CC BY
1УДК 622.279.72(985)
ПРОБЛЕМА ОБРАЗОВАНИЯ ГАЗОГИДРАТНЫХ ПРОБОК В НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИНАХ НА АРКТИЧЕСКОМ ШЕЛЬФЕ
И Коротаев Б. А., Рокос С. И.
Мурманский арктический университет, Мурманск, Россия
E-mail: [email protected]
В представленной работе рассмотрена проблема образования газогидратной пробки в морской скважине, пробуренной в толще отложений с известной отрицательной температурой и на определенной глубине. С помощью математического моделирования посредством дифференциальных уравнений показано, что при вскрытии газовой залежи происходит дегазация, вызывающая охлаждение околоскважинного пространства и образование газогидратов в стволе скважины. Прослежена временная динамика изменений температур и давлений, а также условий стабильности гидрата метана в скважине.
Ключевые слова: газогидраты, охлаждение газа, удельная изобарная теплоемкость газа, полная теплоемкость, метан.
THE PROBLEM OF FORMATION OF GAS HYDRATE PLUGS IN OIL AND GAS WELLS ON THE ARCTIC SHELF
И Korotaev B. A., Rokos S. I.
Murmansk Arctic University, Murmansk, Russia
In the presented work, the problem of the formation of a gas hydrate plug in an offshore well drilled in the sediment thickness with a known negative temperature and at a certain depth is considered. Using mathematical modeling by means of differential equations, it is shown that when a gas deposit is opened, degassing occurs, causing cooling of the near-well space and the formation of gas hydrates in the borehole. The temporal dynamics of changes in temperatures and pressures, as well as the stability conditions of methane hydrate in the well, have been traced.
Key words: gas hydrates, double and triple gas cooling, specific isobaric heat capacity of the gas, total heat capacity, methane.
Постановка задачи. На мелководном шельфе арктических морей (до глубины около 100 м от уровня моря) в верхней части осадочных толщ широко развиты льдистые мерзлые и охлажденные отложения с отрицательной и/или околонулевой температурой. Мощность интервалов с такой температурой достигает глубины 600-800 м от поверхности дна. В указанных интервалах температура изменяется от -2,5 до -0,5 °С в верхней части разреза до нулевых значений в подошве.
Рассматривается морская скважина, в разрезе которой вскрыт интервал от поверхности дна до глубины около 640 м с температурой от -2,5 до 0,0 °С. На рис. 1 представлены температура и давление газа, распределенные по глубине скважины.
Рис. 1. Распределение температуры и давления газа по стволу скважины (синий цвет — давление газа в скважине; зеленый цвет — распределение температуры без наличия охлажденного интервала; красный цвет — температура горных пород)
Р, МПа
В таблице представлены скважинные данные для дальнейшего расчета. Рассматриваемый газ — метан. Дебит скважины составляет 200 тыс. м3/cут.
Таблица
Сводные данные по температуре, давлению и удельной теплоемкости
Глубина от поверхности дна моря, м Температура газа в скважине, °С Давление в скважине, МПа Удельная теплоемкость газа, Дж/кг °С
540 17,25/27,25 9,92 3090/2992
550 17,36/27,36 9,95 3092/2994
560 17,47/27,47 9,98 3093/2995
570 17,58/27,58 10,0 3094/2996
580 17,68/27,68 10,03 3096/2998
590 17,80/27,80 10,05 3097/2999
600 17,89/27,89 10,10 3101/3002
610 18,00/28,00 10,11 3102/3003
620 18,10/28,10 10,13 3103/3004
630 18,21/28,21 10,16 3104/3005
640 18,30/28,30 10,19 3105/3007
Методы. Расчет теплового потока через цилиндрическую стенку можно вести по методу последовательных приближений, на основе теплопроводности, но в этих методах остается неопределенность в выборе параметров. Есть и третье положение, которое рассмотрим. Если известны температуры стенок, то расчет можно вести по дифференциальному уравнению [4].
Расчетная часть базируется на том, что существует следующее, совершенно общее положение, распространяющееся на все системы, сколь бы сложен ни был их состав: если температура внешней среды Тос изменяется с постоянной скоростью, то по истечении достаточного промежутка времени температура всех точек системы М станет с постоянной скоростью, равной Ь, изменятся:
¿Тос _ ^
йт
(1)
То есть по истечении достаточно долгого времени температура Т любой точки М будет равна температуре окружающей среды [4]:
где Тос — температура окружающей среды; Ту — температура — функция только координат. Разность температур системы и среды, по какому бы закону температура среды ни менялась, всегда может быть представлена в виде суммы двух слагаемых:
Т - Тпг = Т„ +
I
АМе-™
(4)
Результаты. Предположим, что ствол скважины претерпел охлаждение за счет эмиссии газа из вскрытой залежи. При этом обсадная колонна разделяет газ и охлажденный участок. Введем допущение, представим охлажденный участок движущейся водой, имеющей ту же температуру охлажденного участка. Составим уравнение теплового баланса [5]. Интервал 0-640 можно разбить на 10 частей и для каждого произвести расчет. Расчеты Ср, р, и теплопроводности проведены по ГСССД 284-2013.
<2 = с^т? - 7\2) - с2ср2(г21 - г22) = о.
(5)
В тепловых расчетах часто пользуются понятием полной теплоемкости массового расхода теплоносителя в единицу времени, определяемой выражением, Вт/град:
С = С Ср .
(6)
Величину С также называют водяным эквивалентом [4]. И представим охлажденный участок водяным эквивалентом с концентрацией с=4% по №С1. Тогда температура замерзания эквивалента станет -2,4 °С.
Рассчитаем площади теплообмена для газа и для водяного эквивалента.
(7)
р2 = 7г(0д68)х = /2 х.
(8)
Вычислим полные теплоемкости по [6] для глубины 640 м с учетом термобарических условий, Вт/град:
С1 = (200 000/86 400) ■ 80,875 ■ 3105 = 581 289, По источнику, приведенному в [4], рассчитаем параметр m, применяемый в формуле ниже:
т = 1й+^ = 0-00102'
(9)
Коэффициент теплопередачи для стальной эксплуатационной колонны примем по [6], £=3,95 Вт/м2 °С. Рассчитаем изменение разности температур теплоносителей по глубине скважины, равной 40 м, построим сводный график при двух разных температурах согласно таблице (рис. 2).
(10)
Рис. 2. График распределения температуры теплоносителей по длине 40 м
Если параметры с рис. 2 в конце интервала положить на кривую стабильности гидрата метана, при давлении на 630 м, равном /"=10,2 МПа (см. табл.), то увидим, что уже на первом участке создаются предпосылки для образования газогидратов (рис. 3). Согласно исследованиям, проведенным В. А. Истоминым и соавт. [2], соленая вода способна предотвратить образование газогидратов. Но самый проблемный вопрос при вскрытии газогидратной залежи долотом при бурении — это оценка времени, когда наступит первый выброс, который может привести к аварийному инциденту.
Наложим полученную температуру на газогидратную кривую метана (см. рис. 3).
Из рис. 3 видно, что при 15 °С достигается равновесная ситуация образования газогидрата. Выше синей линии существуют газогидраты и лед, ниже этой линии — газ и вода.
Выводы
1. Предлагается при гидродинамических исследованиях или при пуске газовой скважины в работу перед проведением перфорации в стволе скважины иметь не техническую воду, а минерализованную [2], если есть в разрезе охлажденный интервал.
2. Мощность интервала охлажденных пород при данных P-T-условиях, при которой наступит гидратообразование, составляет 16,5 м, при /=15 °С, температура газа начальная — 28,3 °С.
3. Оценка времени наступления первого выброса после вскрытия газогидратной залежи долотом остается открытым вопросом.
Список литературы
1. Дегтярёв Б. В., Бухгалтер Э. Б. Борьба с гидратами при эксплуатации газовых скважин в северных районах. М.: Недра, 1976. 197 с.
2. Истомин В. А., Якушев В. С., Махонина Н. А., Квон В. Г., Чувилин Е. М. Эффект самоконсервации газовых гидратов // Приложение к журналу «Газовая промышленность». 1989. C. 36-46.
3. https://((www.controlglobal.comyassets>00(((_images>'2012>4209>CG-208-LL Fig1-1.jpg.
4. Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. M.; Л., 1957. 244 с.
5. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. 440 с.
6. Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. З. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968. 847 с.
References
1. Degtyarev B. V., Accountant E. B. Hydrate control during the operation of gas wells in the northern regions. Moscow: Nedra, 1976. 197 p.
2. Istomin V. A., Yakushev V. S., Makhonina N. A., Kwon V. G., Chuvilin E. M. The effect of self-preservation of gas hydrates // Appendix to the journal "Gas Industry". P. 36-46.
3. https://((www.controlglobal.com yassets>00(((_images>'2012)/1209>CG-208-LL Fig1-1.jpg.
4. Kondratiev G. M. Thermal measurements. Moscow; Leningrad, 1957. 244 p.
5. Isachenko V. P., Osipova V. A., Sukomel A. S. Heat transfer. Moscow: Energiya, 1969. 440 p.
6. Planovsky A. N., Ramm V. M., Kagan S. Z. Processes and devices of chemical technology. Moscow: Chemistry, 1968. 847 p.
