На сегодняшний день одним из актуальных вопросов для объектов, расположенных в зонах распространения многолетнемерзлых пород (ММП), является снижение теплового воздействия в приустьевой зоне скважины. Растепление мерзлого грунта приводит к образованию приустьевых провалов и воронок, потере продольной устойчивости устьевой обвязки и обсадных колонн, просадке обсадных колонн, что требует проведения дополнительных работ по ее подсыпке и может привести к необходимости ликвидации скважины. Также, в соответствии с требованиями п. 526 «Правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности» (далее – «ПБНГП») [1], минимальное расстояние между устьями скважины в зонах распространения многолетнемерзлых пород составляет 1,2 диаметра растепления. Исходя из этого, разработка решений по снижению теплового воздействия от скважины на ММП позволит не только исключить возникновение аварий, связанных с растеплением грунта, но и снизить затраты на строительство кустовой площадки, за счет уменьшения расстояния между скважинами.
На рис. 1 представлено обрушение устья скважины в результате растепления многолетнемерзлых пород.
Основными факторами, влияющими на растепление мерзлого грунта в приустьевой зоне скважины в процессе эксплуатации, являются геологический разрез в месте расположения скважины, климатическая характеристика, конструкция скважины и ожидаемые режимы эксплуатации скважины. Из представленного перечня можно выделить два типа данных, на которые повлиять невозможно без изменения расположения кустовой площадки или корректировки режимов эксплуатации скважины, и те данные, которые являются наиболее «гибкими» к изменениям. К таким относится конструкция скважины и элементы, входящие в ее состав. Исходя из этого, целью данной работы является определение влияния свойств и параметров элементов, входящих в состав конструкции скважины, на итоговый радиус растепления многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне.
Для оценки влияния параметров конструкции скважины и обсадных колонн были построены прогнозные модели растепления многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на 25 лет в программном комплексе Frost 3D.
Анализ проводился для конструкции добывающей и нагнетательной скважины ввиду значительного различия коэффициента теплопередачи. Так, для добывающей скважины в верхней части между НКТ и обсадной колонной находится газ, теплопроводность которого сопоставима с теплопроводностью пенополиуретана, а для нагнетательной скважины предусматривается наличие в межтрубном пространстве между НКТ и обсадной колонной жидкости нагнетания с большим коэффициентом теплопроводности. Геологический разрез принят согласно результатов инженерных изысканий для одной из кустовых площадок, расположенной в ЯНАО. Конструкция скважины для данного региона в устьевой части скважины состоит из направления (426 мм), кондуктора (324 мм), технической (245 мм) и эксплуатационной (178 мм) колонн.
Температуры добываемого флюида на устье для расчетов приняты 10, 40, 70 и 100 °С. При этом температурные значения 10 и 40 °С характерны для добывающих скважин, а 70 и 100 °С для нагнетательных.
Результаты расчета для добывающей и нагнетательной скважин представлены на сводных графиках (рис.2, рис. 3).
Влияние толщины стенки обсадной колонны
Для оценки влияния толщины стенки обсадной колонны принята компоновка обсадных труб для базовой конструкции с максимально возможными толщинами стенок из сортамента выпускаемых обсадных труб (далее– «тяжелая»). В связи с этим суммарная толщина всех слоев металла увеличилась с 80 до 98,2 мм. Из представленных графиков видно, что увеличение толщины слоя металла в конструкции скважины на 18,2мм приводит к слабому росту ореола растепления грунта вокруг скважины. Разница в радиусе растепления между двумя конструкциями составляет до 0,3 м.
Так как рассмотрен критический вариант конструкции, то можно сделать вывод о том, что при замене одной обсадной трубы на другую с большей толщиной стенки, при суммарном увеличении толщины слоя металла на 2–3 мм, влияние на итоговый радиус растепления грунта вокруг устья скважины окажется незначительным.
Влияние диаметра долота
В базовом варианте диаметр долота для бурения интервала под направление принят 490 мм, для оценки влияния диаметра объекта принято увеличенное долото диаметром 558,8 мм. Для конструкции добывающей скважины наблюдается уменьшение радиуса растепления с 3,44 до 2,84 м при устьевой температуре 40 °С ввиду того, что происходит замена части мерзлого грунта на слой цементного камня, теплопроводность которого ниже. При этом для конструкции нагнетательной скважины, так как она обладает большим коэффициентом теплопередачи объекта, радиус растепления не меняется ввиду того, что положительный эффект от замены мерзлого грунта на слой цемента компенсируется увеличением площади поверхности, с которой осуществляется обмен теплом с ММП.
Принимая во внимание вышеприведенную информацию, а также с учетом того, что при увеличении диаметра долота происходит увеличение отходов бурения, потребности в буровом и тампонажном растворах, использование долота с увеличенным диаметром в зоне ММП нецелесообразно.
Влияние потайной колонны
Для оценки влияния потайной колонны в конструкции скважины на радиус растепления был осуществлен подбор конструкций с потайной технической и эксплуатационной колонной. Кроме того, дополнительно был проведен экономический анализ целесообразности замены сплошной как эксплуатационной, так и технической колонны на потайную.
В добывающей скважине применение потайной эксплуатационной колонны, помимо снижения затрат на строительство скважины за счет уменьшения металлоемкости, также позволяет снизить радиус растепления. Объясняется это тем, что слой металла и цементного камня заменяется газом в межтрубном пространстве, который обладает низкой теплопроводностью. Так, при устьевой температуре в 40 °С радиус растепления от добывающей скважины снижается более чем в 2 раза, с 3,44 до 1,46 м. В нагнетательной скважине уменьшение радиуса растепления от потайной эксплуатационной колонны минимально и составляет 5–7 % в зависимости от температуры.
Применение потайной технической колонны не только приводит к отрицательному экономическому эффекту, но и не позволяет уменьшить радиус растепления, который почти совпадает с базовым вариантом как в добывающей, так и в нагнетательной скважине.
Влияние теплопроводности цементного камня
На сегодняшний день, со стороны недропользователей в значительной мере недооценивается влияние теплопроводности цемента на уменьшение радиуса растепления вокруг устья скважины. Основным требованием для него является возможность прокачать по стволу скважины и обеспечивать набор прочностных характеристик за определенный период времени. В то же время в конструкции скважины общим диаметром 559,0мм слой цементного камня составляет 324,2 мм или 58 % всей толщины объекта. Из этого следует, что большую часть пространства занимает цементная твердь. Теплопроводность стандартных тампонажных цементов может варьироваться, но для расчетов принята 1,28 Вт/(м·°С). Теплопроводность специальных цементов для низких температур может достигать до 0,11 Вт/(м·°С) [2], что меньше в 10 с лишним раз. Данные теплопроводности приняты для дальнейших сравнительных расчетов.
Из представленных графиков для добывающей скважины видно, что применение данного типа цемента позволяет снизить радиус ореола оттаивания мерзлого грунта вокруг устья скважины, причем, при температуре на устье добывающей скважины 40 °С радиус растепления снижается почти в 2 раза, с 3,44 до 1,77 м.
В нагнетательной скважине при температурах 70 и 100 °С радиус растепления относительно базового варианта снижается также почти в 2 раза с 15,40 до 7,46м и с 18,39 до 9,40 м соответственно.
Влияние термоизоляции из пенополиуретана
В качестве решений по снижению теплового воздействия от скважины рассмотрены термокейс в типоразмере 820/530 мм и термоНКТ 114/73 мм, в качестве теплоизолятора, в составе которых применяется пенополиуретан. Ввиду того, что в добывающей скважине термоНКТ заменяет слой газа с и так низкой теплопроводностью, термоНКТ обладает меньшим эффектом по сравнению с термокейсом в добывающих скважинах. Так, при устьевой температуре 40 °С в добывающей скважине радиус растепления для базовой, конструкций с термокейсом и термоНКТ составит 3,44, 2,09 и 2,51 м соответственно.
Учитывая то, что конструкции нагнетательных скважин обладают большим значением коэффициента теплопередачи, положительный эффект от большей толщины слоя пенополиуретана у термокейса компенсируется увеличением площади поверхности, с которой осуществляется теплообмен с ММП. Таким образом, в нагнетательной скважине конструкция с термокейсом и термоНКТ показывают схожий результат – радиус растепления ММП 8,58 и 8,65 м соответственно при температуре 100 °С.
Также для всех конструкций скважин наблюдается одна зависимость – при увеличении температуры на устье скважины снижается эффективность принятых решений по снижению теплового воздействия относительно базового варианта, необходимо рассматривать комплексные решения. При этом экономическая эффективность, выражаемая в денежной стоимости отсыпки площадки, наоборот растет.
Выводы по нагнетательной скважине
В табл. представлены результаты расчета по всем рассмотренным вариантам конструкций нагнетательной скважины, а также минимальное расстояние между двумя скважинами в соответствии с требованиями правил безопасности в нефтяной и газовой промышленности. Кроме того, важно отметить, что помимо данных требований необходимо учитывать требования пп. п. 6.1.19, 6.1.21 СП 231.1311500.2015, из которых следует, что расстояния между устьями скважин должны быть не менее 5 м для нефтяных и не менее 20 м для газовых скважин [3]. Но даже при невозможности уменьшения расстояния между устьями скважин, исходя из данных требований, конструкция с меньшим радиусом растепления ММП говорит о ее меньшем тепловом воздействии на мерзлые породы в приустьевой зоне, а соответственно приводит к меньшему растеплению и осадке грунта.
Совместное или раздельное применение дополнительных решений по снижению теплового воздействия в приустьевой зоне особенно важно в нагнетательных скважинах ввиду большей устьевой температуры и изначально большего коэффициента теплопередачи объекта. Так, применение дополнительных решений по снижению теплового воздействия позволяет уменьшить расстояние между скважинами в 3 раза относительно базового варианта, с 36,96 до 12,22 м.
Выводы по добывающей скважине
Исходя из проведенного анализа для добывающих скважин, в данном случае наиболее оптимальной является конструкция с потайной эксплуатационной колонной. Кроме того, что она обладает меньшим радиусом растепления по сравнению с конструкцией с термокейсом, она еще и позволяет значительно снизить затраты на строительство скважины за счет снижения затрат на материально-технические ресурсы. Конструкция с термокейсом обладает большим радиусом растепления по сравнению с потайной 178 мм, ввиду увеличения диаметра объекта и, как следствие, увеличения площади поверхности, с которой будет осуществляться теплообмен.
Заключение
В работе, на основании построенных прогнозных моделей растепления в приустьевой зоне скважины, произведена оценка влияния элементов, входящих в состав конструкции скважины на растепление многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне для добывающей и нагнетательной скважины. Получены зависимости радиуса растепления от коэффициента теплопередачи скважины. Также определено, что при увеличении внешнего диаметра скважины, при равных коэффициентах теплопередачи, происходит увеличение радиуса растепления скважины.
Важно отметить, что анализ должен выполняться для каждого месторождения, с учетом особенностей разреза кустовой площадки и ожидаемых режимов эксплуатации, и на основании этого будут делаться выводы о целесообразности применения каких-либо решений.
