CC BY
33ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
УДК 622.013:622.276.344
В.Ю. Артеменков1; Б.А. Ерехинский1, e-mail: B.Erekhinskiy@adm.gazprom.ru; И.А. Заряев2
1 ПАО «Газпром» (Санкт-Петербург, Россия).
2 ООО «Скважинные термотехнологии» (Нефтекамск, Республика Башкортостан, Россия).
Применение теплоизолированных лифтовых труб в нефтегазодобывающей промышленности
В статье приведена краткая история создания промышленных технологий теплоизоляции типа «термокейс». Приведен опыт создания и промышленного производства теплоизолированных лифтовых труб (ТЛТ) с экранно-вакуум-ной изоляцией на российском предприятии. Обоснована актуальность применения ТЛТ при добыче нефти и газа. Приведен опыт применения ТЛТ на Бованенковском нефтегазоконденсатном месторождении для предотвращения оттаивания многолетнемерзлых пород (ММП) вокруг ствола скважины. Представлены теплофизические и эксплуатационные характеристики теплоизолированных лифтовых труб и требования, предъявляемые ПАО «Газпром» к работоспособности ТЛТ. Рассмотрены вопросы применения ТЛТ для предотвращения парафинообразования и гидратообразования в лифтовой колонне. Приведены схемы добычи нефти с применением ТЛТ. Также описано применение ТЛТ для закачки горячей воды или пара в скважину при добыче высоковязкой нефти. Обоснована актуальность применения ТЛТ в морских скважинах.
Ключевые слова: сосуд Дьюара, термокейс, теплоизолированные лифтовые трубы, многолетнемерзлые породы, теплофизические свойства, теплопроводность, экранно-вакуумная изоляция, гидратообразование в скважине, парафинообразование.
V.Yu. Artemenkov1; B.A. Erekhinskiy1, e-mail: B.Erekhinskiy@adm.gazprom.ru; I.A. Zaryaev2
1 Gazprom PJSC (Saint-Petersburg, Russia).
2 Skvazhinnye termotekhnologii LTD (Neftekamsk, Bashkortostan Republic, Russia).
The Usage of Insulated Lift Pipes in Oil and Gas Industry
The article presents a brief history of the creation of industrial technologies of thermal insulation of the type «termocase». The experience of creating and industrial production of insulated lift tubes (ILT) with screen-vacuum insulation in the Russian enterprise. The actuality of the usage of ILT in the upstream process of oil and gas is proved. The experience of the ILT usage at the Bovanenkovskoye oil and gas condensate deposit to prevent melting of permafrost rocks (PR) around shaft of well bore. The thermophysical and operational characteristics of insulated lift pipes and the requirements for Gazprom PJSC to the ILT productivity are presented. The article discusses the ILT application issues to prevent the paraffin precipitation and hydrate formation in the lift column. There are diagrams of oil production using the ILT. The usage of ILT for the hot water or steam injection into the well during the process of upstream of high viscosity oil. The actuality of ILT usage in marine wells is proved.
Keywords: Cryogenic storage dewar, termocase, insulated lift pipes, permafrost rock, thermophysical properties, thermal conductivity, screen-vacuum insulation, hydrates formation in a well, paraffin precipitation.
Применение вакуума для теплоизоляции началось в конце XIX в. При этом теплоизоляция требовалась не для сохранения температуры теплоносителя, а напротив, для того, чтобы предотвратить нагревание сжиженных газов, имеющих отрицательную температуру. Первые опыты с вакуумом, применяемым в качестве теплоизолятора, прово-
дил шотландский физик Джеймс Дьюар, получивший широкую известность в связи с работами по сжижению и низкотемпературным исследованиям газов, в рамках которых он и создал сосуд, впоследствии названый в его честь, - сосуд Дьюара. Данный сосуд представлял собой колбу с узким горлышком и двойными стенками, между которыми выкачан
воздух, а обе внутренние поверхности стеклянных стенок покрыты серебром для уменьшения теплопритоков. Дьюар не увидел коммерческих перспектив своего изобретения, а потому не запатентовал его [1, 2].
В отличие от шотландца стеклодув Р. Бюргер из Берлина разглядел в изобретении Дьюара коммерческий
40
№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
потенциал. Он усовершенствовал конструкцию, поместив хрупкий стеклянный сосуд в кожух из оцинкованного железа, и в 1903 г. получил патент на «сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними», основав фирму, получившую название Thermos GmbH. Бытовые сосуды Дьюара, за которыми прочно закрепилось название «термос», ставшее именем нарицательным, с тех пор практически не изменились. Промышленные технологии теплоизоляции типа «термокейс» получили свое развитие в ХХ в. и продолжают развиваться. Первые теплоизолированные (криогенные)трубопроводы с экранно-вакуумной изоляцией создавались для заправки космических ракет на стартовых комплексах: по ним в баки подавали криогенное топливо и окислитель - жидкие водород и кислород. Технологии экранно-вакуумной теплоизоляции нашли свое применение в различных отраслях промышленности, в том числе и в нефтегазовой отрасли при производстве теплоизолированных лифтовых труб (ТЛТ).
ПРИМЕНЕНИЕТЛТДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОТТАИВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД ВОКРУГ СТВОЛА СКВАЖИНЫ
Опыт длительной эксплуатации газовых скважин в условиях Крайнего Севера, Тюменской области и Красноярского края показал, что добыча газа часто сопровождается приустьевыми обвалами, потерей устойчивости верхней части крепи с перекосом фонтанных арматур, смятием колонн и другими осложнениями, вызванными протаи-ванием высокольдистых пород вокруг ствола скважины. Мероприятия по ликвидации осложнений (периодическая засыпка грунта в приустьевые воронки, установка растяжек, капитальный ремонт скважин) связаны с большими эксплуатационными расходами и не исключают повторения этих негативных проявлений в будущем. В связи с протаиванием грунта приходится увели-
Г
- г ||
t <
f
п
О Ï
X >
5
I
Рис. 1. Внешний вид теплоизолированной лифтовой трубы и сосуда Дьюара Fig. 1. The visual appearance of thermal insulated lift pipe and Dewar' cryogenic storage
чивать расстояние между скважинами куста, что при кустовом способе добычи крайне нежелательно. Одним из способов надежной защиты от растепления ММП вокруг ствола скважины на период ее эксплуатации является применение теплоизолированных лифтовых труб с экранно-ва-куумной теплоизоляцией в качестве верхней секции лифтовой колонны. Специалистами ООО «Газпром ВНИИГАЗ» проводился мониторинг скважин, расположенных в зоне ММП, оборудованных ТЛТ. Экспериментальные скважины, оборудованные теплоизолированными лифтовыми трубами, были обустроены термометрическими трубками-сателлитами, спущенными по внешней стенке обсадной колонны на глубину до 60 м. В процессе отжига скважин на факел в
этих трубках измерялась температура воздуха. По результатам измерений рассчитывались теплотехнические характеристики скважин. Расчеты показали, что для сохранения околоскважинных пород с учетом температур на устьях скважин около 2830 °С коэффициент теплоотдачи не должен превышать 0,1 Вт/м2.°С, что соответствует коэффициенту теплопроводности ТЛТ не более 0,012 Вт/м.°С. Впоследствии это значение коэффициента теплопроводности было зафиксировано в качестве нормативного требования в корпоративном стандарте СТО Газпром 2-3,2-174-2007, регламентирующем технические требования к ТЛТ. При указанных выше коэффициентах теплопроводности ТЛТ, полученных в ходе промысловых испытаний, вокруг скважин будут формироваться ореолы оттаивания радиусом 3-6 м в зависимости от литологического состава и засоленности ММП. В случаях же эксплуатации нетеплоизолирован-ных скважин прогнозируемый радиус ореола составит 9-12 м. Таким образом, сохранение ММП, вмещающих добывающие скважины на горизонтах ТП1-6 Бо-ваненковского нефтегазоконденсатного месторождения, только с использованием ТЛТ позволяет в 2 раза сократить радиус оттаивания. На основании вышеизложенного специалистами ПАО «Газпром» было принято комплексное решение по термостабилизации ММП приустьевых зон добывающих скважин Бованенковского месторождения с использованием в их конструкции ТЛТ и парожидкостных охлаждающих систем (рис. 2). В 2001 г. на кустовой площадке № 64 Бованенковского месторождения реализован промышленный эксперимент, в ходе которого из скв. № 6401, оборудованной ТЛТ и парожидкостными термостабилизаторами, в течение 1,5 года осуществлялась добыча газа с дебитом около 700 тыс. м3/сут и температурой на устье около 30 °С. Мониторинг скважины в течение годового цикла показал,
К
Образец ТЛТ ILT specimen
Сосуд Дьюара Dewar' cryogenic storage
Ссылка для цитирования (for citation):
Артеменков В.Ю., Ерехинский Б.А., Заряев И.А. Применение теплоизолированных лифтовых труб в нефтегазодобывающей промышленности // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2017. № 3. С. 40-44.
Artemenkov V.Yu., Erekhinskiy B.A., Zaryaev I.A. The Usage of Insulated Lift Pipes in Oil and Gas Industry. Territorija «NEFTEGAZ» = Oil and Gas Territory, 2017, No. 3, P. 40-44. (In Russian)
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3 march 2017
41
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Скв. 6401 Скв. 6402
Well No. 6401 Well No. 6402
Температура фазового перехода, °C The temperature of the phase conversion, °C
B° H- H- I'
Температура пород, °C The rock temperature, °C
Рис. 2. Тепловой режим многолетнемерзлых пород в устьевой зоне скв. 6401 Бованенковского НГКМ (п-ов Ямал)
Fig. 2. Thermal mode of permafrost rocks in the wellhead area of well 6401 of Bovanenkovskoye oil and gas condensate deposit (the Yamal Peninsula)
что ореол оттаивания, формирующийся вокруг добывающей скважины, в летний период выходит за пределы цементного кольца не более чем на 0,3 м. Зимой формирующийся ореол оттаивания полностью промерзает, т. е. вмещающие скважину многолетнемерзлые породы сохраняются в мерзлом состоянии. На конец 2015 г. на Бованенковском месторождении, запущенном в эксплуатацию в 2012 г., построено и работает 296 добывающих газоконденсатных скважин на 33 кустовых площадках. В соответствии с проектной документацией в скважины спущены ТЛТ [3]. В целях решения проблемы протаи-вания грунта вокруг ствола скважин целесообразно дополнительно кТЛТ применить теплоизолированное направление обсадной колонны с вакуум-
ной теплоизоляцией. При этом состояние вакуума в теплоизолированном направлении можно контролировать и при необходимости восстанавливать его непосредственно на функционирующей скважине.
ПРИМЕНЕНИЕТЛТДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПАРАФИНООБРАЗОВАНИЯ В ЛИФТОВОЙ КОЛОННЕ
Проблема образования парафинов в колонне НКТ является одним из основных осложнений, возникающих при добыче нефти. На скорость парафинизации и толщину отложений влияет множество факторов: длина и диаметр колонны лифтовых труб, геотермический градиент ствола скважины, рабочее давление, вязкость нефти и т. д. Одним из
главных факторов является понижение температуры нефти при ее движении от пласта к устью скважины в результате потери теплоты через стенки труб скважины в окружающие породы. Процесс образования парафинов может быть значительно ослаблен или вовсе исключен за счет применения ТЛТ. Исходя из опыта ПАО «Газпром», спуск ТЛТ на глубину до 1500 м позволит обеспечить сохранение устьевой температуры добываемой продукции скважины на уровне выше температуры образования парафинов.
На нефтяных скважинах Уренгойского НГКМ проводились испытания различных способов предупреждения и ликвидации асфальтеносмолопарафиновых отложений (АСПО). Для борьбы с ними применялись тепловые, электромагнитные и другие методы, различные реагенты. В результате применения на скв. № 20135 опытной партии ТЛТ размером 114 х 73 мм со спуском подвески в интервале 0-2000 м был повышен на 30 % средний дебет нефти газлифтной эксплуатации, практически исключились тепловые обработки и в четыре раза сократились скребковые операции. На рис. 3 и 4 представлен комплекс оборудования, в том числе ТЛТ, для добычи высоковязкой нефти и борьбы с парафиновыми отложениями. Для сохранения температуры флюида, выходящего из скважины, предлагается установка в начало выкидной линии электронагревательных секций ТЛТ. В продолжение нагнетательной линии и в качестве лифтовой колонны применены обычные ТЛТ с вакуумной теплоизоляцией без нагрева.
ПРИМЕНЕНИЕ ТЛТ ДЛЯ ЗАКАЧКИ ГОРЯЧЕЙ ВОДЫ ИЛИ ПАРА В СКВАЖИНУ ПРИ ДОБЫЧЕ ВЫСОКОВЯЗКОЙ НЕФТИ
Если пластовая температура равна или близка к температуре начала кристаллизации парафина в пластовых условиях, вытеснение нефти холодной водой приведет к охлаждению пласта, выпадению парафина и закупорке пор. Нагнетаемая холодная вода станет источником охлаждения выше и ниже залегающих менее проницаемых прослоев. Охлаждение приведет в лучшем
42
№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
OIL AND GAS PRODUCTION
Закачка пара Steam injection
Теплоизолированные магистральные трубы Insulated main tubes
Соединение телескопическое СТ The telescopic connection (TC)
Пакер термостойкий The heat-resistant packer
Продуктивный пласт The productive formation
Рис. 3. Схема добычи высоковязкой нефти Fig. 3. The scheme of upstream of high viscosity oil
Добыча нефти Oil production
Теплоизолированные магистральные трубы Insulated main tubes
Соединение телескопическое СТ The telescopic connection (TC)
Пакер
The heat-resistant packer
Продуктивный пласт The productive formation
Рис. 4. Схема добычи парафинистой нефти Fig. 4. The scheme of the production paraffinic oil
случае к загустению нефти, а в худшем -к выпадению растворенных парафинов в твердую фазу и консервации запасов нефти в пластах. Указанные особенности свойств нефти и сильная послойная неоднородность пласта могут привести к получению значительного эффекта при закачке в такой пласт теплоносителя (перегретый пар, горячая вода). В этом случае теплоноситель, проникая по хорошо проницаемому прослою, прогревает выше и ниже залегающие слои пласта, что приводит к снижению вязкости нефти и способствует более полному извлечению запасов. Рекомендуется оборудовать нагнетательную скважину ТЛТ для уменьшения потерь при закачке в пласт теплоносителя. Эффективность этого метода при добыче нефти рассмотрим на опыте применения его ОАО «Удмуртнефть», специалистами которого совместно с учеными ряда институтов проводились работы по созданию принципиально новых ресурсо- и энергосберегающих технологий, позволяющих вывести заведомо нерентабельные запасы высоковязкой нефти Гремихинского месторождения в разряд прибыльных.
В 1983 г. были начаты экспериментальные работы по нагнетанию в пласт теплоносителя: горячей воды с температурой на устье скважин 260 °С. В результате были созданы, запатентованы и внедрены в производство технологии теплового воздействия: импульсно-до-зированное тепловое воздействие (ИДТВ), импульсно-дозированное тепловое воздействие с паузой (ИДТВ(П), теплоциклическое воздействие на пласт (ТЦВП) и его модификации [4]. Эти технологии уже более 30 лет были успешно внедрены на Гремихинском месторождении: ИДТВ - с 1986 г., ИДТВ(П) -с 1988 г., ТЦВП - с 1988 г. Распределение добычи нефти за счет тепловых методов и их экономическая эффективность представлены в таблице. Об эффективности применения технологий свидетельствует уровень текущей нефтеотдачи (42 %) на опытных участках их применения, при том что прогнозная конечная нефтеотдача при заводнении оценивается в пределах 20-25 % (информация 1998 г.). Внедрение данных технологий в других нефтедобывающих районах с аналогичными условиями и вязкими нефтя-
ми может дать прирост добычи на уже обустроенных месторождениях.
ПРИМЕНЕНИЕТЛТДЛЯ
ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ
ГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ
Многие компоненты природного газа (метан, этан, пропан, изобутан, углекислый газ, азот, сероводород) в соединении с водой образуют так называемые газовые гидраты - твердые кристаллические вещества, напоминающие по внешнему виду спрессованный снег, которые существуют при высоких давлениях и положительных температурах. При добыче газа гидраты могут образовываться на внутренней поверхности лифтовых труб.
Откладываясь на стенках, гидраты резко уменьшают пропускную способность труб. Для борьбы с гидратообразовани-ем на газовых промыслах в скважины вводят различные ингибиторы (метиловый спирт, гликоли, 30%-й раствор СаС12). Не менее эффективный вариант борьбы с гидратацией в скважине заключается в поддержании температуры потока газа выше температуры гидра-тообразования за счет использования
TERRITORIJA NEFTEGAS - OIL AND GAS TERRITORY No. 3 march 2017
43
ДОБЫЧА НЕФТИ И ГАЗА
Технологическая и экономическая эффективность тепловых методов (1984-1997 гг.) Technological and economic efficiency of thermal methods (1984-1997)
Показатели Indicators Гремихинское месторождение в зоне реагирования,всего Gremikhinskoye deposit in the reaction area, Total amount Из них по методам From these according to the methods
ВГВ The influence of hot water ИДТВ The impulse-dosed thermal influence ИДТВ(П) The impulse-dosed thermal influence with pause ^Bn The heat and cyclic influence on the formation
Дополнительная добыча нефти, тыс. т The additional oil production, thsd. t 3432,6 679,4 1283,4 1107,8 362,0
Закачка теплоносителя, тыс. т The heal carrier injection, thsd. t 12698,5 4327,8 4014,5 3427,3 929,1
Закачка холодной воды в пласт, тыс. т The injection of cold water into the formation, t 4999,7 0 2232,1 2518,3 249,3
Закачка горячей и холодной воды, тыс. т The injection of hot and cold water, thsd. t 17698,2 4327,6 6246,6 5945,6 1178,4
Удельный расход теплоносителя на 1 т дополнительной нефти, тыс. т Specific consumption of heal carrier at 1 t of additional oil, thsd. t 3,7 6,2 3,4 3,2 2,8
Эффект, млн руб. Effect, mln RUB 525 60 211 190 64
Конечный коэффициент извлечения нефти (КИН), % The ultimate oil recovery factor (ORF), % 39 29 37 40 45
в качестве НКТ теплоизолированных лифтовых труб. При этом сокращается, а иногда и вообще исключается использование ингибиторов.
ПРИМЕНЕНИЕТЛТ В МОРСКИХ СКВАЖИНАХ
В последние годы интенсивно ведется освоение шельфовой зоны Арктики, Европейского Севера, Дальнего Востока и т. д. При эксплуатации морских скважин, добывающих нефть или газ, возникновение гидратообразования и парафиновых отложений сильно вы-
ражено в зоне морского дна, где нагретый флюид резко переходит в зону пониженной температуры. В некоторых случаях запуск подводных скважин может быть осложнен из-за существенных тепловых потерь и гидратообразования именно в зоне морского дна. В этом случае применение ТЛТ особенно актуально.
Применение ТЛТ в морских скважинах также необходимо для поддержания экологического баланса. Изменение температуры всего на два градуса в зоне добычи нефти и газа из морских
скважин может привести к необратимым экологическим последствиям. При большем дебете глубоководных скважин значительно возрастает температура в подводной части ствола скважины. Если в затрубном пространстве обсадных труб в процессе строительства скважины остались изолированные пустоты, разогрев воздуха в них вызовет увеличение его давления, и как следствие может произойти смятие обсадной колонны. Для предотвращения таких случаев рекомендуется применять ТЛТ в подводной части колонны НКТ.
Литература:
1. Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. М.: Высшая школа, 1991. 656 с.
2. Храмов Ю.А. Физики: Биографический справочник. М.: Наука, 1983. 400 с.
3. Осокин А.Б., Смолов Г.К., Витченко А.С., Васильева А.О. Обеспечение устойчивости добывающих скважин в особо сложных геокриологических условиях Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения: отчет ООО «Газпром добыча Надым». Надым, 2016.
4. Кудинов В.И., Савельев В.А., Головина Т.И. Экономическая эффективность внедрения тепловых методов повышения нефтеотдачи на месторождениях ОАО «Удмуртнефть» // Геология нефти и газа. 1998. № 5. С. 2-11.
References:
1. Volkov V.A., Vonskiy E.V., Kuznecova G.I. Outstanding chemists of the world. Moscow, High school, 1991, 656 pp. (In Russian)
2. Khramov Yu.A. Physicists: the biographical reference book. Moscow, Science, 1983, 400 pp. (In Russian)
3. Osokin A.B., Smolov G.K., Vitchenko A.S., Vasileva A.O. The stability supply of producing wells in especially difficult geocryological conditions of the Bovanenkovo oil and gas condensate deposit: the report of Gazprom dobycha Nadym LLC. Nadym, 2016. (In Russian)
4. Kudinov V.I., Savelev V.A., Golovina T.I. Economical efficiency of introduction of thermal methods of enhancement oil recovery at the deposits of Udmurtneft JSC. Geologiya nefti i gaza = Geology of oil and gas, 1998, No. 5, P. 2-11. (In Russian)
44
№ 3 март 2017 ТЕРРИТОРИЯ НЕФТЕГАЗ
