Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины
Патент 2157882
Авторы
Классы МПК
Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины
Реферат
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, - плотность, кг/м3, С - удельная теплоемкость пород, Втч/(кгoC), - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(мoC), - 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 S = AH+S, (2) где S - суммарная величина осадки оттаявших пород, м, А - коэффициент оттаивания, б/р, Н - мощность оттаявших слоев, м, S - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м, S = SстUz, (3) где Uz - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р, Sст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м, Sст= 0,5acgвзвH2 (4), где аc - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па-1, g - ускорение силы тяжести, м/с2, взв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м3, взв= c(s-в)/s (5), где s - плотность частиц скелета грунта, кг/м3, c - плотность сухого грунта, кг/м3, в - плотность воды, кг/м3, Uz= 1-8-2e-Nb (6), где Nb - коэффициент, вычисляемый по формуле: Nb= 0,25Cv/H2 (7), - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч, CV - коэффициент консолидации, м2/ч, вычисляемый по формуле: CV = Kф/(ac gвзв), (8) где Кф - 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 0oC 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, - плотность, кг/м3, С - удельная теплоемкость пород, Втч/(кгoC), - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(мoC), - 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: S = AH+S, (2) где S - суммарная величина осадки оттаявших пород, м, А - коэффициент оттаивания, б/р, Н - мощность оттаявших слоев, м, S - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м, S = Sст Uz, (3) где Uz - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р, Sст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м, Sст = 0.5 ac gвзвH2, (4) где аc - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па-1, g - ускорение силы тяжести, м/с, взв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м3, взв= c(s-в)/s, (5) где s - плотность частиц скелета грунта, кг/м3, c - плотность сухого грунта, кг/м3, в - плотность воды, кг/м3, Uz= 1-8-2 e-Nb, (6) где Nb - коэффициент, вычисляемый по формуле: Nb= 0,25Cv/H2 (7), где - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч, CV - коэффициент консолидации, м2/ч, вычисляемый по формуле: CV =Кф/(ас g взв), где Кф - 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; - плотность, кг/м3; C - удельная теплоемкость пород, Втч/кгoС), - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(мoС), - 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 S = AH+S, где S - суммарная величина осадки оттаявших пород, м; А - коэффициент оттаивания, б/р; Н - мощность оттаявших слоев, м; S - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м, S = Sст Uz, где Uz - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р, Sст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м, Sст = 0,5ac g взв H2, где ac - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па-1, g - ускорение силы тяжести, м/с2, взв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м3, взв= c(s-в)/s, где s - плотность частиц скелета грунта, кг/м3, c - плотность сухого грунта, кг/м3, в - плотность воды, кг/м3, где Nв - коэффициент, вычисляемый по формуле Nb= 0,25Cv/H2, где - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч, Cv - коэффициент консолидации, м2/ч, вычисляемый по формуле, где Kф - 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