, устанавливаемых вокруг скважины, менялась от 2 до 16.

Начальная температура в блоках расчетной области принята равной минус 4^oC, что соответствует фоновой температуре многолетнемерзлых пород в районе месторождения. Шаг расчета во времени (время обновления температурного поля) составлял 1 час.

Результаты расчетов представляют собой температурное поле внутри указанной расчетной области, сохраненные с 30-дневным периодом. Общая продолжительность расчета составляла 12 лет.

Пример реализации расчета представлен в таблице.

Из таблицы следует, задача сохранения пород в мерзлом состоянии может быть решена в данном конкретном случае с помощью теплоизолированной насосно-компрессорной трубы с эффективным коэффициентом теплопроводности материала теплоизолятора λ = 0,014 Вт/м ^oК, установкой в две трубки-контейнера сезонно действующих термостабилизаторов диаметром 40 мм и коэффициентом теплоотдачи α = 35 Вт/м^2oК. При этом температура на границе "цементное кольцо - порода" не подымается выше минус 2,0^oC в течение всего периода эксплуатации скважины.

Таким образом, поскольку в настоящее время промышленностью не выпускаются теплоизолирующие материалы и отсутствуют конструкции насосно-компрессорных труб, которые бы позволили защитить от растепления в течение всего срока эксплуатации окружающие скважину мерзлые грунты в случае их засоления. Предлагаемые способ и устройство для его осуществления позволяют обеспечить искусственное охлаждение приустьевой зоны скважины путем передачи с помощью термостабилизаторов холода окружающего воздуха в зимний период на границе между скважиной и вмещающими ее грунтами, что приведет к тому, что в течение "теплого" периода года скважины хоть и нагреет мерзлые породы, но фазового перехода не произойдет, а следовательно, не произойдет и растепления многолетнемерзлых пород.

Изобретение относится к области эксплуатации добывающих скважин в криолитозоне и предназначено для сохранения грунта вокруг устьевой зоны скважины в мерзлом состоянии в течение всего срока ее эксплуатации. Вокруг верхнего участка колонны труб размещают теплоизолирующий элемент, до длине которого установлены теплопередающие трубки-контейнеры. С помощью этих трубок-контейнеров осуществляют отвод тепла от теплоизодирующего элемента. В трубки-контейнеры, размещенные непосредственно за трубой направления, устанавливают с возможностью извлечения и замены сезонно действующие термостабилизаторы. Эти термостабилизаторы осуществляют перенос естественного природного холода от воздуха к границе теплоизолирующий элемент - многолетнемерзлые породы. Количество и взаиморасположение трубок-контейнеров и термостабилизаторов по периметру трубы направления определяют путем решения двумерного нестационарного уравнения теплопроводности. Расчетная область представляет собой сегмент сечения, плоскость которого параллельна поверхности земли. Величина расчетной области может меняться от 1x1 м до 30x30 м, а шаг разбиения на элементарные блоки неравномерный и может меняться от 0,01 до 5 м. Использование изобретения позволяет сохранить устойчивость скважины, достичь максимальной жесткости конструкции и обеспечить надежное закрепление ствола в приустьевой зоне, экономить энергию за счет использования естественного природного холода воздуха атмосферы. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах, включающий размещение вокруг верхнего участка колонны труб теплоизолирующего элемента, по длине которого установлены теплопередающие трубки-контейнеры, с помощью которых осуществляют отвод тепла от теплоизолирующего элемента, отличающийся тем, что в трубки-контейнеры, размещенные непосредственно за трубой направления, устанавливают с возможномтью извлечения и замены сезонно-действующие термостабилизаторы, осуществляющие перенос естественного природного холода от воздуха к границе теплоизолирующий элемент - многолетнемерзлые породы, причем количество и взаиморасположение трубок-контейнеров и термостабилизаторов по периметру трубы направления определяют путем решения методом конечных разностей по явной схеме с регуляризацией двумерного нестационарного уравнения теплопроводности с распределенными внутри расчетной области источниками холода в неоднородной среде, имеющей прямоугольную симметрию и с подвижной границей раздела фаз. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для улучшения теплоизоляции и для определения количества и взаиморасположения трубок-контейнеров и термостабилизаторов используют уравнение вида

где T - температура;
i = 1, 2, 3 - индекс, определяющий среду, включенную в расчетную область, и относящийся к материалу цементного кольца, талым и мерзлым породам соответственно;
X, Y - пространственные координаты;
τ - время;
λ - теплопроводность;
C - теплоемкость;
ρ - плотность;
β(x,y) - функция, равная 1, в области расположения термостабилизатора и 0 вне этой области;
Q - тепловой поток, передаваемый термостабилизатором;
V - объем грунтового теплообменника термостабилизатора. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчетная область представляет собой сегмент сечения, плоскость которого параллельна поверхности земли, величина расчетной области 30 х 30 м, а шаг разбиения на элементарные блоки неравномерный и меняются от 0,01 до 5 м. 4. Устройство для теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах, включающее рефрижераторное шахтное направление, выполненное в виде теплопередающих трубок-контейнеров с заглушенным нижним концом и полостью, заполненной незамерзающей жидкостью, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено сезонно действующими термостабилизаторами, установленными с возможностью извлечения и замены в теплопередающие трубки-контейнеры, которые размещают непосредственно за трубой направления добывающей скважины. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что оно снабжено термостабилизаторами диаметром 0,04 м в количестве от 2 до 16, а в качестве незамерзающей жидкости используют дизельное топливо.