CC BY
23
УДК 622.01
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОИЗОЛИРОВАННОЙ ЛИФТОВОЙ КОЛОННЫ ГАЗОВОЙ СКВАЖИНЫ В КРИОЛИТОЗОНЕ НА ОСНОВАНИИ ЧИСЛЕННОГО ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Дмитрий Игоревич Михальченко
Инженерно-технический центр ООО «Газпром добыча Надым», 629730, Россия, г. Надым, ул. Полярная, 1, инженер службы геотехнического мониторинга, тел. (922)479-82-29, e-mail: [email protected]
Представлены результаты промысловых исследований эффективности теплоизолированных лифтовых труб (ТЛТ), используемых для снижения теплового воздействия газодобывающих скважин на многолетнемерзлые породы. В целях интерпретации полученных данных выполнен анализ развития тепловых процессов в муфтовой зоне ТЛТ посредством численного теплотехнического моделирования.
Ключевые слова: теплоизолированная лифтовая труба (ТЛТ), теплофизические характеристики, муфтовое соединение, многолетнемерзлый грунт, мониторинг.
NUMERICAL THERMAL ANALYSIS OF PERFORMANCE OF VACUUM INSULATED TUBING STRING OF GAS WELL IN PERMAFROST
Dmitry I. Mikhalchenko
Engineering Center, Gazprom Dobycha Nadym LLC, 629730, Russia, Nadym, Polyarnaya Str. 1, Engineer of department of geotechnical monitoring, tel. (922)479-82-29, e-mail: [email protected]
The article reviews results of field studies of vacuum insulated tubing (VIT) used to reduce thermal influence of gas wells on permafrost soils. In order to interpret field data, numerical thermal analysis of VIT coupling zone is conducted.
Key words: vacuum insulated tubing (VIT), thermal properties, coupling, permafrost soil, monitoring.
Освоение газоконденсатных месторождений в условиях криолитозоны сопряжено с рядом проблем в области обеспечения эксплуатационной надежности газовых скважин (ГС). Интенсивное тепловое влияние добываемого продукта сопровождается образованием и развитием вокруг ствола скважины кольцевого концентрического фронта оттаявших многолетнемерзлых пород (ММП), что, в зависимости от сложности криогенного строения верхней части разреза, может привести к формированию термокарстовой просадки грунта в устьевой зоне и обрушению стенок скважины. Следствием данных процессов может являться широкой спектр осложнений: продольные изгибы обсадных колонн из-за потери устойчивости в воронке оттаивания, нарушение герметичности обсадных колонн и фонтанной арматуры, деформации трубопроводов скважинной обвязки [1].
Данная проблема особенно актуальна при эксплуатации скважинного фонда Бованенковского месторождения (БНГКМ), для территории которого
характерно повсеместное распространение сильнольдистых ММП с включениями залежей пластового и жильного льда, дающих значительные просадки при оттаивании. В связи с этим для снижения тепловой нагрузки на ММП проектными решениями предусмотрено применение в верхней части конструкции скважин БНГКМ теплоизолированных лифтовых труб (ТЛТ) взамен стандартных насосно-компрессорных (НКТ).
ТЛТ представляет собой конструкцию из двух концентрично расположенных стальных труб, сваренных по торцам, с кольцевым зазором между ними (рис. 1). Кольцевая полость вакуумируется и заполняется экранирующим материалом для предотвращения теплообмена излучением. Лифтовая колонна, собранная из ТЛТ, обладает низкими значениями коэффициента теплопроводности (X) в диапазоне 0,008-0,016 Вт/м°С (против X -47 Вт/м °С у обычной стальной НКТ), что позволяет существенно сократить мощность тепловых потоков от скважины в толщу мерзлых пород.
Рис. 1. Конструкция ТЛТ в разрезе. 1 - внешняя труба; 2 - внутренняя труба;
3 - кольцевая вакуумируемая полость; 4 - муфтовый вкладыш;
5 - зона муфтового соединения
Необходимо заметить, что в силу конструктивных особенностей для ТЛТ характерны повышенные теплопотери в зоне муфтового соединения двух соседних секций лифтовой колонны. Для теплоизоляции данных участков применяются муфтовые вкладыши из полимерных материалов (как правило, фторопласта, Х-0,25 Вт/м°С).
Для контроля теплоизоляционных характеристик ТЛТ в устьевых зонах ряда газовых скважин БНГКМ организован мониторинг температурного режима грунтов. С помощью стационарно установленной измерительной
3
/
/
аппаратуры (термозондов) ежедневно регистрируются значения температуры грунтов в трубках-сателлитах, обустроенных на стенке внешней обсадной трубы на контакте с массивом ММП.
На рис. 2 приведена температурная кривая, характеризующая температурное состояние ММП устьевой зоны ГС № 4603 БНГКМ на период максимального оттаивания (конец теплого периода года).
Температура, °С
-6,0 -5,0 -4,0 -3,0 -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0
0,0 2,0 4,0 6,0 * 8,0
к 10,0
ю
£ 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0
Рис. 2. Температура в трубке-сателлите ГС № 4603 БНГКМ
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что, хотя на большей части длины лифтовой колонны мерзлое состояние ММП обеспечивается, в зоне муфтового соединения фиксируется формирование крупного участка оттаивания. При длине муфтой зоны порядка 0,2 м размер области ее теплового влияния даже с учетом наличия изолирующего муфтового вкладыша достигает нескольких метров, что значительно превышает предварительные оценки.
В целях интерпретации результатов промыслового мониторинга с помощью специализированного
конечно-элементного программного комплекса выполнен численный анализ развития тепловых процессов в зоне муфтового соединения ТЛТ при взаимодействии скважины с ММП. Фрагмент расчетной модели приведен на рис. 3.
Теплотехнический расчет
выполнен в стационарной постановке.
На внутренней трубе ТЛТ задана постоянная температура 30 °С, соответствующая устьевой температуре газа для продуктовых пластов ТП1_6 БНГКМ. На внешней границе цементного кольца на контакте с ММП задана варьирующая по глубине температура грунтового массива. Коэффициент теплопроводности изоляции ТЛТ принят равным 0,008 Вт/м °С.
В рамках теплотехнического моделирования рассмотрено 4 варианта конструкции муфтовой зоны ТЛТ.
1. Типовая конструкция муфтовой зоны, предполагающая наличие муфтового вкладыша из фторопласта и стальных сварных швов по торцам труб.
2. Вариант конструкции муфтовой зоны, предполагающий применение муфтового вкладыша из материала с теплопроводностью, равной теплопроводности вакуумной прослойки ТЛТ (Х=0,008 Вт/м °С).
3. Вариант конструкции муфтовой зоны, предполагающий отсутствие теплового потока через сварные швы по торцам труб.
4. В качестве эталонного варианта для тех же граничных условий выполнен расчет участка ТЛТ, расположенного вне зоны муфтового соединения.
По результатам моделирования (рис. 4) установлено, что основные теплопотери в муфтовой зоне происходят не через муфтовый вкладыш, а через металл сварных швов по торцам труб. При этом происходит интенсивное распространение теплоты по наружной стенке внешней трубы ТЛТ в вертикальном направлении. Суммарная длина зоны теплового влияния муфты составляет около 4 м, что согласуется с экспериментальными данными.
Температура, °С
—■— ТЛТ вне муфтовой зоны —а— Типовая конструкция ТЛТ -♦—Вакуумная изоляция муфты —•—Изоляция сварного шва
Рис. 4. Результаты теплотехнического моделирования. Распределение температуры по стенке внешней обсадной трубы для различных вариантов
конструкции ТЛТ
Исключение теплового потока через сварные швы позволяет значительно приблизить форму температурной кривой к эталонной прямой, соответствующей участку ТЛТ вне муфтовой зоны. В то же время снижение коэффициента теплопроводности материала муфтового вкладыша оказывает незначительное влияние на суммарную величину теплопотерь через зону муфтового соединения.
Описанные работы по промысловому мониторингу и численному моделированию выполнены в рамках разработки методики определения коэффициента теплопроводности изоляции ТЛТ в промысловых условиях ввиду невозможности непосредственной регистрации значений данного параметра с помощью измерительной аппаратуры. Важным следствием полученных данных является невозможность достоверного определения величины коэффициента теплопроводности изоляции ТЛТ по указаниям СТО Газпром 2-3.2-174-2007 [2] вследствие неучета теплового потока в вертикальном направлении. Для корректного решения данную задачу необходимо решать как минимум в двухмерной постановке, что возможно только при использовании специализированного программного обеспечения.
Полученные данные будут учтены на следующем этапе работ по разработке методики экспресс-оценки коэффициента теплопроводности изоляции ТЛТ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Попов А.П. Управление геотехническими системами газового комплекса в криолитозоне: прогноз состояния и обеспечение надёжности: дис. ... д-ра тех. наук. -Тюмень, 2005. - 184 с.
2. СТО Газпром 2-3.2-174-2007. Технические требования к теплоизолированным лифтовым трубам. - Введ. 27.03.2008. - М.: ИРЦ Газпром, 2008. - 30 с.
© Д. И. Михалъченко, 2016
