Способ стабилизации системы скважина-породы в криолитозоне

 

Предназначен для использования в строительстве и эксплуатации добывающих скважин в криолитозоне для сохранения пород устьевой зоны скважины в мерзлом состоянии и функциональной пригодности скважины в течение всего срока ее эксплуатации. Способ включает определение количества и месторасположения термостабилизаторов, теплоизоляционных свойств теплоизолирующего элемента и параметров температурного режима системы скважина - пророды - атмосфера. Для этого осуществляют математическое моделирование теплообмена в расчетной области и размещают вокруг верхнего участка колонн конструкции скважины кольцеобразный теплоизолирующий элемент, заключенный в теплопередающий слой, состоящий из породы и термостабилизаторов. Математическое моделирование теплообмена в расчетной области осуществляют решением пространственной нелинейной задачи нестационарного теплообмена колонн конструкции скважины с породами и атмосферой с учетом фазовых переходов поровой влаги и термодинамического равновесия замерзания водосодержащей массы в замкнутых объемах, зависящего от концентрации растворенных в воде примесей и давления в ней. Температурный режим системы скважина - пророды - атмосфера задают из условия сохранения мерзлого состояния теплопередающего слоя и окружающих его пород и условия сохранения температуры водосодержащей массы, расположенной в замкнутых объемах межколонного пространства конструкции скважины, выше температуры разрушения конструкции скважины при замерзании водосодержащей массы. Параметры температурного режима системы скважина - пророды - атмосфера в ходе эксплуатации скважины контролируют и при обнаружении тенденции температурного распределения в системе скважина - породы к уровню, разрушающему обсадные колонны, управляют теплофизическими параметрами конструкции скважины и термостабилизаторов, выполненных с возможностью как отвода, так и подвода тепла. Для решения пространственной нелинейной задачи нестационарного теплообмена используют уравнение. Повышается эффективность стабилизации теплового состояния скважины в криолитозоне. 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации добывающих скважин в криолитозоне и предназначено для сохранения пород устьевой зоны скважины в мерзлом состоянии и функциональной пригодности скважины в течение всего срока ее эксплуатации.

Известен способ стабилизации теплового состояния устьевой зоны скважины в многолетнемерзлых породах [Патент РФ 2158353, МПК⁷ Е 21 В 36/00, опубл. 2000 г. ] , включающий установку непосредственно за направлением скважины в теплопередающих трубках-контейнерах естественно-действующих термостабилизаторов.

Недостатком известного способа является некорректное определение необходимого количества и мест установки термостабилизаторов. Указанный метод определения упомянутых параметров не позволяет учесть тепловой поток, поступающий в грунты, вмещающие устьевую зону скважины, со стороны поверхности Земли.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является способ стабилизации устьевой зоны добывающей скважины в многолетнемерзлых породах [Патент РФ 2127356, МПК⁶ Е 21 В 36/00, опубл. 1999 г.], включающий определение количества и месторасположения термостабилизаторов, теплоизоляционных свойств теплоизолирующего элемента и параметров температурного режима системы скважина - породы - атмосфера путем математического моделирования теплообмена в расчетной области и размещение вокруг верхнего участка колонн конструкции скважины кольцеобразного теплоизолирующего элемента, заключенного в теплопередающий слой, состоящий из породы и термостабилизаторов.

Термостабилизаторы выполнены в виде трубок-контейнеров и расположенных в них сезоннодействующих устройств, осуществляющих перенос естественного природного холода от воздуха к границе теплоизолирующий элемент - многолетнемерзлые породы.

Недостатками прототипа являются вероятность разрушения колонн скважины при охлаждении грунтов сезоннодействующими термостабилизаторами. Кроме того, при реализации способа не учтено тепловое взаимодействие всех элементов геотехнической системы, а именно не учтен переменный по времени тепловой поток со стороны поверхности Земли, связанный с сезонным изменением температур окружающей среды. Наконец, не учтена необходимость использования не только естественного холода, но и искусственного охлаждения в летний период и возможной необходимости подогрева системы скважина - пророды при ее переохлаждении.

Задачей предложенного технического решения является создание способа, позволяющего эффективно стабилизировать тепловое состояние скважины в криолитозоне с одновременным предотвращением возможности разрушения колонн конструкции скважины при протаивании неустойчивых высокольдистых мерзлых пород и при промерзании водосодержащей массы в замкнутых объемах, в т.ч. межколонном пространстве.

Технический результат изобретения достигается за счет сохранения устойчивости скважины, достижения максимальной жесткости конструкции путем закрепления ствола скважины в приустьевой зоне, обеспечения надежности конструкции посредством недопущения разрушения колонн конструкции скважины за счет замерзания водосодержащей массы в замкнутых объемах межтрубного пространства, более эффективной экономии энергии за счет использования естественного природного холода воздуха атмосферы, использования конкретных теплофизических характеристик пород инженерно-геокриологического разреза и используемых материалов и оборудования, повышения долговечности за счет оптимизации технологического режима обеспечения надежности скважины.

Поставленная задача достигается тем, что в способе стабилизации системы скважина - пророды в криолитозоне, включающем определение количества и месторасположения термостабилизаторов, теплоизоляционных свойств теплоизолирующего элемента и параметров температурного режима системы скважина - породы - атмосфера путем математического моделирования теплообмена в расчетной области и размещение вокруг верхнего участка колонн конструкции скважины кольцеобразного теплоизолирующего элемента, заключенного в теплопередающий слой, состоящий из породы и термостабилизаторов, математическое моделирование теплообмена в расчетной области осуществляют решением пространственной нелинейной задачи нестационарного теплообмена колонн конструкции скважины с породами и атмосферой с учетом фазовых переходов поровой влаги и термодинамического равновесия замерзания водосодержащей массы в замкнутых объемах, зависящего от концентрации растворенных в воде примесей и давления в ней, при этом температурный режим системы скважина - пророды - атмосфера задают из условия сохранения мерзлого состояния теплопередающего слоя и окружающих его пород и условия сохранения температуры водосодержащей массы, расположенной в замкнутых объемах межколонного пространства конструкции скважины, выше температуры разрушения конструкции скважины при замерзании водосодержащей массы, параметры температурного режима системы скважина - пророды - атмосфера в ходе эксплуатации скважины контролируют и при обнаружении тенденции температурного распределения в системе скважина - пророды к уровню, разрушающему обсадные колонны, управляют теплофизическими параметрами конструкции скважины и стабилизаторов, а для решения пространственной нелинейной задачи нестационарного теплообмена используют уравнение: где E - удельная тепловая энергия, t - время, T - температура в расчетной области T(x,y,z,t), T_ф - температура начала замерзания поровой влаги, зависящая от концентрации солей (температура начала фазового перехода), k(x, y, z,t), c(x,y,z,t) - коэффициенты теплопроводности и теплоемкости, где t время входит через температуру T; Q(x_i, y_i, z_i, t) - функция мощности тепловых источников или стоков термостабилизаторов и скважины с номером i, который определяет тип источника или стока, геометрическую форму и место установки, плотность тепловых потоков, температуру на границе с породой, включая характер их изменения во времени.

Предпочтительно использовать расчетную область, представляющую собой массив пород со скважиной, ограниченный дневной поверхностью и поверхностью теплового влияния скважины.

Целесообразно, термостабилизаторы выполнить с возможностью как отвода, так и подвода тепла.

Предпочтительно, для управления температурным режимом системы скважина - пророды - атмосфера использовать следующие теплофизические параметры конструкции скважины и термостабилизаторов: давление и расход добываемого продукта, коэффициент теплообмена с атмосферой теплоотводящих и теплоподводящих устройств термостабилизаторов, вид теплоносителя в устройствах, порядок и длительность их включения и выключения.

Целесообразно, чтобы теплопередающий слой дополнительно включал цементный камень и/или часть колонн конструкции скважины.

Сущность способа поясняется графическими материалами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема геотехнической системы "колонны конструкции скважины - теплоизолирующий элемент - охлаждающие элементы - многолетнемерзлые породы - атмосфера", где эксплуатационная колонна - 1, обсадная колонна (направление) - 2, многолетнемерзлый грунт - 3, теплоизолирующий элемент - 4, теплопередающий слой - 5, термостабилизаторы - 6, поверхность Земли - 7, цементный камень за направлением скважины - 8, область моделирования - 9.

На фиг. 2. - динамика температур в годовом цикле в различных точках границы цементного камня и направления скважины для глубины 0,5 м от поверхности Земли для количества термостабилизаторов, равного 2.

На фиг. 3. - динамика температур в годовом цикле в различных точках границы цементного кольца и направления скважины для глубины 0,5 мот поверхности Земли для количества термостабилизаторов, равного 8.

На фиг. 4. - динамика температур в точках системы скважина - пророды с переменными условиями, отражающими процесс "включения-отключения" термостабилизаторов.

Способ реализуется следующим образом.

Приустьевую зону добывающей скважины, конструкция которой представляет собой колонны (эксплуатационные 1 и обсадные 2) из труб, размещенные в многолетнемерзлых породах 3, оборудуют кольцеобразным теплоизолирующим элементом 4. Кольцеобразный теплоизолирующий элемент 4 может представлять собой, например, обсадную трубу со слоем теплоизоляции или теплоизолированную насосно-компрессорную трубу, или слой теплоизолятора в межтрубном пространстве между колоннами скважины или другие варианты.

Тем не менее, теплофизические характеристики производимых промышленностью теплоизоляционных материалов не обеспечивают сохранение пород, вмещающих устье, в мерзлом состоянии в течение всего срока эксплуатации добывающей скважины (25-30 лет). Поэтому предлагаемый способ предусматривает размещение в многолетнемерзлых породах 3, вмещающих устье скважины, теплопередающего кольцеобразного слоя 5, с помощью которого осуществляют отвод избыточного тепла от теплоизолирующего элемента 4.

Термостабилизаторы представляют собой трубки-контейнеры, во внутреннюю полость которых могут быть вставлены устройства способные как отводить тепло, так и подводить его в случае необходимости. Охлаждающие термостабилизаторы 6 могут содержать вставленные в трубки-контейнеры испарители парожидкостных трубчатых охлаждающих систем, либо циркуляционные трубки жидкостных охлаждающих систем, а также теплообменники, работающие на эффекте Пельтье и прочее. В случае необходимости, теплоотводящие устройства заменяют на теплоподводящие, тем самым достигается трансформация термостабилизаторов.

Для реализации теплоотвода термостабилизаторы 6 устанавливают в слой 5.

В некоторых случаях конструктивное решение скважины может позволить разместить термостабилизаторы непосредственно в цементном камне за направлением и также использовать для термостабилизации обсадные колонны и межколонный объем. Такой вариант позволяет сэкономить средства на бурение скважин под устройство трубок-контейнеров термостабилизаторов. Особенно это характерно для условий, в которых применяется кустовой способ разработки месторождений.

Выбор формы, количества и мест установки термостабилизаторов 6, а также теплоизоляционных свойств теплоизолирующего элемента 4 осуществляется посредством последовательной постановки соответствующей математической задачи теории теплообмена и ее решения, в том числе и численным способом решения соответствующего нестационарного уравнения теплопроводности, которое описывает тепловое взаимодействие элементов геотехнической системы "колонны конструкции скважины 1, 2 - теплоизолирующий элемент 4 - термостабилизаторы 6 - многолетнемерзлых пород 3 - поверхность Земли 7 - атмосфера" для различного количества термостабилизаторов 6, их формы, мест установки и теплоизоляционных свойств элемента 4.

Выбор необходимого количества, формы, оптимального размещения в теплопередающем слое 5 термостабилизаторов 6 и теплоизоляционных свойств теплоизолирующего элемента 4 осуществляют из условия обеспечения на границе цементного камня 8 за направлением скважины температуры, по величине не превышающей величину температуры начала оттаивания льда в порах многолетнемерзлых пород 3, вмещающих устье скважины, в течение всего срока ее эксплуатации (в годовом цикле изменения температур).

Критерием выбора безопасного технологического режима существования скважины (в т. ч. эксплуатации, простоев и консервации скважины) является требование поддержания температуры на стенке направления 2 скважины не ниже температуры разрушения колонн конструкции скважины при замерзании водосодержащей массы, расположенной в межколонном пространстве конструкции скважины, а температуры на границе цементного камня 8 за направлением 2 скважины не выше начала оттаивания льда в порах пород теплопередающего слоя 5 и окружающих его пород 3.

Рассмотрим соответствующую физической постановке математическую постановку и метод решения задачи нестационарного теплообмена.

Решается задача теплообмена в породах и элементах строительных конструкций при наличии фазового перехода для поровой влаги. Распределение влажности (v) и концентрации солей (s) в области моделирования 9 () считаются заданными и постоянны во времени.

Температура начала замерзания поровой влаги (Т_ф) является функцией типа пород и концентрации засоленности. Процесс фазового перехода происходит в широком спектре отрицательных температур, при этом доля воды, перешедшей в лед (w - льдистость), зависит от температуры и степени минерализации поровой влаги: TT_ф(s); w = 0, T > T_>ф, (1) где A - определяемый экспериментально параметр кривой льдистости,
T - температура грунта в точке расчетной области, T_ф(s) - зависящая от концентрации солей S температура начала фазового перехода.

Согласно принципу аддитивности для композитного материала [Дульнев Г.Н., Заричняк Ю. П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. -Л.: Энергия, 1974. -264 с], эффективная теплоемкость грунта (с) состоит из долей соответствующих скелету, жидкой фазе воды и твердой фазе (в виде льда) с соответствующими долям ее индивидуальными значениями, и поэтому вводится в виде:

где c_П; c_В и c_Л - коэффициенты теплоемкости, соответственно, для пород, состоящих из минерального скелета и находящейся в порах породы воды и льда; _п,_в - плотности пород и воды;
L - скрытая теплота плавления.

Тогда для температуры (Т) получаем одно квазилинейное уравнение теплопроводности, описывающее изменение удельной энергии E в процессе теплообмена в талых (w=0) и мерзлых (w>0) грунтах:

где E - удельная тепловая энергия,
t - время,
T - температура в расчетной области T(x,y,z,t),
T_ф - температура начала замерзания поровой влаги, зависящая от концентрации солей (температура начала фазового перехода),
k(x, y, z,T), c(x,y,z,T) - коэффициенты теплопроводности и теплоемкости, где t время входит через температуру T;
Q(x_i, y_i, z_i, t) - функция мощности тепловых источников или стоков термостабилизаторов и скважины с номером i, который определяет тип источника или стока, геометрическую форму и место установки, плотность тепловых потоков, температуру на границе с породой, включая характер их изменения во времени.

При этом учитывают термодинамическое равновесие замерзания водосодержащей массы в замкнутых объемах, зависящее от концентрации S растворенных в воде примесей и давления Р в ней.

Расчетная область представляет собой массив пород со скважиной, ограниченный дневной поверхностью и поверхностью теплового влияния скважины.

Коэффициент теплопроводности (k) зависит от типа пород, льдистости (w) и влажности (v) ив самом простом, аддитивном, варианте теплопроводности композиционных материалов, записывается следующим образом:
k=k_П+[k_В(1-w)+k_Лw]v (4),
а концентрация солей в поровой влаге определяет значение температуры начала фазового перехода:
T_ф = -s, s0. (5)
Где k_П, k_В и k_Л - коэффициенты теплопроводности, соответственно, для скелета пород, воды и льда,
- определяемый экспериментально для каждой примеси коэффициент.

Для замыкания задачи необходимо задать T₀(x,y,z) начальное распределение температуры в начальный момент t=0
T|_t=0 = T₀(x,y,z) (6)
и граничные условия на внешней границе области:

где Ф - функция, описывающая условия теплообмена на границе.

Г - граница области ,
_i - коэффициенты видов условий теплообмена на границе.

Влияние снежного покрова и процесса испарения влаги с поверхности земли учитывается модификацией граничных условий третьего рода в соответствующих точках.

Испарение с поверхности учитывается только в отдельных граничных точках. Переход поровой влаги в парообразное состояние и диффузия пара внутри порового пространства, как правило, вносит малый вклад в общий баланс процесса теплообмена по сравнению с другими составляющими. Однако при наличии высокопористых слоев на поверхности земли или на открытых атмосферным воздействиям элементах строительных конструкций изменяется динамика тепловых процессов под этими покрытиями. Значительная часть тепловой энергии, поступающей вовнутрь области, тратится на парообразование влаги в покрытии.

Поставленная математическая задача решается численно, в частности, методом конечных разностей по консервативной неявной конечно-разностной схеме на неравномерной и нестационарной прямоугольной сетке.

После того, как определены технические характеристики (количество, места расположения, геометрические характеристики, производительность, теплофизические свойства теплоизоляции) теплоизолирующего элемента 4 и термостабилизаторов 6 производят расчет температуры, ниже которой возможно разрушение колонн конструкции скважины. Эта температура определяется из условия термодинамического равновесия температуры фазового перехода воды, замерзающей в замкнутых объемах водосодержащей массы, концентрации растворенных в воде примесей при давлении, равном давлению разрушающему для колонн конструкции скважины.

Далее с помощью постановки и решения описанной выше задачи, определяющей тепловое взаимодействие элементов системы "колонны конструкции скважины - теплоизолирующий элемент - термостабилизаторы - многолетнемерзлые породы - атмосфера", с переменными условиями, описывающими процесс "включения-отключения" термостабилизаторов, определяют требуемый технологический режим работы системы скважина - пророды - атмосфера.

Температуру смятия колонн определяют из термодинамического равновесия температуры фазового перехода воды, концентрации растворенных в воде примесей при давлении, равном разрушающему для колонн конструкции скважины, например, из соотношений
Т_смятия = -T_p-T_c (8),
где величину снижения температуры Т_p разрушения колонн за счет повышения давления Р на них и аналогичную температуру Т_c за счет наличия концентрации S растворенных солей, согласно [Киреев В.А. Краткий курс физической химии. М.: Химия, 1978. - 624 c.], определяют из формул:
Т_p = BP (9),
Т_c =0,0137+0,051990S+0,00007225S² (10),
где В - константа Клайперона-Клаузиуса равная 0,0075^oС/атм,
Р - сминающее или разрывающее давление, атм;
S - концентрация примеси, растворенной в воде в межтрубном пространстве, г/л.

Параметры температурного режима системы скважина - пророды - атмосфера в ходе эксплуатации скважины контролируют и при выходе значений параметров за пределы заявленных условий управляют теплофизическими параметрами конструкции скважины и термостабилизаторов, выполненных с возможностью как отвода, так и подвода тепла.

Для управления температурным режимом системы скважина - пророды - атмосфера используют следующие теплофизические параметры конструкции скважины и термостабилизаторов: давление и расход добываемого продукта, коэффициент теплообмена с атмосферой теплоотводящих и теплоподводящих устройств термостабилизаторов, вид теплоносителя в устройствах, порядок и длительность их включения и выключения.

Температурный режим системы скважина - пророды - атмосфера осуществляют с помощью устройств системы контроля и управления теплотехническими параметрами термостабилизаторов и конструкции скважины, в которую входят регистраторы температуры, управляющий блок с решателем задачи теплообмена и выдачи управляющих решений и устройства исполнения таких решений, путем наблюдения поля температуры в системе (наблюдая температуру минимум в двух точках, желательно отстоящих на разном расстоянии от оси скважины), а затем по результатам наблюдений, на основе результатов решения задачи теплообмена в системе скважина - пророды - атмосфера, включают или выключают термостабилизаторы и устройства подачи тепла или холода (в конструкцию скважины) в режим подачи тепла, холода или оставляют эти элементы в режиме отсутствия источника-стока тепла, а наблюдение температуры и управление термостабилизаторами и устройствами подачи тепла в скважину осуществляют либо вручную, либо автоматически.

Пример
На фиг. 2, 3 приведены результаты решения поставленной задачи нестационарного теплообмена колонн конструкции скважины с породами и атмосферой, при наличии фазовых переходов грунтовой поровой влаги для скважины куста 64 (температура фазовых переходов поровой влаги в многолетнемерзлых грунтах, вмещающих устье -1,75^oС), добывающей газ из продуктивного горизонта на территории Бованенковского месторождения (температура газа 26^oС). На иллюстрациях использованы следующие обозначения:
t1 - температура на стенке направления скважины у термостабилизатора;
t2 - температура на границе цементного камня за направлением скважины у термостабилизатора,
t3 - температура на стенке направления скважины между термостабилизаторами,
t4 - температура на границе цементного камня за направлением скважины между термостабилизаторами,
Скважина оборудована теплоизолирующим элементом в виде вакуумированной насосно-компрессорной трубы (ЛТТ 114/168, коэффициент теплопроводности материала теплоизоляции 0,024 Вт/м^oС) производства экспериментально-опытного завода ВНИИГАЗ. Термостабилизаторы размещены непосредственно за трубой направления скважины. В контейнерах термостабилизаторов расположены охлаждающие элементы, обеспечивающие передачу в грунт атмосферного холода с производительностью (коэффициент теплоотдачи) 35 Вт/м^oС, представляющие собой термостабилизаторы ТК 0,37/12, производства ООО "Фундаментстройаркос"
На графиках (фиг. 2) представлена динамика температур в годовом цикле в различных точках границы цементного камня и направления скважины для глубины 0,5 м от поверхности Земли для количества термостабилизаторов, равного 2. Из анализа представленной информации следует, что в июне месяце температура на границе цементного камня равна -1,75^oС (t2, t4), что свидетельствует о начале оттаивания многолетнемерзлых пород, вмещающих приустьевую зону скважины. Этот вариант расположения и количество охлаждающих элементов может обеспечить крепление приустьевой зоны лишь в породах с температурой фазовых переходов -0,9^oС, и, следовательно, такого холода может оказаться недостаточно, поэтому выбор следует продолжить.

На графиках (фиг. 3) представлена динамика температур в годовом цикле в различных точках границы цементного камня и направления скважины для глубины 0,5 м от поверхности Земли для количества термостабилизаторов, равного 8. Графики свидетельствуют о том, что в годовом цикле работы термостабилизаторов температура на границе цементного кольца за направлением скважины не превысит температуры фазовых переходов в породах, вмещающих устье (-1,75^oС), соответствующей достаточным условиям прочности пород. Таким образом, на основании настоящего способа выбраны следующие параметры:
- теплоизолирующий элемент: коэффициент теплопроводности 0,024 Вт/м^oС, величина слоя теплоизолятора 0,054 м;
- термостабилизаторы: сезоннодействующие трубчатые, диаметром 0,032 м, коэффициент теплоотдачи 35 Вт/м^oС, в количестве 8 шт., размещенные вокруг внешней поверхности направления скважины.

Следует отметить, что на рассматриваемой конкретной скважине ( 6401) Бованенковского газоконденсатного месторождения оборудование трубок-контейнеров за направлением было выполнено в процессе строительства скважины и следствием этого явилось ограничение выбора мест возможного расположения и формы термостабилизаторов. В общем случае предлагаемый способ обеспечивает выбор любой формы и места расположения термостабилизаторов.

Следующим шагом реализации способа является определение температуры, ниже которой возможно разрушение колонн конструкции скважин по причине замерзания водосодержащей массы в замкнутых объемах в межтрубном пространстве. Выполненные расчеты (формулы 8-10) для условий и конструкции скважины 6401 (минерализация бурового раствора 10 г/л, диаметр эксплуатационной колонны 168,3 мм, марка стали "Л", давление смятия трубы 620 кг/см²) свидетельствуют, что при температурах ниже -5,2^oС, в замкнутом объеме водосодержащей массы в межтрубном пространстве могут быть достигнуты давления, превышающие сминающее давление для использованной марки стали и диаметра колонны.

Постановка и решение описанной выше задачи, определяющей тепловое взаимодействие элементов системы "колонны конструкции скважины - теплоизолирующий элемент - термостабилизаторы - многолетнемерзлые породы - атмосфера", с переменными условиями, отражающими процесс "включения-отключения" термостабилизаторов (фиг. 4), свидетельствуют о том, что для предотвращения разрушения колонн конструкции скважины в данном конкретном случае необходимо отключить охлаждающие устройства термостабилизаторов 1-2 раза в течение "зимнего сезона" и принудительно запустить, например с помощью внешнего компрессора, парожидкостные термостабилизаторы в "летний сезон" 1-2 раза.

Такая процедура была проведена в процессе эксплуатации скважины. Вследствие жестких зимних условий произошло переохлаждение системы скважина - пророды . Работу охлаждающих устройств термостабилизаторов остановили на 30 дней. Для компенсации поступившего в массив холода вместо термостабилизаторов на двое суток включили и выключили нагреватели. Затем термостабилизаторы были вновь включены.

Если по каким-либо причинам температурное распределение в системе скважина - пророды станет иметь тенденцию к уровню разрушающему обсадные колонны, то скважину надо "подогреть". Это можно сделать через термостабилизаторы, трансформировав их в нагреватели, или увеличив приток тепла от лифтовых труб путем управления расходом добываемого через них продукта, имеющего положительную температуру.

Управление теплофизическими параметрами конструкции скважины осуществляют:
1. Выполнением конструкции термостабилизаторов с возможностью их трансформации из охладителей в нагреватели и наоборот.

2. Увеличением притока тепла от скважины путем увеличения расхода добываемого продукта с положительной температурой.

Количество управляющих изменений параметров состояния теплотехнических устройств и продолжительность стабильных значений параметров состояния в общем случае зависит от теплофизических свойств системы скважина - пророды , в том числе и материала цементного камня. При этом, чем ниже коэффициент теплопроводности материала цементного камня, тем реже необходимо "запускать" охлаждающие элементы термостабилизаторов, а следовательно, тем большее время вся система работает в естественном режиме, не требующем вмешательства извне.

Таким образом, представленный способ позволяет обеспечить механическое закрепление приустьевой зоны колонн конструкции скважины посредством "вмораживания" последних в многолетнемерзлые породы. При этом способ позволяет учитывать переменный во времени тепловой поток в многолетнемерзлые породы со стороны поверхности Земли от атмосферы с одновременным недопущением разрушения колонн конструкции скважины при промерзании замкнутых объемов технологических жидкостей в межколонном пространстве конструкции скважины.

Формула изобретения

1. Способ стабилизации системы скважина-породы в криолитозоне, включающий определение количества и месторасположения термостабилизаторов, теплоизоляционных свойств теплоизолирующего элемента и параметров температурного режима системы скважина-породы-атмосфера путем математического моделирования теплообмена в расчетной области и размещение вокруг верхнего участка колонн конструкции скважины кольцеобразного теплоизолирующего элемента, заключенного в теплопередающий слой, состоящий из породы и термостабилизаторов, отличающийся тем, что математическое моделирование теплообмена в расчетной области осуществляют решением пространственной нелинейной задачи нестационарного теплообмена колонн конструкции скважины с породами и атмосферой с учетом фазовых переходов поровой влаги и термодинамического равновесия замерзания водосодержащей массы в замкнутых объемах, зависящего от концентрации растворенных в воде примесей и давления в ней, при этом температурный режим системы скважина-породы-атмосфера задают из условия сохранения мерзлого состояния теплопередающего слоя и окружающих его пород и условия сохранения температуры водосодержащей массы, расположенной в замкнутых объемах межколонного пространства конструкции скважины, выше температуры разрушения конструкции скважины при замерзании водосодержащей массы, параметры температурного режима системы скважина-породы-атмосфера в ходе эксплуатации скважины контролируют и при обнаружении тенденции температурного распределения в системе скважина-породы к уровню, разрушающему обсадные колонны, управляют теплофизическими параметрами конструкции скважины и термостабилизаторов, а для решения пространственной нелинейной задачи нестационарного теплообмена используют уравнение:

где Е - удельная тепловая энергия;
t - время;
T - температура в расчетной области Т(x,y,z,t);
Т_ф - температура начала замерзания поровой влаги, зависящая от концентрации солей (температура начала фазового перехода);
k(x, y, z,T), c(x,y,z,T) - коэффициенты теплопроводности и теплоемкости, где t время входит через температуру Т;
Q(x_i, y_i, z_i, t) - функция мощности тепловых источников или стоков термостабилизаторов и скважины с номером i, который определяет тип источника или стока, геометрическую форму и место установки, плотность тепловых потоков, температуру на границе с породой, включая характер их изменения во времени.

2. Способ стабилизации системы скважина-породы в криолитозоне по п.1, отличающийся тем, что используют расчетную область, представляющую собой массив пород со скважиной, ограниченный дневной поверхностью и поверхностью теплового влияния скважины.

3. Способ стабилизации системы скважина-породы в криолитозоне по п.1, отличающийся тем, что используют термостабилизаторы, выполненные с возможностью как отвода, так и подвода тепла.

4. Способ стабилизации системы скважина-породы в криолитозоне по п.1, отличающийся тем, что для управления температурным режимом системы скважина-породы-атмосфера используют следующие теплофизические параметры конструкции скважины и термостабилизаторов: давление и расход добываемого продукта, коэффициент теплообмена с атмосферой теплоотводящих и теплоподводящих устройств термостабилизаторов, вид теплоносителя в устройствах, порядок и длительность их включения и выключения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.04.2010

Извещение опубликовано: 10.04.2010        БИ: 10/2010