CC BY
20
---------------------------------- © A.C. Хрулев, Ю.Л. Филимонов,
С.С. Роднов, Ю.Г. Шайкина, 2007
УДК 622.241
А.С. Хрулев, Ю.Л. Филимонов, С.С. Роднов,
Ю.Г. Шайкина
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СКВАЖИННОЙ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ РАЗРАБОТКИ ПОГРЕБЕННЫХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПЕСЧАНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Семинар № 18
Интенсивное развитие газодобывающего комплекса на Севере Тюменской области определяет рост потребности в природных строительных материалах, достигающей сотен миллионов кубических метров.
Анализ геологического строения покрывающих осадочных пород на территории газоконденсатных месторождений Ямала показывает, что запасы песчаных пород, залегающих вблизи поверхности, ограничены и не обеспечивают потребности в песке при освоении этих месторождений. Пески имеют низкое качество и нередко удалены от объектов строительства. В тоже время в ходе инженерно-геологических изысканий выявлены значительные запасы мерзлых погребенных песчаных отложений, залегающих на глубине 15-30 м и перекрытых глинами, суглинками и пластовым льдом. Мощность песчаных отложений колеблется от 20 до 100 м и их залегание прослеживается на значительные расстояния.
Эффективная разработка погребенных песчаных отложений возможна способом скважинной гидродобычи (СГД), который позволит извлекать
песок в непосредственной близости от объектов строительства.
Основываясь на опыте разработки многолетнемерзлых погребенных россыпей, была предложена технологическая схема скважинной гидродобычи, основанная на водно-тепловом разрушении мерзлых песчаных отложений (рис. 1). Добыча песка ведется через наклонную скважину диаметром около 300 мм, пробуренную под углом 300 к вертикали. Вода из наземного водоема, нагреваемая от солнечной радиации, насосом подается в нижнюю часть скважины. В результате теплообмена с мерзлыми песчаными породами происходит оттаивание песка и его осаждение на дне подземной камеры. Гидросмесь песка эрлифтом поднимается на поверхность и направляется на карту намыва для складирования песка, а отделяющаяся вода возвращается в водоем. В зависимости от температуры воды в водоеме, составляющей от 6 до 140С, и льдистости песчаных пород, удельный расход на водно-тепловое разрушение может составлять от 30 до 10 м3/м3 добытого песка, поэтому, после теплообмена в подземной камере, основное количество подаваемой в
Рис. 1. Принципиальная технологическая схема скважинной гидравлической разработки многолетнемерзлых песчаных отложений
скважину воды не поднимается эрлифтом на поверхность, а по скважине и водоотводной канаве самотеком возвращается в наземный водоем. Это позволяет повысить уровень затопления эрлифта и снизить затраты воздуха на подъем гидросмеси песка. Наклон скважины под углом 30 к вертикали обеспечивает безопасное ведение добычных работ вне зоны под-
работанного пространства подземной камеры и не приводит к существенному снижению производительности эрлифта.
Целью проводимого исследования являлось определение основных параметров СГД мерзлых погребенных песков по предложенной технологической схеме.
Программа работ включала:
Рис. 2. Динамика отработки камеры: а) непрерывная схема; б) циклическая схема
• Моделирование процесса оттай-ки массива мерзлых песков при непрерывной и циклической подаче воды и удалении оттаявших песков из подземной камеры.
• Расчет теплового баланса в подземной камере.
• Расчет устойчивости затопленной и незатопленной подземной камеры.
В качестве метода исследования принято физическое моделирование на плоской модели. Для гидродинамического и теплового подобия использовался мелкозернистый песок той же крупности, льдистости и температуры, что и в натурных условиях, и теплоноситель, температура и расход которого определялся критериями подобия. Модельная установка была выполнена из оргстекла, разме-
ром 1300 х 700 и шириной 80 мм. В модели послойно намораживался водонасыщенный песок высотой 400 мм, и пластовый лед высотой 200 мм. Вода подавалась в нижнюю часть модели по наклонному водоводу, установленному под углом 300 к вертикали, а отбор оттаявшего песка из камеры производился через дно модели в мерную емкость с использованием гидравлического затвора. Температура модели составляла около -5 С, а подаваемой воды 8-10 0С.
При проведении исследований через 15-30 минут фиксировались: расход воды, температура воды на входе в камеру, в камере и на выходе из нее, объем извлеченного песка и положение стенок гидродобычной камеры.
На рис. 2 показано изменение формы сечения подземной камеры при непрерывном и циклическом режиме подачи воды и отборе оттаявшего песка. Накопление песка в подземной камере при циклическом режиме приводит к замедлению оттайки в ее нижней части и уменьшению поверхности эффективного теплообмена на стенках камеры, что отражается на ее форме.
Для определения технологических параметров отработки подземной камеры рассчитывался тепловой баланс для модели и натурных условий, на основании которого, при принятых расходах и температуре теплоносителя, определялась производительность по песку.
- изменение температуры от -5° С до 0° С.
QB = Q,
плавл.льда
+ Q
нагрев песка
Q
нагрев песка
- количество тепло-
+0иагрев воды Опотери
• Ов- количество теплоты, отдаваемой водой в подземной камере, кДж/ч
<Зв = 1000*Св.* * ш
св= 4,19 кДж/кг*град - теплоемкость воды; Д^, град. - разность температуры на входе и выходе из подземной камеры; Ш, м3/ ч - расход воды.
• Оплавл. льда - количество теплоты, затраченное на плавление льда, кДж/ч
Q= в * П* т
плавл. льда = в П т
в - льдистость грунта, кГ/м3 (в= 285 кГ/м3); П - производительность по песку, м3/ч; Ь- удельная теплота плавления льда, кДж/м3 (т = 334 кДж/м3).
• Онагрев песка — количесТВо теплоты, затраченное на нагревание мерзлой породы от -5° С до 0° С, кДж;
Онагрев породы= 1000*СМ* Д±1 * П См = 2,0 кДж/кг*град - удельная теплоемкость мерзлой породы; Д12 , град
ты, затраченное на нагревание оттаявшего песка от 0° С до 4° С, кДж
Qнагрев песка=1000* Сп* Afe * П Сп= 2,9 кДж/кг*град- удельная теплоемкость талого песка; At3 , град - изменение температуры от 0° С до 4° С.
• Qnor^H - потери тепла в веч-
номерзлую толщу через стенки камеры сечением S, кДж Q = А * S
^потери — -Г*-
А = - X*grad t, кДж/м*ч - вектор плотности теплового потока; X - коэффициент теплопроводности (X = 7,52 кДж/м*ч*град); grad t - градиент температуры в мерзлом массиве, град/м; S- площадь поверхности теплообмена в камере, м2.
На рис. 3 и 4 приведены зависимости динамики изменения объема камеры и производительности по песку в процессе отработки при пересчете на натурные показатели. Средняя производительность по песку в течение первого месяца при непрерывной схеме (27 м3/ч) на 60 % выше, чем при циклической (17 м3/ч). При максимальном радиусе 25 м объем подземной камеры, создаваемой по непрерывной схеме (23 тыс. м3) в 2,3 раза превышает объем камеры, создаваемой по циклической схеме (10 тыс. м3). Таким образом, несмотря на снижение удельного расхода теплоносителя при циклической схеме, для условий Севера Тюменской области с коротким добычным сезоном целесообразно использовать непрерывную схему отработки подземной камеры.
При продолжительности добычного сезона 100-120 суток и мощности продуктивного пласта мерзлого песка 30 м одним скважинным снарядом за сезон можно отрабатывать две каме-
+
Рис. 3. Зависимость изменения объема камеры V от времени отработки Ь при непрерывной 1 и циклической 2 выемке песка
П, м3/ч
Рис. 4. Зависимость изменения производительности по твердому материалу от времени отработки Ь при непрерывной 1 и циклической 2 выемке песка
ры объемом по 30 тыс. м3. Сезонный объем добычи одним комплексом, состоящим из 10 скважинных снарядов, составит около 600 тыс. м3 песка.
На основе полученных геометрических параметров добычной камеры и свойств покрывающих пород и мерзлого массива был выполнен расчет устойчивости подземных камер.
Величина предельно устойчивого пролета камер определялась по результатам математического моделирования методом конечных элементов напряженно-деформированного состояния массива многолетнемерзлых пород в окрестности проектируемых выработок.
Рис. 5. Параметры устойчивости затопленной (а) и незатопленной (б) камеры
Прочностные и деформационные характеристики
покрывающих пород и мерзлого песка
№ эле- мента Интервал, м і ,0С Горная порола Расчетные параметры уравнения состояния Интенсивность касательных напряжений Скорость изменения интенсивности деформации сдвига
Пі, МПа с Пи, МПа с (7®, МПа г&Г ’ 1/с
1 0-10 -2,7 суглинок 5,9-108 4,4-1010 0,25 4-10-9
2 10-30 -2,7 лед 2,35-108 3,5-1010 0,8 0,5-10-8
3 30-100 -2,7 песок 14,9-108 10,58-1010 0,5 4-10-9
Расчеты велись по разработанной в ООО «Подземгазпром» методике оценки устойчивости выработок, имеющих форму осесимметричного тела, с учетом корректировки на основе эксплуатации опытных резервуаров.
Для оценки устойчивости проектируемой гидродобычной камеры
принималась модель массива, вмещающего полость. Для удобства выполнения расчетов асимметричная форма камеры была приведена к осесимметричной при сохранении её исходных значений высоты и максимального пролета.
Рассматривался породный массив, состоящий из трех слоев пород с различными свойствами, характеристики и расчетные параметры которых определены по результатам физикомеханических испытаний пластового льда и вмещающих его пород Бова-ненковской площади и приведены в таблице. Расчетная схема подземного резервуара представлена на рис. 5.
Решалась пространственная задача о деформировании весомой полубес-конечной среды, ослабленной полостью. При численном решении задачи в окрестностях полости выделялась
некоторая весомая область Э, границы которой находятся на расстоянии 2,5 Ь от поверхности полости, где Ь -наибольший ее пролет. На границах области задавались напряжения или перемещения, заменяющие внешние воздействия.
При выполнении расчетов давление по всей поверхности камеры принято равным давлению воды на глубине залегания потолочины. В результате расчетов получены значения напряжений, скоростей деформаций и скоростей перемещений в заданных точках окрестности выработки. Кроме этого определены перемещения всех приконтурных точек за год. Для затопленной гидродобычной камеры объемом 80 тыс. м3 и незатопленной камеры объемом 35 тыс. м3 области запредельного деформирования расчетом не выявлены. Конвергенция по результатам расчетов практически отсутствует.
В целом анализ и сопоставление результатов расчетов показывают,
что принятые нами параметры и форма гидродобычных камер вполне соответствуют критериям устойчивости.
Выполненные исследования показали, что применение предлагаемой технологической схемы будут эффективно при разработке погребенных многолетнемерзлых песчаных отложений.
Выявленные запасы погребенного песка и технология скважинной гидродобычи могут решить проблему обеспечения строящихся объектов при освоении газоконденсатных месторождений Ямала.
Предлагаемая технология скважинной гидродобычи позволяет не только добывать значительные объемы песка из скважины, но и формировать устойчивые подземные камеры объемом 10-30 тысяч м3, которые могут быть использованы при подземном хранении жидких углеводородов и захоронении промышленных отходов.
— Коротко об авторах-------------------------------------------------------------
Хрулев Александр Сергеевич - доктор технических наук, член-корр. РАЕН, начальник Отдела разработки мерзлых осадочных пород и сооружения подземных хранилищ, Филимонов Юрий Леонидович - кандидат технических наук, заведующий Лабораторией устойчивости подземных резервуаров,
Роднов Сергей Сергеевич - младший научный сотрудник,
Шайкина Юлия Григорьевна - младший научный сотрудник,
ООО «Подземгазпром».
