СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ УСТЬЕВОЙ ЗОНЫ ДОБЫВАЮЩЕЙ СКВАЖИНЫ В МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ Российский патент 2005 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.

Анализ существующего уровня показал следующее:

известен способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах, состоящий из охлаждения теплоносителя (хладоагента), поступающего через устье, в специальной емкости и последующей закачки его в дополнительную колонну (см. а.с. №440483 от 21.04.72 г. по кл. Е 21 В 43/00, опубл. в ОБ №31, 1974 г., столбец 2 и 3). При этом охлажденный теплоноситель из дополнительной колонны поступает в кольцевое пространство между кондуктором и эксплуатационной колонной. При эксплуатации скважины через насосно-компрессорные трубы (НКТ) терморегулирование осуществляется постоянной прокачкой теплоносителя через дополнительную колонну и кольцевое пространство между технической и эксплуатационной колоннами.

Недостатком указанного способа является отсутствие устойчивости скважин, а также минимальная жесткость конструкции и ненадежность закрепления ствола в приустьевой зоне. Отсутствие теплоизоляции НКТ или эксплуатационной колонны способствует применению значительных подач насоса и интенсификации теплообмена между добываемым флюидом и циркулирующим теплоносителем, что приводит к протаиванию многолетне-мерзлых пород (ММП). Помимо этого переохлаждение добываемого флюида может привести к образованию парафинистых или гидратных пробок в НКТ, что снизит дебит скважины. Указанный способ не применим для пробуренных и зацементированных скважин.

В качестве прототипа взят способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в ММП, включающий спуск теплоизолированной в верхнем участке НКТ, установку параллельно оси скважины трубчатых элементов теплообменного контура с дизельным топливом в качестве теплоносителя с последующей теплоотдачей в атмосферу (см. патент РФ №2127356 от 16.02.98 г. по кл. Е 21 В 36/00, опубл. в ОБ №7, 1999 г.).

Недостатком указанного способа является слабая устойчивость скважин, недостаточная жесткость конструкции и не совсем надежное закрепление ствола в приустьевой зоне. Это обусловлено целым рядом причин:

- невозможность дистанционного управления термостабилизаторами;

- отклонение температуры воздуха от среднемесячной снижают эффективность применения способа, т.к. свободная конвекция и теплобмен в системе термостабилизатор - ММП не будут оптимальными;

- свободная конвекция в термостабилизаторах большой длины менее эффективна с точки зрения охлаждения ММП, чем вынужденная;

- термостабилизаторы расположены на периферии контура скважины, при этом лишь часть теплового потока, поглощаемого ими, идет от скважины, остальная - от ММП, что снижает эффективность столба и вынуждает использовать большое количество термостабилизаторов;

- невозможность высокоэффективного охлаждения в летний период приводит к протаиванию грунта;

- невозможность использования способа в скважинах, уже пробуренных и зацементированных;

- необходимость бурения под направление долотом со значительным диаметром, т.к. направление покрывается теплоизоляцией, и в цементный камень устанавливаются термостабилизаторы, что приводит к перерасходу тампонажных материалов;

- необходимость применения сложных технических средств при регулярной замене термостабилизаторов большой длины, близко расположенных к устьевому оборудованию.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

сохраняется устойчивость скважины, достигается максимальная жесткость конструкции, обеспечивается надежность закрепления ствола в приустьевой зоне.

Технический результат достигается с помощью отдельных операций известного способа: спуск теплоизолированной в верхнем участке НКТ, установка вертикальных трубчатых элементов теплообменного контура с дизельным топливом в качестве теплоносителя с последующей теплоотдачей в атмосферу. При этом заявляются обладающие новизной следующие операции предлагаемой технологии:

устанавливают пакерующий элемент на нижней границе верхнего участка теплоизолированной НКТ. Глубину спуска последней определяют по формуле

где l - глубина нижней границы верхнего участка теплоизолированной НКТ, м;

T - продолжительность эксплуатационного периода скважины, лет;

К - коэффициент льдистости в интервале многолетнемерзлых пород, %;

t_ф - температура добываемого флюида, ° С;

t_ММП - температура ММП, ° С.

В качестве трубчатых элементов теплообменного контура используют циркуляционную трубку, диаметр которой рассчитывают по формуле

где Д_тр - наружный диаметр циркуляционной трубки, мм;

Д_эк - внутренний диаметр эксплуатационной колонны, мм;

Д_ннкт - наружный диаметр теплоизолированной НКТ, мм;

ω - зазор между наружным диаметром теплоизолированной НКТ и наружным диаметром циркуляционной трубки, мм;

δ - зазор, необходимый для перехода в эксплуатационную колонну теплоизолированной НКТ и циркуляционной трубки, мм.

До спуска в скважину циркуляционную трубку соединяют по всей длине с верхним участком теплоизолированной НКТ. Спуск в скважину и подвеску на устье проводят со смещением оси НКТ относительно оси скважины на величину, определяемую по формуле

где Е - расстояние между осью скважины и осью теплоизолированной НКТ, мм.

Верхний конец циркуляционной трубки в летний период соединяют с нагнетательной линией теплообменной установки, в зимний период - с нагнетательной линией холодильной установки. В период эксплуатации скважины осуществляют принудительную циркуляцию дизельного топлива в верхней части эксплуатационной колонны через циркуляционную трубку с последующим подъемом по кольцевому пространству, обеспечивая расход дизельного топлива, определяемый по формуле

где Q - расход дизельного топлива, м/с;

q - тепловая мощность, передаваемая теплоизолированной НКТ дизельному топливу, Вт, рассчитываемая по формуле

где t_cp - средняя температура дизельного топлива в кольцевом пространстве, ° С;

α _ф - коэффициент теплоотдачи добываемого флюида, ;

Д_ВНКТ - внутренний диаметр НКТ, мм;

λ _ст - коэффициент теплопроводности стали НКТ, ;

Д_нкт - наружный диаметр НКТ, мм;

λ _из - коэффициент теплопроводности теплоизолированного материала, ;

α _ДТ - коэффициент теплоотдачи дизельного топлива, ;

ρ - плотность дизельного топлива, кг/м³;

с - удельная теплоемкость дизельного топлива, ;

t_ОДТ - температура, до которой охлаждается дизельное топливо на поверхности, ° С.

На чертеже представлена принципиальная схема оборудования устья добывающей скважины в ММП, где:

1. Переходная катушка.

2. Сбрасывающая линия.

3. Нагнетательная линия.

4. Емкость для вышедшего из скважины дизельного топлива.

5. Охлаждающее устройство (в летний период - рефрижераторная установка, в зимний - теплообменник).

6. Плунжерный насос с регулируемой подачей.

7. Приводной электродвигатель.

8. Пакерующее устройство.

9. Теплоизолированная колонна НКТ.

10. Нагнетательная трубка.

Основной причиной возникновения осложнений при строительстве и эксплуатации газовых скважин в криолитозоне является несоответствие уровня тепловых нагрузок энергетическому потенциалу саморегуляции ММП.

Как показывает практика, из-за интенсивного оттаивания высокольдистых ММП на устье скважин образуются воронки, достигающие 5-8 метров в диаметре и видимой с поверхности глубиной до 12 м. Выявлено около двадцати скважин на Бованенковском ГКМ до глубин 40-70 м, не имеющие опоры на окружающие породы, контакта с ними из-за наличия провалов за колоннами. Многочисленные расчеты показывают, что критическая длина сохранения устойчивости конструкции скважин колеблется в интервале 20-60 м. В таких условиях наблюдаются наклон фонтанной арматуры, ее перекос и деформация отводящих струн в результате потери продольной устойчивости конструкцией скважины. Засыпка образовавшихся воронок требует значительных материальных затрат, однако, даже это не останавливает формирование воронок.

Решение проблемы заключается в комплексе технологических мероприятий, направленных на сохранение устойчивости верхних интервалов ММП путем создания и дальнейшего поддержания в верхней части обсадной колонны температуры среды ниже температуры фазового перехода льда в воду. Температура фазового перехода зависит от минерального состава воды, входящей в ММП, и колеблется в интервале (-0,2)-(-3,5)° С.

Устойчивость того или иного участка ММП к тепловым воздействиям при сооружении скважин определяется динамическим равновесием состояния ММП в естественных условиях. Под условиями понимаются такие показатели, как температура ММП по всему интервалу их распространения, характер распределения различных генетических типов подземного льда и суммарная объемная льдистость, засоленность, относительная осадка при оттаивании и многие другие.

Очевидно, что основные из этих показателей должны входить в эмпирическую формулу для определения длины интервала применения данного способа, сохраняющего устойчивость верхнего интервала скважины весь срок эксплуатации.

Принудительное охлаждение верхнего интервала эксплуатационной колонны без отделения его от нижнего интервала не приведет к достижению поставленного технического результата, поэтому на границе верхнего и нижнего интервалов необходимо устанавливать пакерующее устройство, препятствующее конвективному тепломассообмену между верхним интервалом, заполненным циркулирующим дизельным топливом, имеющим в кольцевом пространстве среднюю температуру, равную (-3)° С, и нижним интервалом, заполненным буровым раствором, равную температуре добываемого газа +30° С.

Для доставки охлажденного дизельного топлива к нижней границе верхнего интервала служит циркуляционная трубка, жестко присоединенная на поверхности параллельно НКТ посредством хомутов. При этом для значительного снижения теплового потока, передаваемого от добываемого газа циркулирующему дизельному топливу через стенки НКТ, последние покрываются слоем теплоизоляции типа пенополистиролов толщиной 10 мм. Такого типа изоляция имеет коэффициент теплопроводности .

Таким образом, в скважину спускается и подвешивается со смещением комбинированная колонна длиной 73 м, состоящая из теплоизолированной НКТ и циркуляционной трубки. Смещение необходимо для облегчения спуска и возможного извлечения комбинированной колонны из скважины, а также для образования линейно-симметричного сечения верхнего интервала скважины для облегчения теплоотдачи и исключения локальных повышений температуры в какой-либо точке интервала.

Процесс теплообмена в скважине при циркуляции дизельного топлива происходит следующим образом. Холодное дизельное топливо подается в циркуляционную трубку, пройдя которую, выходит в кольцевое пространство выше пакерующего элемента и поднимается по нему к устью. Источником тепла в скважине является добываемый газ. Двигаясь по НКТ, он отдает часть своей тепловой энергии внутренней поверхности НКТ посредством вынужденной конвекции. Далее молекулярной теплопроводностью тепловой поток переносится через материал труб и теплоизоляцию и опять же молекулярной конвекцией дизельному топливу, находящемуся в кольцевом пространстве. В результате чего последнее нагревается с -7 до +1° С, обеспечивая среднюю температуру в верхнем участке добывающей скважины t_cp=(-3)° C. Поднявшись до устья, нагретое дизельное топливо поступает в сбрасывающую линию, которая доставляет его в летний период в рефрижераторную установку типа “Термокинг”, охлаждующую дизельное топливо по принципу теплового насоса до начальной температуры (-7° С), после чего плунжерный насос типа ПЦН с регулируемой подачей 0,5 до 1 м³/час снова закачивает холодное дизельное топливо по циркуляционной трубке в скважину, а в зимний период охлаждение дизельного топлива происходит в теплообменнике с отдачей тепла окружающему холодному воздуху [t_{окруж.среды}(-20)-(-30)° С]. Таким образом, описанная вынужденная циркуляция поддерживает заданную среднюю температуру дизельного топлива в верхней части эксплуатационной колонны, сохраняя тем самым тепловой баланс в системе скважина - ММП.

Из вышеизложенного следует, что на величину t_ср можно воздействовать двумя путями: изменять t_ОДТ - температуру, до которой дизельное топливо охлаждается на поверхности, или варьировать подачу насоса.

К примеру, для уменьшения t_ср необходимо уменьшить t_ОДТ либо увеличить подачу насоса. При этом первый способ предпочтительнее, так как увеличение подачи насоса вызовет рост скорости дизельного топлива в кольцевом пространстве и, как следствие, увеличение коэффициента конвективной теплопередачи и возрастание, хотя и незначительное, тепловой мощности, выделяемой в кольцевом пространстве. Поэтому целесообразнее задаваться t_ОДТ -(-7° С) и через него определять минимальную подачу насоса, при которой в верхнем интервале скважины установится температура (-3)°C. Минимальную расчетную подачу определяют из следующих соображений. Для сохранения теплового баланса в системе скважина - ММП вся тепловая мощность, выделяемая верхним интервалом теплоизолированной колонны НКТ, должна идти на нагрев дизельного топлива, поступающего в кольцевое пространство в единицу времени. При этом порция дизельного топлива нагревается на величину, равную удвоенной разности начальной температуры дизельного топлива и средней температуры в кольцевом пространстве, т.е. от (-7) до +1° С. Из равенства этих тепловых энергий и определяется минимальная подача плунжерного насоса.

Более подробно сущность заявленного способа поясняется следующим примером.

На Бованенковском ГКМ при подготовке скважины к эксплуатации в 168-мм колонну с толщиной стенки 12 мм предполагается спустить 89-мм колонну НКТ, покрытую снаружи слоем пенополистирола толщиной 10 мм.

Толщина стенки НКТ 6,5 мм. Скважину предполагается принудительно охлаждать арктическим дизельным топливом с плотностью 894 кг/м. Циркуляцию будут осуществлять плунжерным насосом типа ПЦН с регулируемой подачей по паспортным данным в пределах 0,5-1,0 м³/час. Исходные данные, используемые в расчетах:

Диаметры:

- внутренний эксплуатационной колонны. Д_ок мм 144

- внутренний НКТ, Д_вн., мм 76

- наружный НКТ, Д_нкт, мм 89

- наружный НКТ с теплоизоляцией, Д, мм 109

Коэффициент теплопроводности среднеуглеродистой стали НКТ по ГОСТ 633-80, λ _ст, , 32

Коэффициент теплоизоляции:

- пенополистирола, λ _из, 0,04

- дизельного топлива, λ _от, 0,5

Температура:

- добываемого флюида, t_ф, ° С; 30

- близлежащих ММП, t_ММП, ° С (-5)

охлаждения дизельного топлива на поверхности, t_ОДТ, ° С; (-7)

(принимается)

- средняя в кольцевом зазоре (должна быть ниже температуры начала замерзания воды ММП), t_сp, ° C (-3)

Время эксплуатации скважины Т, лет 20

Коэффициент льдистости верхних слоев ММП (по данным геологических изысканий), k, % 40

Зазоры:

δ , мм 5

ω , мм 3

Определяют глубину нижней границы верхнего участка теплоизолированной НКТ или глубину установки пакерующего элемента

определяют диаметр циркуляционной трубки

Определяют смещение оси НКТ относительно скважины оси скважины

.

Стальная циркуляционная трубка диаметром 22 мм присоединяется жестко к теплоизолированной колонне НКТ посредством хомутов, представляющих собой металлические пластины с двумя полукруглыми пазами под НКТ и циркуляционную трубку соответственно. Такую комбинированную колонну спускают в скважину со смещением и подвешивают также со смещением, равным 12,5 мм в переходной катушке при помощи специально изготовленного посадочного конуса.

Для определения подачи насоса вычисляют тепловую мощность, выделяющуюся в скважине, однако, прежде из критериальных зависимостей находят коэффициенты теплоотдачи α _Ф и α _ДТ.

Так как дебит скважины значительно больше производительности насоса, то для упрощения расчетов при определении величины q принимаем допущение α _Ф→_{∞. При определении α ДТ сначала вычислим коэффициент теплоотдачи α 0ДТ}

где N_и - критерий Нуссельта, определяемый по формуле работы (см. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. - M.: Энергоатомиздат, 1990, с.115-117)

где Р_r - критерий Прандтля, определяемый по формуле

R_e - критерий Рейнольдса, определяемый по формуле

где V - скорость течения дизельного топлива,

в первом приближении принимаем, что V=0,03 м/с.

ξ - коэффициент гидродинамического сопротивления, который определяется из формулы А=ξ · R_e, по таблице (см. таблицу в источнике Ганджумян Р.А., Калинин А.Г., Никитин Б.А. Инженерные расчеты при бурении глубоких скважин - М.: Недра, 2000).

При

отсюда

Так как рассчитано для круглой трубы, его нужно уточнить для кольцевого пространства (см. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.119) по формуле

Определяем q

Величина соответствует паспортным данным насоса ПЦН.

Проверим правильность принятия скорости течения дизельного топлива в кольцевом канале при определении критерия Рейнольдса, принятого в первом приближении 0,03 м/с.

Скорость течения дизельного топлива в кольцевом канале

где - площадь сечения кольцевого канала.

Это значение близко ранее принятому, поэтому пересчет не обязателен.

Анализ изобрететельского уровня показал следующее: известен способ теплоизоляции нагнетательной скважины, по которому после установки в обсаженной скважине НКТ с пакером между ней и обсадной колонной устанавливают разделительную трубу, имеющую входную и выходную арматуру на устье скважины, а после подачи теплоносителя в НКТ через кольцевые каналы, образованные разделительной трубой, прокачивают теплоизолирующий агент (см. патент РФ №2120540 от 26.04.96 г. по кл. Е 21 В 36/00, опубл. в ОБ №29, 1998 г.). Известно заполнение дизельным топливом в качестве теплоносителя внутренней и внешней кольцевых полостей, образованных наружной и внутренней трубами, установленными концентрично (см. патент РФ №1767162 от 13.08.90 г. по кл. Е 21 B 36/00, опубл. в ОБ №37, 1992 г.), известна сложная система циркуляции теплоносителя (хладоагента) в скважине (см. патент РФ №1776299 от 02.04.91 г. по кл. Е 21 В 43/00, 36/00, опубл. в ОБ №42, 1992 г.). На основании вышеизложенного нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми отличительными признаками заявленного технического решения. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности.

Изобретение относится к эксплуатации добывающих скважин в криолитозоне и предназначено для сохранения грунта вокруг устьевой зоны скважины в мерзлом состоянии в течение всего срока ее эксплуатации. Техническим результатом изобретения является сохранение устойчивости скважины, достижение максимальной жесткости конструкции и обеспечение надежности закрепления ствола в приустьевой зоне. Для этого устанавливают пакерующий элемент на нижней границе верхнего участка теплоизолированной насосно-компрессорной трубы (НКТ). Циркуляционную трубку (ЦТ), выполняющую функцию теплообменного контура, с дизельным топливом (ДТ) в качестве теплоносителя и последующей теплоотдачей в атмосферу, соединяют по всей длине с верхним участком НКТ. Их спуск в скважину и подвеску на устье проводят со смещением оси НКТ относительно оси скважины. Верхний конец ЦТ в летний период соединяют с нагнетательной линией теплообменной установки, в зимний период - с нагнетательной линией холодильной установки. Осуществляют принудительную циркуляцию ДТ в верхнем участке эксплуатационной колонны через ЦТ с последующим подъемом по кольцевому пространству. Приведены математические формулы расчета глубины установки пакерующего элемента, диаметра ЦТ, величины смещения оси НКТ и расхода ДТ. 1 ил.

Способ теплоизоляции устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах, включающий спуск теплоизолированной в верхнем участке насосно-компрессорной трубы, установку вертикальных трубчатых элементов теплообменного контура с дизельным топливом в качестве теплоносителя с последующей теплоотдачей в атмосферу, отличающийся тем, что устанавливают пакерующий элемент на нижней границе верхнего участка теплоизолированной насосно-компрессорной трубы, глубину спуска которой определяют по формуле

где - глубина нижней границы верхнего участка теплоизолированной насосно-компрессорной трубы, м;

T - продолжительность эксплуатационного периода скважины, лет;

К - коэффициент льдистости в интервале многолетнемерзлых пород, %;

t_ф - температура добываемого флюида, °С;

t_ММП - температура многолетнемерзлых пород, °С,

а в качестве вертикальных трубчатых элементов теплообменного контура используют циркуляционную трубку, диаметр которой рассчитывают по формуле

где Д_ТР - наружный диаметр циркуляционной трубки, мм;

Д_ЭК - внутренний диаметр эксплуатационной колонны, мм;

Д_ННКТ - наружный диаметр теплоизолированной насосно-компрессорной трубы, мм;

ω - зазор между наружным диаметром теплоизолированной насосно-компрессорной трубы и наружным диаметром циркуляционной трубки, мм;

δ - зазор, необходимый для прохода в эксплуатационную колонну теплоизолированной насосно-компрессорной трубы и циркуляционной трубки, мм,

до спуска в скважину, соединенную по всей длине с верхним участком теплоизолированной насосно-компрессорной трубы, при этом их спуск в скважину и подвеску на устье проводят со смещением оси насосно-компрессорной трубы относительно оси скважины на величину, определяемую по формуле

где Е - расстояние между осью скважины и осью теплоизолированной насосно-компрессорной трубы, мм,

причем, верхний конец циркуляционной трубки в летний период соединяют с нагнетательной линией теплообменной установки, в зимний период - с нагнетательной линией холодильной установки, а в период эксплуатации скважины осуществляют принудительную циркуляцию дизельного топлива в верхней части эксплуатационной колонны через циркуляционную трубку с последующим подъемом по кольцевому пространству, обеспечивая расход дизельного топлива, определяемый по формуле

где Q - расход дизельного топлива, м³/с;

q - тепловая мощность, передаваемая теплоизолированной насосно-компрессорной трубой дизельному топливу, Вт, рассчитываемая по формуле

где t_cp - средняя температура дизельного топлива в кольцевом пространстве, °С;

α_ф - коэффициент теплоотдачи добываемого флюида,

Д_ВНКТ - внутренний диаметр насосно-компрессорной трубы, мм;

λ_сm - коэффициент теплопроводности стали насосно-компрессорной трубы, ;

Д_НКТ - наружный диаметр насосно-компрессорной трубы, мм;

λ_из - коэффициент теплопроводности теплоизолирующего материала,

α_ДТ - коэффициент теплоотдачи дизельного топлива,

ρ - плотность дизельного топлива, кг/м³;

с - удельная теплоемкость дизельного топлива, ;

t_ОДТ - температура, до которой охлаждается дизельное топливо на поверхности, °С.