Способ предотвращения слияния ореолов протаивания вокруг скважин в многолетнемерзлых породах
METHOD FOR PREVENTING COALESCENCE OF THAW HALOS AROUND WELLS IN PERMAFROST FORMATIONS

Область техники
Изобретение относится к газовой и нефтяной промышленности и может быть использовано при освоении месторождений в криолитозоне, а именно для предотвращения слияния ореолов протаивания многолетнемерзлых пород (ММП) на соседних скважинах куста за счет теплоотвода от грунта, расположенного между ними.
Уровень техники
Протаивание ММП вокруг эксплуатационных скважин, по которым движется флюид с положительной температурой, и последующая деформация ММП представляют значительную опасность для оборудования и сооружений нефтегазового промысла. Поэтому нежелательно слияние ореолов протаивания от соседних скважин куста в пределах высоко-льдистых ММП. В настоящее время для предотвращения последнего используются три основных подхода:
1) увеличение расстояния между скважинами куста;
2) использование термокейсов, или теплоизолированных направлений (лифтовых труб – ТЛТ);
3) охлаждение стенок скважины или грунта в непосредственной близости от нее.
Реализация первого подхода приводит к значительному удорожанию строительства из-за необходимости отсыпки большей кустовой площадки (высотой 1-2 м, а иногда и более, при расстоянии между скважинами без применения других подходов от 30 м).
Для реализации второго известно теплоизолирующее направление (патент RU 74 415 U1). Даже несмотря на высокую стоимость ТЛТ и необходимость бурения скважины большого диаметра для их погружения, этот подход обходится дешевле первого. Применение ТЛТ целесообразно в слое залегания высоко-льдистых пород (обычно, до 60  м), чтобы предотвратить значительные деформации ММП в результате их оттаивания. На практике приходится погружать ТЛТ на бóльшую глубину из-за распространения ореолов протаивания от нижележащих, не теплоизолированных, участков скважины вверх, что может в итоге привести к потере устойчивости колонны. Погружение ТЛТ на большую глубину сопряжено с технологическими сложностями и высокими затратами. Также необходимо обеспечить погружение основания ТЛТ в малосжимаемый грунт, не теряющий свою прочность при оттаивании.
Для реализации третьего подхода известно устройство (Патент RU 2 625 830 C1, МПК E21B 36/00) для конвективного охлаждения приустьевой зоны скважины. Технологические преимущества применения такого способа за пределами сезонно-талого слоя значительно снижаются по сравнению с ТЛТ. Кроме того, по мере увеличения глубины его применения, будет возрастать и потребность в холодильной мощности.
Известен аналог – применение термоэлектрических элементов для передачи тепла от грунта флюиду (патент RU 196 464 U1, МПК E21B 36/00). Принципиально, это оптимальное решение для предотвращения растепления грунтов, но его реализация на практике сопряжена с большими недостатками: низкой энергоэффективностью (переносимый тепловой поток прямо пропорционален току, а джоулевы потери, выделяющиеся в виде тепла в пределах охлаждаемой зоны, пропорциональны квадрату тока) и надежность (необходимо соединять последовательно большое число элементов).
Также применяют широко распространенные естественно-действующие сезонные охлаждающие устройства (СОУ) (патент RU 2 387 937 C1, МПК F28D 15/02) для охлаждения грунта в непосредственной близости от скважин. Делают это преимущественно в сочетании с ТЛТ, поскольку выделение теплоты от эксплуатационной колонны происходит постоянно, а отвод тепла в таком случае возможен только сезонно. Круглогодичное же охлаждение СОУ (патент RU 2 145 989 С1, МПК E02D 3/115), расположенного рядом со стволом скважины, без ТЛТ сопряжено со значительными эксплуатационными затратами.
Стоит отметить, что любому активному теплоотводу, особенно в сложных условиях, должно предшествовать максимально возможное снижение отводимого теплового потока пассивными способами (например, с использованием ТЛТ). Поскольку принципиальной задачей является предотвращение именно слияния ореолов протаивания, активный теплоотвод целесообразно осуществлять с границы возможного слияния, где тепловой поток будет значительно ниже, чем вблизи ствола скважины.
Прототипом является изобретение (патент RU 2 748 086 C1, МПК E02D 3/115, E01C 3/06, F25B 27/02), предлагающее создавать охлаждаемый слой грунта, препятствующий проникновению тепла (поток которого предварительно минимизирован) в нежелательном направлении.
Предлагается предотвращать возможность слияния ореолов протаивания, располагая между скважинами теплоотводящие вертикальные грунтовые зонды. Круглогодичный теплоотвод можно обеспечить подачей хладагента в грунтовые зонды, число и расположение которых между скважинами определяется расчетом. Использование СОУ для теплоотвода в данном случае в большинстве случаев нецелесообразно по двум причинам: тепло от скважин поступает в грунт круглогодично, а не сезонно; создание СОУ с длиной подземной части более 50 м технически очень сложно и, с большой вероятностью, надежность такого устройства будет недостаточно высока. Применение холодильных машин для круглогодичного функционирования СОУ не решает проблем с их надежностью, а использование термоэлектрических охладителей для этого (патент RU 2 405 889 C1, МПК E02D 3/115) еще и энергетически малоэффективно. В результате применения предлагаемого способа можно сократить расстояние между соседними скважинами куста и глубину установки ТЛТ, сократив капитальные затраты на обустройство кустовой площадки.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является устранение недостатков аналогов, а именно: высокой стоимости расположения скважин на большом расстоянии; высокой стоимости и технологической сложности применения ТЛТ на большой глубине; необходимости отводить большое количество теплоты при активном охлаждении эксплуатационной колонны.
При использовании предлагаемого способа улучшение достигается за счет расположения зоны теплоотвода именно там, где необходимо предотвратить слияние ореолов протаивания и где тепловой поток минимален. Грунтовые зонды располагают между кустовыми скважинами, их количество, глубину погружения и диаметр, оптимальное расположение определяют расчетом и технологическими соображениями. Грунтовые зонды охлаждают, используя открытую или замкнутую систему.
В открытой системе используют газ с температурой не более минус 5°С (например, воздух) или низкокипящую жидкость (температура кипения при нормальных условиях не более минус 2°С, например, жидкий азот) или твердое вещество (например, углекислота, или «сухой лед»), которые подают в нижнюю часть грунтового зонда, а затем газ или пар свободно выходят в атмосферу. Открытая система требует меньших капитальных затрат, ее целесообразно использовать на кустовых площадках с постоянным или преимущественным присутствием персонала (характерно для нефтедобычи).
В закрытой системе циркулирует хладагент, температуру которого (не более минус 2°С на входе) поддерживают с использованием холодильной машины (теплового насоса) или в холодное время года – атмосферы. Закрытая система требует бóльших капитальных затрат и поэтому более предпочтительна для кустовых площадок, функционирующих в автоматическом режиме (характерно для газодобычи). Для замкнутой системы охлаждения, часть грунтового зонда (выше ореолов протаивания) может быть теплоизолирована для уменьшения требуемой холодильной мощности. Питание холодильной машины (ХМ) целесообразно осуществлять с использованием возобновляемых источников энергии (ВИЭ) или местных топлив. Значительная тепловая инерция большого объема грунта нивелирует главный недостаток возобновляемой энергетики – непредсказуемую генерацию.
Перечень фигур
На фиг. 1 приведена схема теплового состояния грунтов для соседних кустовых скважин. На фиг. 2 приведена схема теплового состояния грунтов при реализации предлагаемого способа.
Осуществление изобретения
1
2
3
5
6
4
4
3
7
6
4
3
На фиг. 1 (без реализации данного способа) показано тепловое состояние грунтов ( – дневная поверхность,  – нижняя граница сезонно-талого слоя, или кровля ММП,  – нижняя граница допустимого слияния ореолов протаивания – ММП вообще или высоко-льдистых грунтов) для двух соседних кустовых скважин. Ниже ТЛТ  происходит существенное тепловыделение (показано стрелками) в грунт со стенок эксплуатационной колонны , что приводит к формированию ореола протаивания ММП  и опасному слиянию ореолов от соседних скважин выше допустимого горизонта . На фиг. 2 показано, как при реализации данного способа, заключающегося в размещении теплоотводящих (показано стрелками) грунтовых зондов  между эксплуатационными колоннами , уменьшаются ореолы протаивания , а их слияние происходит вне опасной зоны – ниже границы высоко-льдистых грунтов .
Грунтовые зонды, длину, диаметр и расположение которых определяют геотехническим расчетом, изготавливают из труб (например, обсадных), они нуждаются в охлаждении, прежде всего, в нижней части (ниже применения ТЛТ). При открытой системе охлаждения их заполняют твердым или жидким низкокипящим (температура кипения при нормальных условиях не более минус 2°С) хладагентом до уровня, выше которого охлаждение нецелесообразно (примерно соответствует границе высоко-льдистых грунтов, определяется расчетом). При использовании в качестве хладагента газа с температурой не более минус 5°С, его вдувают через соосную с обсадной трубу меньшего диаметра. В открытой системе нагретый газ или пар свободно уходят в атмосферу через верхний конец грунтового зонда. Так же по соосной схеме (например, по патенту RU 2 615 884 C2, МПК F24J 3/08) организуют подачу хладагента в замкнутой системе. Использование U-образных труб (например, по патенту RU 2 435 904 C2, МПК E02D 3/115) также возможно, но менее эффективно. Для уменьшения потребной холодильной мощности грунтовые зонды теплоизолируют в пределах сезонно-талого слоя, сильно-льдистых грунтов или иных участках, определяя расположение такого участка расчетом. Целесообразность применения той или иной системы охлаждения грунтовых зондов определяют в результате технико-экономического обоснования для условий конкретного объекта.
Для обеспечения нужной температуры того или иного хладагента при подаче в грунтовые зонды используют ХМ или, в холодное время года, естественный холод. При наличии подходящих технологических источников холода (оборудование нефетегазодобычи), используют их. Тип ХМ определяют исходя и местных условий (в частности, доступности источников тепловой, механической и электрической энергии), в большинстве случаев целесообразно применение инверторных парокомпрессионных.
Питание холодильной машины осуществляют с использованием местных энергетических ресурсов. Кроме очевидных вариантов, связанных с получением электрической энергии от сети или генераторов с приводом от двигателей внутреннего или внешнего сгорания, возможны также сжигание попутного нефтяного газа и других отходов производства в сочетании с абсорбционной ХМ (например, по патенту RU 2 224 189 C2, МПК F25B 15/04, F25B 15/00, F25B 15/10, F25B 33/00) или использование потенциальной энергии сжатого газа при его продувке в сочетании с вихревой ХМ (например, по патенту RU 2 109 878 C1, МПК E02D 3/115). В достаточно холодное время года используют естественное охлаждение хладагента, пуская его в обход ХМ, что позволяет накопить холод в грунте, аналогично СОУ, снизив потребную мощность ХМ и системы ее энергоснабжения.
Для питания ХМ наиболее целесообразно использовать ВИЭ. Высокая тепловая инерция охлаждаемого грунта позволяет использовать его для демпфирования колебаний холодильной мощности, а применение инверторных парокомпрессионных ХМ позволяет обеспечить следование нагрузки за выработкой энергии без необходимости в дорогостоящих накопителях энергии. Таким образом устраняют главный недостаток использования ВИЭ – нестабильную генерацию. Значительная часть нефтегазовых месторождений находится в районах с высоким потенциалом ветровой энергии. Климатические и геотехнические условия делают наиболее целесообразным использование ветрогенераторов с вертикальным валом (например, по патенту RU 2 737 984 C1, МПК F03D 3/04). Использование фотоэлектрических генераторов (например, по патенту RU 2 287 207 C1, МПК H01L 31/048) или солнечных коллекторов (например, вакуумных по патенту RU 185 800 U1, МПК F24J 2/05, F24J 2/02, F24J 2/48 или плоских по патенту RU 195 335 U1, МПК F24S 10/70) в сочетании с абсорбционной ХМ также возможно при условии использования естественного холода и наличии источника питания для циркуляционных насосов на период низкой инсоляции в зимнее время или если расчетом определена допустимость простоя системы охлаждения грунтовых зондов в течение этого периода.
Пример реализации
Вдоль линии, точки которой равноудалены от осей двух соседних эксплуатационных скважин, бурят три параметрических скважины на всю глубину залегания ММП и обсаживают их стальной трубой с условным диаметром 114 мм, нижней конец этой колонны герметично глушат. Одна из этих параметрических скважин находится посередине между эксплуатационными скважинами, а две другие – по обе стороны от нее на расстоянии 5 м. Параметрические скважины теплоизолируют снаружи в пределах сезонно-талого слоя.
При использовании открытой системы охлаждения, обсаженные параметрические скважины засыпают твердой углекислотой («сухим льдом») до уровня нижнего края ТЛТ на эксплуатационных скважинах. По мере возгонки сухого льда (при этом углекислый газ свободно выходит в атмосферу через открытый верхний конец обсадной трубы), его подсыпают.
При использовании замкнутой системы охлаждения, в параметрические скважины погружают полипропиленовые (PP) трубы условным диаметром 63 мм, с толщиной стенки 10,5 мм. Стандартные отрезки PP трубы длиной 4 м соединяют стандартным методом сварки с использованием муфт. Муфты также выполняют роль турбулизаторов потока в зазоре между PP и обсадной трубами и гидродинамически обеспечивают дистанцирование от обсадной трубы. PP трубу погружают так, чтобы ее нижний конец не доходил до дна параметрической скважины на 300 мм (учитывают коэффициент теплового расширения PP труб исходя из разниц температур монтажа и эксплуатации). Таким образом, создают коаксиальные грунтовые зонды. Полученные грунтовые зонды заполняют 75% (об.) водным раствором изопропилового спирта (необходимо исключить замерзание раствора в местных климатических условиях). Подачу раствора осуществляют в PP трубу, таким образом, обратный поток, отводящий тепло от грунта, направлен вверх по зазору между PP и обсадной трубами. Коаксиальные грунтовые зонды объединяют в единые подающий и обратный коллекторы, их подключают к холодильной установке, которая состоит из трех ХМ с воздушным охлаждением (чиллерами), обеспечивающих работу грунтовых зондов на всей кустовой площадке. ХМ имеют возможность плавного регулирования производительности в зависимости от располагаемой мощности, генерируемой ветрогенераторами, объединенными в ветроэлектростанцию (ВЭС) для снабжения всей кустовой площадки. Три ХМ нужны для обеспечения эффективной (при переменной мощности, доступной от ВЭС) и надежной работы (при вынужденном простое – ремонте или обслуживании – одной из них). Устройство ХМ позволяет перенаправлять в зимнее время года поток хладагента из грунтовых зондов напрямую в чиллер, обеспечивая снижение потребности в мощности от ВЭС.