Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при основании месторождений, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения достоверных значений размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на заданный момент времени эксплуатации. Для этого проводят стандартные теплофизические исследования свойств грунтов, термометрических измерений для получения исходных параметров для дальнейших расчетов. Тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами определяют путем решения численными методами на основе математического моделирования для периода времени с момента пуска скважины до окончания сезона летнего оттаивания грунтов нестационарного уравнения теплопроводности. Далее снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах и определяют размеры зоны протаивания, для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки оттаявших пород в приустьевой зоне скважины за расчетный период на различном удалении от скважины по приведенным формулам. По результатам расчетов определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся термокарстовой воронки. Затем в соответствии с рассчитанной величиной осадки оттаявших пород изменяют конфигурацию расчетной области тепловой модели и повторяют вышеописанные операции для следующего годового цикла, при этом циклы расчетов повторяют до достижения заданного момента времени. В случае, если заданный момент времени не совпадает со временем окончания летнего протаивания грунтов, расчет осадки пород и построение масштабного профиля термокарстовой воронки осуществляется на заданный момент времени. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении месторождений, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород.

Известен способ определения радиуса протаивания многолетнемерзлых пород путем обработки результатов термометрических исследований по формуле зависимости радиуса теплового влияния скважины на окружающие породы [Б.Б.Кудряшов, А. М. Яковлев. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. "Недра", Л., 1973, С.23-25].

Недостатком указанного способа является неучет фазовых переходов влаги при определении состояния температурного поля в прискважинной зоне, что снижает точность получаемых результатов.

Известен также способ определения радиуса ореола протаивания многолетнемерзлых пород с помощью обработки результатов термометрических исследований на основе использования формулы для расчета ореола оттаивания вокруг глубокой скважины [Инженерная геокриология. Справочное пособие. Под ред. Э.Д.Ершова, "Недра", М. 1991, С.186-188].

Известный способ рассматривает только тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами, при этом не учитывается теплообмен многолетнемерзлых пород с атмосферой и механическая осадка многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации скважины, что приводит к искажению фактических величин радиусов ореолов протаивания.

Целью изобретения является повышение точности определения достоверных значений размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на заданный момент времени эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что при решении задачи формирования многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины одновременно рассматривается тепловое и механическое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами, то есть тепловое взаимодействие рассматривается с учетом сезонной осадки пород вследствие изменения их фазового состава, поэтому предлагаемый способ позволяет точно определить размеры и конфигурацию термокарстовой воронки в приустьевой зоне скважины. Он включает проведение стандартных теплофизических исследований свойств грунтов, термометрических измерений с целью получения исходных параметров для дальнейших расчетов. Затем тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами определяют путем решения численными методами на основе математического моделирования для периода времени с момента пуска скважины до окончания сезона летнего оттаивания грунтов нестационарного уравнения теплопроводности: где Т - температура, ^oC, R - радиальная координата, м, z - продольная координата, м, ρ - плотность, кг/м³, С - удельная теплоемкость пород, Вт·ч/(кг·^oC), λ - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м·^oC), τ - время, ч.

Далее снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах и определяют размеры зоны протаивания, для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки оттаявших пород в приустьевой зоне скважины за расчетный период на различном удалении от скважины по формулам ΔS = AH+S_τ, (2)
где ΔS - суммарная величина осадки оттаявших пород, м,
А - коэффициент оттаивания, б/р,
Н - мощность оттаявших слоев, м,
S_τ - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м,
S_τ = S_ст·U_z, (3)
где U_z - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р,
S_ст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м,
S_ст= 0,5a_c·g·γ_взв·H² (4),
где а_c - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па^-1,
g - ускорение силы тяжести, м/с²,
γ_взв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м³,
γ_взв= γ_c·(γ_s-γ_в)/γ_s (5),
где γ_s - плотность частиц скелета грунта, кг/м³,
γ_c - плотность сухого грунта, кг/м³,
γ_в - плотность воды, кг/м³,
U_z= 1-8π^-2·e^-Nb (6),
где N_b - коэффициент, вычисляемый по формуле:
N_b= 0,25π·C_v·τ/H² (7),
τ - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч,
C_V - коэффициент консолидации, м²/ч, вычисляемый по формуле:
C_V = K_ф/(a_c· g·γ_взв), (8)
где К_ф - коэффициент фильтрации оттаявшего грунта, м/ч.

По результатам расчетов определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся термокарстовой воронки, затем в соответствии с рассчитанной величиной осадки оттаявших пород изменяют конфигурацию расчетной области тепловой модели и повторяют вышеописанные операции для следующего годового цикла, при этом циклы расчетов повторяют до достижения заданного момента времени. В случае, если заданный момент времени не совпадает со временем окончания летнего протаивания грунтов, расчет осадки пород и построение масштабного профиля термокарстовой воронки осуществляется на заданный момент времени.

Для пояснения описываемого способа приведены графические материалы (фиг. 1,2,3,4).

Способ реализуется следующим образом.

Эксплуатация скважин углеводородного сырья с положительными температурами добываемых флюидов в криолитозоне неизбежным образом сопряжена с тепловым воздействием на окружающие многолетнемерзлые породы. Многолетний опыт свидетельствует об образовании вокруг скважин ореолов оттаявших пород, в том числе провальных термокарстовых воронок в приустьевой зоне глубиной до 10 м и более радиусом до 6-9 м. Подобные факты приводят к снижению эксплуатационной надежности скважин, потере устойчивости их конструкций, возникновению различного рода деформаций.

На конкретной скважине проводят стандартные исследования водно-физических свойств и температур многолетнемерзлых пород и получают исходные параметры для построения расчетной области тепловой математической модели.

Расчетная область представляет собой фрагмент осевого сечения скважины и массива вмещающих многолетнемерзлых пород (фиг. 1) в цилиндрических координатах. Высота (глубина области от поверхности грунта) составляет 30 м, ширина 50 м. Верхняя граница, на которой задаются граничные условия 3 рода, отвечает положению поверхности отсыпки куста скважин. Здесь определяется тепловое взаимодействие окружающей среды с многолетнемерзлыми породами путем задания среднемесячных температур и коэффициентов теплообмена на дневной поверхности. Левая вертикальная граница, на которой также задаются условия 3 рода - температура газа и коэффициент теплоотдачи скважины, соответствует положению скважины. На остальных границах задаются, в силу симметричности теплового поля, условия 2 рода с тепловым потоком, равным 0. При разбиении области на расчетные блоки по ширине и глубине в интервале от 0 до 1 м шаг сетки составляет 0,1 м, от 1 до 3 м - 0.2 м, от 3 до 7 м - 0.4 м, от 7 до 12 м - 0.5 м и далее - 1 м.

В зоне, прилегающей к скважине, по результатам кавернометрии, задаются теплофизические свойства, соответствующие свойствам цемента, заполняющего образовавшиеся каверны в процессе бурения скважины. Остальная внутренняя область определяется параметрами теплофизических свойств пород, полученными ранее. При этом учитываются такие особенности инженерно-геологических свойств многолетнемерзлых пород, как льдистость, засоленность и отличная от 0^oC температура фазовых переходов грунтовой влаги. Исходное температурное поле, соответствующее начальному "фоновому" состоянию массива многолетнемерзлых пород, задается однородным по всей области в соответствии с результатами термометрических наблюдений.

Начальным расчетным моментом является время запуска скважины. Длительность первого цикла соответствует времени от момента запуска скважины до окончания летнего оттаивания пород.

Рассчитывают тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами по (1):

где T - температура, ^oC,
r - радиальная координата, м,
z - продольная координата, м,
ρ - плотность, кг/м³,
С - удельная теплоемкость пород, Вт·ч/(кг·^oC),
λ - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м·^oC),
τ - время, ч.

Затем снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах (фиг.2) и определяют размеры зоны протаивания (см.табл.). Для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки пород за расчетный период по (2) - (8) на различном удалении от скважины:
ΔS = AH+S_τ, (2)
где ΔS - суммарная величина осадки оттаявших пород, м,
А - коэффициент оттаивания, б/р,
Н - мощность оттаявших слоев, м,
S_τ - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м,
S_τ = S_ст · U_z, (3)
где U_z - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р,
S_ст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м,
S_ст = 0.5 a_c· g·γ_взв·H², (4)
где а_c - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па^-1,
g - ускорение силы тяжести, м/с,
γ_взв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м³,
γ_взв= γ_c·(γ_s-γ_в)/γ_s, (5)
где γ_s - плотность частиц скелета грунта, кг/м³,
γ_c - плотность сухого грунта, кг/м³,
γ_в - плотность воды, кг/м³,
U_z= 1-8π^-2 · e^-Nb, (6)
где N_b - коэффициент, вычисляемый по формуле:
N_b= 0,25π·C_v·τ/H² (7),
где τ - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч,
C_V - коэффициент консолидации, м²/ч, вычисляемый по формуле:
C_V =К_ф/(а_с· g · γ_взв),
где К_ф - коэффициент фильтрации оттаявшего грунта, м/ч.

Далее определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся воронки протаивания (фиг.3). Соответственным образом вносят изменения в конфигурацию расчетной области тепловой модели (фиг.4).

Цикл расчетов повторяют для каждого следующего годового сезона промерзания - протаивания пород. Окончанием расчета является достижение заданного момента времени. Для него фиксируют размеры и конфигурацию зоны протаивания многолетнемерзлых пород, определяют осадку пород и строят масштабный профиль термокарстовой воронки в приустьевой зоне скважины.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет точно и достоверно определять значения размеров ореолов и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на заданный момент времени при нестационарном состоянии температурного поля с учетом влияния теплообмена с атмосферой и осадки оттаивающих многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации скважины, что позволяет, в свою очередь, своевременно и оптимально решать проблемы предотвращения различного рода деформации конструкций, обеспечения устойчивости ствола скважины, надежности функционирования прискважинного оборудования в течение всего срока эксплуатации месторождения углеводородного сырья в зоне распространения многолетнемерзлых пород.

Источники информации:
1. Б.Б.Кудряшов, А.М.Яковлев. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. "Недра", Л., 1973, с.23-25.

2. Инженерная геокриология. Справочное пособие. Под ред. Э.Д.Ершова, "Недра", М., 1991, с.186-188.

Формула изобретения

1. Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины, включающий проведение стандартных теплофизических исследований свойств грунтов и термометрических измерений и определение на основании полученных исходных параметров теплового взаимодействия скважины с многолетнемерзлыми породами, отличающийся тем, что тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами определяют путем решения численными методами на основе математического моделирования для периода времени с момента пуска скважины до окончания сезона летнего оттаивания грунтов нестационарного уравнения теплопроводности

где Т - температура, ^oС;
r - радиальная координата, м;
Z - продольная координата, м;
ρ - плотность, кг/м³;
C - удельная теплоемкость пород, Вт·ч/кг·^oС),
λ - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м·^oС),
τ - время, ч,
снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах и определяют размеры зоны протаивания, для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки оттаявших пород в приустьевой зоне скважины за расчетный период на различном удалении от скважины по формулам
ΔS = AH+S_τ,
где ΔS - суммарная величина осадки оттаявших пород, м;
А - коэффициент оттаивания, б/р;
Н - мощность оттаявших слоев, м;
S_τ - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м, S_τ = S_ст · U_z, где U_z - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р, S_ст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м, S_ст = 0,5a_c · g γ_взв · H², где a_c - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па^-1, g - ускорение силы тяжести, м/с², γ_взв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м³, γ_взв= γ_c·(γ_s-γ_в)/γ_s, где γ_s - плотность частиц скелета грунта, кг/м³, γ_c - плотность сухого грунта, кг/м³, γ_в - плотность воды, кг/м³,

где N_в - коэффициент, вычисляемый по формуле N_b= 0,25π·C_v·τ/H², где τ - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч, C_v - коэффициент консолидации, м²/ч, вычисляемый по формуле, где K_ф - коэффициент фильтрации оттаявшего грунта, м/ч,
определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся термокарстовой воронки, затем в соответствии с рассчитанной величиной осадки оттаявших пород изменяют конфигурацию расчетной области тепловой модели и повторяют вышеописанные операции для следующего годового цикла, при этом циклы расчетов повторяют до достижения заданного момента времени.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при условии несовпадения заданного момента времени с временем окончания летнего протаивания многолетнемерзлых пород расчет осадки пород и построение масштабного профиля термокарстовой воронки осуществляют на заданный момент времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4