Меню

Термокейс труба в трубе

Бурение в вечной мерзлоте больше не проблема

В настоящее время основная часть новых месторождений нефти и газа разрабатывается в северных широтах на вечной мерзлоте. Освоение месторождений в таких условиях приводит к значительному повышению капитальных затрат, связанных с необходимостью предотвращения растепления многолетнемерзлых пород.

В настоящее время основная часть новых месторождений нефти и газа разрабатывается в северных широтах на вечной мерзлоте. Освоение месторождений в таких условиях приводит к значительному повышению капитальных затрат, связанных с необходимостью предотвращения растепления многолетнемерзлых пород.

Растепление вечномерзлых грунтов — серьезная проблема при бурении скважин в условиях Крайнего Севера

Традиционный путь решения проблемы растепления — увеличение расстояния между устьями скважин

Угроза повреждения дорогостоящего бурильного оборудования

Негативное влияние на экологию

Увеличение затрат на отсыпку грунтов

Повышение капитальных затрат на обустройство месторождений

Согласно неофициальным данным, воздействие на многолетнемерзлые породы (растепление) в результате бурения становится причиной 23% отказа технических систем и 29% потерь добычи нефти и газа (источник интернет-газета «Российские недра» http://rosnedra.info/projects/vechmerzlota/).

В случае слишком близкого расположения устьев скважин друг к другу, при эксплуатации происходит активное растепление окружающих пород, в результате чего возникают их просадки, обвалы, которые могут приводить к ряду осложнений и даже аварий в процессе бурения и эксплуатации скважин. Например, в результате образования протяженных каверн конструкция скважины может потерять продольную устойчивость и деформироваться.

Поэтому месторождения нефти и газа в северных широтах обустраиваются с достаточно большим расстоянием между устьями скважин. Например, на Заполярном и Ямбургском газовых месторождениях расстояние между кустовыми скважинам составляет 40 м. А ведь увеличение расстояния между устьями ведет к значительному увеличению капитальных затрат, в первую очередь на отсыпку грунтов. Толщина отсыпки традиционно составляет 1-2 метра. А учитывая то, что основная доля осваиваемых месторождений разрабатывается в удаленных и труднодоступных регионах, с учетом транспортировки песок на отсыпку становится, что называется, золотым.

Эта проблема может быть решена путем применения при бурении скважины термоизолирующего направления обсадной трубы производства ЗАО «Сибпромкомплект» (г. Тюмень).

Сближение устьев скважин значительно уменьшает расходы на отсыпку кустовых площадок из-за существенного уменьшения размеров самой площадки. За рубежом при разработке месторождений в зоне вечной мерзлоты, применяют технологии, позволяющие максимально уменьшить размеры кустовых площадок. Например, при бурении месторождений на Аляске, расстояние между устьями составляло 9-15 м (сравните с 40 метрами в Ямбурге!). Там использовались теплоизолированные конструкции нефтяных скважин, предотвращающие интенсивное оттаивание многолетнемерзлых пород вокруг кустовых скважин и обеспечивающие эффективные тепловые режимы их эксплуатации.

Уникальное решение

Термоизолирующее направление обсадной трубы, другими словами, термокейс — запатентованная (патент №74415) технология тюменского завода «Сибпромкомплект» — одного из ведущих российских производителей трубопроводов в заводской изоляции.

Колонна изготавливается из стальных труб диаметром Ø530 и 820 мм (возможно изготовление других размеров) по технологи «труба в трубе» с заливкой межтрубного пространства теплоизолирующим материалом — пенополиуретаном (ППУ).

Конструкция длиной 24 м. состоит из двух секций — верхней и нижней, соединяемых при помощи фланцев или сварным швом. Нижний элемент снабжен крепежом для временного крепления опорных деталей, упирающихся в устье скважины при установке колонны. Место соединения элементов теплоизолируется пенополиуретановыми скорлупами, далее устанавливается стальная обечайка и стягивается хомутами. После завершения монтажа опорные детали снимаются, и колонна устанавливается в рабочее положение. Пространство между колонной и скважиной заполняется цементным раствором.

Рекомендуется при неглубоких слоях многолетнемерзлых грунтов — до 30 м. Температура применения — до -60°С.

Опыт применения

В России теплоизолирующие конструкции обсадных труб вызывают большой интерес среди специалистов отрасли, однако применяются еще редко, ввиду неширокой известности.

С 2008 г. такая технология для добычи нефти успешно используется на Ванкорском нефтяном месторождении в Красноярском крае.

Отзыв ЗАО «Ванкорнефть» (дочерняя компания ОАО «НК «Роснефть»):

ЗАО «Ванкорнефть» уже более 4 лет активно сотрудничает с ЗАО «Сибпромкомплект» в части поставок труб и деталей трубопроводов для Ванкорского производственного участка.

Среди широкого спектра продукции, поставляемой ЗАО «Сибпромкомплект», хочется отметить термоизолирующие направления для обустройства устьев скважин, они отлично зарекомендовали себя на вечной мерзлоте.

Использование термоизолирующих направлений применяется для стабилизации грунтов под укрытием скважин. Кроме того, использование термоизолирующих направлений с применением пенополиуретана, эффективно с экономической точки зрения, в частности, выгоднее чем применение тампонажных бетонов.

Поэтому ЗАО «Ванкорнефть» активно заказывает указанную продукцию и планирует заказывать ее и в будущем.

На сегодняшний день ЗАО «Сибпромкомплект» осуществляет выполнение крупного заказа для обустройства Новопортовского нефтегазоконденсатного месторождения (ОАО «Газпром нефть»).

Читайте также:  Как промыть трубы канализации в квартире

Преимущества

Сравнение капитальных затрат на обустройство оснований кустовых площадок

Типовая конструкция скважины с применением

Нетермоизолирующее направление обсадной трубы

Термоизолирующее направление обсадной трубы (термокейса)

Допустимое расстояние между устьями скважин (согласно проектному расчету)

Источник

Определение минимальной длины термокейса при выбранном расстоянии между скважинами

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2019 — № 2(12). – С. 66-70

Е.А. Посконина, А.Н. Курчатова, к.г.-м.н.
АО «Мессояханефтегаз»

Ключевые слова: многолетнемерзлые грунты, скважина, термокейс, прогнозные расчеты, температурный режим грунтов основания

При эксплуатации скважин происходит растепление пород в пределах мерзлой толщи, их просадка и формирование приустьевой воронки вблизи земной поверхности, что впоследствии может привести к нарушению устойчивости колонны скважины при ее возможных горизонтальных перемещениях. Эффективным решением данной проблемы, позволяющим сократить зону растепления многолетнемерзлых грунтов вокруг скважины, является применение термокейса. На примере кустовых площадок месторождения были установлены критерии для определения минимальной длины термокейса, определена минимальная длина термокейса при выбранном расстоянии между скважинами. Для решения поставленных задач выполнены прогнозные расчеты температурного режима грунтов.

Determination of the minimal thermocase length depending on well spacing

PRONEFT». Professional’no o nefti, 2019, no. 2(12), pp. 66-70

E.A. Poskonina, A.N. Kurchatova
Messoyakhaneftegaz JSC, RF, Tyumen

Keywords: permafrost, well, thermocase, forecast modeling, soil base temperature regime

Thawing of frozen ground, surface subsidence and formation of funnels in wellhead area during operation can lead to stability disturbance of wellbore and its lateral displacement. Effective solution of this problem which helps to minimize thawing area around well is use of insulated tubing (thermocase). The article presents the results of forecast modeling of soil bases temperature regime. The minimal length of thermocase depending on well spacing and criteria for its determination were set for multiple well pads of Vostochno-Messoyakhskoe field.

Введение

Тепловое воздействие, возникающее при эксплуатации добывающих скважин, является серьезной проблемой при разработке месторождений в условиях Крайнего Севера. В данном случае происходят вытаивание льда, содержащегося в мерзлом грунте, проседание грунта и формирование приустьевой воронки вблизи земной поверхности, что может привести к нарушению устойчивости колонны скважины при ее возможных горизонтальных перемещениях. Это обусловлено тем, что прочностные и деформационные характеристики грунта в мерзлом и талом состояниях существенно отличаются друг от друга.

Анализ результатов мониторинга, проводимого на газоконденсатных месторождениях в Арктике, показывает, что при регулярной подсыпке песчаного грунта формирование приустьевых воронок прекращается в первые 3-5 лет, но для кустовых площадок с высокой льдистостью мерзлой толщи ситуация не стабилизируется: происходит ежегодное образование воронок. Диаметр воронок составляет, как правило, 1,5-2,5 м, глубина – от 0,5 до 1,0 м, иногда больше [1].

В отдельных случаях при слиянии ореолов протаивания соседних скважин мульдообразные просадки охватывают значительную часть площадки, вызывая деформации не только фонтанной арматуры, но и технологического трубопровода. Увеличение расстояния между устьями скважин с целью предотвращения подобных осложнений приводит к возрастанию объемов отсыпки под кустовую площадку, что может значительно увеличить трудозатраты и стоимость строительства.

Эффективным решением данной проблемы, позволяющим уменьшить зону растепления мерзлых грунтов вокруг скважин, является применение теплоизолирующих направлений (термокейсов). При этом были поставлены следующие задачи:

  • установление критериев для определения минимальной длины термокейса;
  • определение минимальной длины термокейса при выбранном расстоянии между скважинами;
  • экономическое сравнение полученных вариантов.

Для решения данных задач проведены прогнозные расчеты температурного режима грунтов оснований скважин.

Прогнозные расчеты температурного режима грунтов оснований

Минимальное расстояние между устьями соседних скважин определяется Федеральными нормами и правилами в области промышленной безопасности «Правила безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (утверждены приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору № 101 от 12.03.2013 г.). В нормативно-методических документах, регламентирующих строительство и эксплуатацию скважин в мерзлых грунтах, предусматривается, что радиусы их оттаивания вокруг устьев соседних скважин не должны сливаться в течение всего периода эксплуатации. Однако требования к выполнению прогнозных расчетов теплового взаимодействия скважин с мерзлыми грунтами отсутствуют. Единственный документ по составлению прогноза изменений температурного режима многолетнемерзлых грунтов численными методами РСН 67-87 введен в действие в 1988 г., и в настоящее время представленные в нем требования частично устарели.

Читайте также:  Вес трубы ппр 75

Отсутствие единой методики часто приводит к ошибкам при выборе алгоритма выполнения прогнозных расчетов. Причины некорректных расчетов заключаются в следующем.

  1. Не учитывается взаимное влияние скважин. Радиусы растепления, определенные для одной скважины и для кустового расположения, существенно различаются. При кустовом расположении скважин слияние зон оттаивания между соседними скважинами происходит тем раньше, чем меньше расстояние между устьями скважин.
  2. При определении коэффициента теплопередачи от скважины не учитывается конвекция газа в пространстве между НКТ и эксплуатационной колонной.
  3. Не учитывается влияние климатических параметров (температуры воздуха, снежного покрова, скорости ветра), которые определяют сезонное изменение температурного режима грунтов в слое годовых колебаний толщиной до 15 м.
  4. Неправильный выбор условий и начальной температуры грунта.

Следует отметить, что при проектировании конструкции эксплуатационных скважин в мерзлых толщах прогнозные расчеты температурного режима грунтов часто выполняются на основе результатов инженерных изысканий только до глубины 15 м без учета фактической толщины льдистых грунтов по разрезу.

Для повышения надежности конструкции скважин в центральной части Восточно-Мессояхского месторождения было пробурено пять параметрических скважин до глубины 100 м с отбором ненарушенного кернового материала с целью оценки физико-механических свойств мерзлых грунтов. По результатам бурения и лабораторных исследований на территории месторождения определены типовые разрезы мерзлых толщ. На останце V морской равнины в пределах южной части лицензионного участка разрез представлен глинистыми слабольдистыми малосжимаемыми грунтами с практически однородными физико-механическими свойствами. Напротив, в пределах озерно-аллювиальной равнины в центральной части месторождения установлена значительная изменчивость строения мерзлой толщи песчаного состава, что обусловлено блоковым строением территории и, как следствие, различным положением глинистого цоколя в разрезе.

Максимальная толщина песчаных грунтов, преимущественно льдистых и сильнольдистых в верхней части разреза, по результатам бурения составила 60 м. Прогнозные расчеты температурного режима грунтов оснований выполнены для глинистого и песчаного типов разрезов до глубины 70 м. Начальное распределение температуры грунтов в области моделирования принято по результатам геотермических наблюдений в параметрических мерзлотных скважинах.

На Восточно-Мессояхском месторождении конструкция скважин для пласта БУ состоит из эксплуатационной колонны, технической колонны и кондуктора. Межтрубное пространство заполняется цементом. Для теплоизоляции скважины применен термокейс, представляющий собой конструкцию из двух стальных труб с заполнением межтрубного пространства теплоизолирующим материалом – пенополиуретаном (рис. 1). Температура флюида для добывающих скважин принята равной 30 °С, для нагнетательных – 40 °С.

Рис. 1. Конструкция скважины

Прогнозные расчеты температурного режима грунтов оснований скважин для пласта БУ на территории Восточно-Мессояхского месторождения выполнены в программном комплексе Frost 3D Universal [2–4]. Рассматриваемая область моделирования (рис. 2) является трехмерной. На нижней и боковых гранях расчетной области задается нулевой тепловой поток, что соответствует условию симметрии (граничные условия (ГУ) второго рода). На верхней грани расчетной области задается динамическое изменение ГУ с течением времени, позволяющее учесть все виды теплообмена и термическое сопротивление снежного покрова. Скважины моделируются ГУ третьего рода: задаются температура флюида и коэффициент теплопередачи. Учитывается взаимное тепловое влияние скважин при их кустовом расположении.

Определение минимальной длины термокейса

В качестве типового решения на кустовых площадках Восточно-Мессояхского месторождения принято расстояние между скважинами 14 м. Для скважин, пробуренных на пласт БУ, применяются термокейсы длиной 60 м. Чтобы оценить возможность уменьшения длины термокейса или расстояния между скважинами, были выполнены расчеты температурного режима грунтов в приустьевой зоне скважин на 25 лет эксплуатации при расстоянии между скважинами 14 и 12 м и различной длине термокейса (60, 48, 36 и 24 м).

Результаты расчетов приведены на рис. 3, 4.

Рис. 3. Изменение радиуса оттаивания на глубине 15 м для добывающей (а) и нагнетательной (б) скважин при длине термокейса 60 м

Из рис. 3 видно, что радиус оттаивания увеличивается при повышении температуры флюида и уменьшении расстояния между скважинами. Глубина смыкания радиусов оттаивания уменьшается при сокращении расстояния между скважинами, увеличении температуры флюида и уменьшении длины термокейса (см. рис. 4). Сокращение расстояния между скважинами с 14 до 12 м приводит к уменьшению мерзлого ядра. При длине термокейса 24 м наблюдается слияние радиусов растепления.

Рис. 4. Изменение глубины смыкания радиусов оттаивания при расстоянии между скважинами 12 м (а) и 14 м (б)

Результаты выполненных расчетов оценки теплового влияния скважин на мерзлые грунты в случае отсутствия термокейсов показали, что при расстоянии между скважинами 14 м слияние радиусов растепления происходит на шестой год эксплуатации, при расстоянии 12 м – на четвертый. Выбор расстояния между скважинами и длины термокейса обычно обусловливается только мерзлотным критерием, т.е. условием, что радиусы оттаивания пород вокруг устьев соседних скважин не должны сливаться в течение всего периода эксплуатации. Однако в процессе эксплуатации скважин в сложных геокриологических условиях протаивание часто сопровождается разрушением мерзлых пород в околоствольном пространстве, обвалами грунта на устье, смятием обсадных колонн и перекосом фонтанной арматуры (фактические данные по деформациям крепи скважин для Ямбургского и Ванкорского месторождений приведены в работе [5]). В связи с этим необходимо также учитывать региональный критерий, представляющий собой инженерно-геокриологические условия района (строение разреза мерзлой толщи, физико-механические свойства и льдистость грунтов).

Читайте также:  Какая масса газа в трубе

Допустимая длина термокейса была определена исходя из следующих условий:

  • радиусы оттаивания не сливаются в пределах глубины залегания льдистых грунтов (30 м для данного района);
  • длина термокейса больше глубины залегания льдистых грунтов;
  • основание термокейса находится в глинистых малосжимаемых грунтах, сохраняющих свою прочность при оттаивании.

Таким образом, по приведенным данным можно сделать заключение, что при расстоянии между скважинами 12 м нельзя обеспечить эксплуатационную надежность скважин, пробуренных на пласт БУ. При расстоянии между скважинами 14 м возможно применение термокейсов длиной 48 м, если основание термокейсов будет находиться в глинистых малосжимаемых грунтах.

Экономическая целесообразность предложения

Согласно результатам расчета экономического эффекта уменьшение длины термокейса стоимостью 49 тыс. руб/м с 60 до 48 м приводит к сокращению капитальных вложений в среднем на 4,7 млн руб. (с 23,520 до 18,816 млн руб.) на одну кустовую площадку, включающую восемь скважин, т.е. затраты на закупку и монтаж термокейсов снижаются на 20 %.

Заключение

Для обоснования конструкции и расположения добывающих и нагнетательных скважин в мерзлых толщах обязательным является выполнение прогнозных расчетов температурного режима грунтов. При создании расчетной модели особое внимание должно уделяться выбору исходных данных:

  • параметры теплообмена должны учитывать сезонное изменение температурного режима грунтов на поверхности, взаимное влияние скважин при кустовом размещении, а также конвекцию газа в межколонном пространстве;
  • свойства и льдистость грунтов должны выбираться по данным бурения параметрических скважин в мерзлой толще территории месторождения, а не по результатам инженерных изысканий, выполненных до глубины 15 м.

Наличие данных параметрического мерзлотного бурения на территории ВосточноМессояхского месторождения, а также выполненные прогнозные расчеты температурного режима грунтов позволили сделать вывод о возможности уменьшения длины термокейса для ряда кустовых площадок. Сокращение длины термокейсов на 12 м (длина одной секции) снижает капитальные вложения в их закупку и монтаж на 20 %.

Список литературы

  1. Горелик Я.Б., Солдатов П.В., Селезнев А.А. Инженерно-геокриологические условия Ямбургского газоконденсатного месторождения и динамика состояния кустовых площадок эксплуатационных скважин // Криосфера Земли, 2015, т. XIX, № 1, с. 58–69.
  2. СП 25.13330.2012 Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. Актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88 (с Изменением N1).
  3. СП 131.13330.2012 Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменением N2).
  4. СТО Газпром 2-2.3-435-2010 Проектирование оснований, фундаментов, инженерной защиты и мониторинга объектов ОАО «Газпром» в условиях Крайнего Севера.
  5. Горелик Я.Б., Солдатов П.В. Метод расчета вертикальной нагрузки на крепь скважины при оттаивании вмещающих мерзлых пород // Криосфера Земли, 2018, т. XXII, № 2, с. 50–60.

Reference

  1. Gorelik Ya.B., Soldatov P.V., Seleznev A.A., Engineering and geocriological conditions of the Yamburg gas and condensate reservoir and dynamics of the ground state of boreholes (In Russ.), Kriosfera Zemli, 2015, V. XIX, no. 1, pp. 58–69.
  2. SP 25.13330.2012. Osnovaniya i fundamenty na vechnomerzlykh gruntakh (Foundations and foundations on permafrost soils).
  3. SP 131.13330.2012. Stroitel’naya klimatologiya (Construction climatology).
  4. STO Gazprom 2-2.3-435-2010. Proektirovanie osnovaniy, fundamentov, inzhenernoy zashchity i monitoringa ob»ektov OAO “Gazprom” v usloviyakh Kraynego Severa (Design of foundations, foundations, engineering protection and monitoring of objects of Gazprom in the conditions of the Far North).
  5. Gorelik Ya.B., Soldatov P.V., Method of calculation of axial load on the well’s casing during thawing of frozen host sediments (In Russ.), Kriosfera Zemli, 2018, V. XXII, no. 2, pp. 50–60.

Ссылка на статью в русскоязычных источниках:

The reference to this article in English is:

Источник

Adblock
detector