RU2157882C2 - Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины - Google Patents

Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины Download PDF

Info

Publication number
RU2157882C2
RU2157882C2 RU98120089A RU98120089A RU2157882C2 RU 2157882 C2 RU2157882 C2 RU 2157882C2 RU 98120089 A RU98120089 A RU 98120089A RU 98120089 A RU98120089 A RU 98120089A RU 2157882 C2 RU2157882 C2 RU 2157882C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
zone
thawed
rocks
time
well
Prior art date
Application number
RU98120089A
Other languages
English (en)
Other versions
RU98120089A (ru
Inventor
В.И. Кононов
А.И. Березняков
Г.И. Облеков
Г.К. Смолов
А.П. Попов
Г.В. Олиневич
А.Б. Осокин
Original Assignee
Предприятие "Надымгазпром"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Предприятие "Надымгазпром" filed Critical Предприятие "Надымгазпром"
Priority to RU98120089A priority Critical patent/RU2157882C2/ru
Publication of RU98120089A publication Critical patent/RU98120089A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2157882C2 publication Critical patent/RU2157882C2/ru

Links

Images

Landscapes

  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)

Abstract

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при основании месторождений, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород. Техническим результатом изобретения является повышение точности определения достоверных значений размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на заданный момент времени эксплуатации. Для этого проводят стандартные теплофизические исследования свойств грунтов, термометрических измерений для получения исходных параметров для дальнейших расчетов. Тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами определяют путем решения численными методами на основе математического моделирования для периода времени с момента пуска скважины до окончания сезона летнего оттаивания грунтов нестационарного уравнения теплопроводности. Далее снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах и определяют размеры зоны протаивания, для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки оттаявших пород в приустьевой зоне скважины за расчетный период на различном удалении от скважины по приведенным формулам. По результатам расчетов определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся термокарстовой воронки. Затем в соответствии с рассчитанной величиной осадки оттаявших пород изменяют конфигурацию расчетной области тепловой модели и повторяют вышеописанные операции для следующего годового цикла, при этом циклы расчетов повторяют до достижения заданного момента времени. В случае, если заданный момент времени не совпадает со временем окончания летнего протаивания грунтов, расчет осадки пород и построение масштабного профиля термокарстовой воронки осуществляется на заданный момент времени. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при освоении месторождений, расположенных в зоне распространения многолетнемерзлых пород.
Известен способ определения радиуса протаивания многолетнемерзлых пород путем обработки результатов термометрических исследований по формуле зависимости радиуса теплового влияния скважины на окружающие породы [Б.Б.Кудряшов, А. М. Яковлев. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. "Недра", Л., 1973, С.23-25].
Недостатком указанного способа является неучет фазовых переходов влаги при определении состояния температурного поля в прискважинной зоне, что снижает точность получаемых результатов.
Известен также способ определения радиуса ореола протаивания многолетнемерзлых пород с помощью обработки результатов термометрических исследований на основе использования формулы для расчета ореола оттаивания вокруг глубокой скважины [Инженерная геокриология. Справочное пособие. Под ред. Э.Д.Ершова, "Недра", М. 1991, С.186-188].
Известный способ рассматривает только тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами, при этом не учитывается теплообмен многолетнемерзлых пород с атмосферой и механическая осадка многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации скважины, что приводит к искажению фактических величин радиусов ореолов протаивания.
Целью изобретения является повышение точности определения достоверных значений размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на заданный момент времени эксплуатации.
Поставленная цель достигается тем, что при решении задачи формирования многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины одновременно рассматривается тепловое и механическое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами, то есть тепловое взаимодействие рассматривается с учетом сезонной осадки пород вследствие изменения их фазового состава, поэтому предлагаемый способ позволяет точно определить размеры и конфигурацию термокарстовой воронки в приустьевой зоне скважины. Он включает проведение стандартных теплофизических исследований свойств грунтов, термометрических измерений с целью получения исходных параметров для дальнейших расчетов. Затем тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами определяют путем решения численными методами на основе математического моделирования для периода времени с момента пуска скважины до окончания сезона летнего оттаивания грунтов нестационарного уравнения теплопроводности:
Figure 00000002

где Т - температура, oC,
R - радиальная координата, м,
z - продольная координата, м,
ρ - плотность, кг/м3,
С - удельная теплоемкость пород, Вт•ч/(кг•oC),
λ - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м•oC),
τ - время, ч.
Далее снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах и определяют размеры зоны протаивания, для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки оттаявших пород в приустьевой зоне скважины за расчетный период на различном удалении от скважины по формулам
ΔS = AH+Sτ, (2)
где ΔS - суммарная величина осадки оттаявших пород, м,
А - коэффициент оттаивания, б/р,
Н - мощность оттаявших слоев, м,
Sτ - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м,
Sτ = Sст•Uz, (3)
где Uz - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р,
Sст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м,
Sст= 0,5ac•g•γвзв•H2 (4),
где аc - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па-1,
g - ускорение силы тяжести, м/с2,
γвзв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м3,
γвзв= γc•(γsв)/γs (5),
где γs - плотность частиц скелета грунта, кг/м3,
γc - плотность сухого грунта, кг/м3,
γв - плотность воды, кг/м3,
Uz= 1-8π-2•e-Nb (6),
где Nb - коэффициент, вычисляемый по формуле:
Nb= 0,25π•Cv•τ/H2 (7),
τ - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч,
CV - коэффициент консолидации, м2/ч, вычисляемый по формуле:
CV = Kф/(ac• g•γвзв), (8)
где Кф - коэффициент фильтрации оттаявшего грунта, м/ч.
По результатам расчетов определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся термокарстовой воронки, затем в соответствии с рассчитанной величиной осадки оттаявших пород изменяют конфигурацию расчетной области тепловой модели и повторяют вышеописанные операции для следующего годового цикла, при этом циклы расчетов повторяют до достижения заданного момента времени. В случае, если заданный момент времени не совпадает со временем окончания летнего протаивания грунтов, расчет осадки пород и построение масштабного профиля термокарстовой воронки осуществляется на заданный момент времени.
Для пояснения описываемого способа приведены графические материалы (фиг. 1,2,3,4).
Способ реализуется следующим образом.
Эксплуатация скважин углеводородного сырья с положительными температурами добываемых флюидов в криолитозоне неизбежным образом сопряжена с тепловым воздействием на окружающие многолетнемерзлые породы. Многолетний опыт свидетельствует об образовании вокруг скважин ореолов оттаявших пород, в том числе провальных термокарстовых воронок в приустьевой зоне глубиной до 10 м и более радиусом до 6-9 м. Подобные факты приводят к снижению эксплуатационной надежности скважин, потере устойчивости их конструкций, возникновению различного рода деформаций.
На конкретной скважине проводят стандартные исследования водно-физических свойств и температур многолетнемерзлых пород и получают исходные параметры для построения расчетной области тепловой математической модели.
Расчетная область представляет собой фрагмент осевого сечения скважины и массива вмещающих многолетнемерзлых пород (фиг. 1) в цилиндрических координатах. Высота (глубина области от поверхности грунта) составляет 30 м, ширина 50 м. Верхняя граница, на которой задаются граничные условия 3 рода, отвечает положению поверхности отсыпки куста скважин. Здесь определяется тепловое взаимодействие окружающей среды с многолетнемерзлыми породами путем задания среднемесячных температур и коэффициентов теплообмена на дневной поверхности. Левая вертикальная граница, на которой также задаются условия 3 рода - температура газа и коэффициент теплоотдачи скважины, соответствует положению скважины. На остальных границах задаются, в силу симметричности теплового поля, условия 2 рода с тепловым потоком, равным 0. При разбиении области на расчетные блоки по ширине и глубине в интервале от 0 до 1 м шаг сетки составляет 0,1 м, от 1 до 3 м - 0.2 м, от 3 до 7 м - 0.4 м, от 7 до 12 м - 0.5 м и далее - 1 м.
В зоне, прилегающей к скважине, по результатам кавернометрии, задаются теплофизические свойства, соответствующие свойствам цемента, заполняющего образовавшиеся каверны в процессе бурения скважины. Остальная внутренняя область определяется параметрами теплофизических свойств пород, полученными ранее. При этом учитываются такие особенности инженерно-геологических свойств многолетнемерзлых пород, как льдистость, засоленность и отличная от 0oC температура фазовых переходов грунтовой влаги. Исходное температурное поле, соответствующее начальному "фоновому" состоянию массива многолетнемерзлых пород, задается однородным по всей области в соответствии с результатами термометрических наблюдений.
Начальным расчетным моментом является время запуска скважины. Длительность первого цикла соответствует времени от момента запуска скважины до окончания летнего оттаивания пород.
Рассчитывают тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами по (1):
Figure 00000003

где T - температура, oC,
r - радиальная координата, м,
z - продольная координата, м,
ρ - плотность, кг/м3,
С - удельная теплоемкость пород, Вт•ч/(кг•oC),
λ - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м•oC),
τ - время, ч.
Затем снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах (фиг.2) и определяют размеры зоны протаивания (см.табл.). Для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки пород за расчетный период по (2) - (8) на различном удалении от скважины:
ΔS = AH+Sτ, (2)
где ΔS - суммарная величина осадки оттаявших пород, м,
А - коэффициент оттаивания, б/р,
Н - мощность оттаявших слоев, м,
Sτ - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м,
Sτ = Sст • Uz, (3)
где Uz - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р,
Sст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м,
Sст = 0.5 ac• g•γвзв•H2, (4)
где аc - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па-1,
g - ускорение силы тяжести, м/с,
γвзв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м3,
γвзв= γc•(γsв)/γs, (5)
где γs - плотность частиц скелета грунта, кг/м3,
γc - плотность сухого грунта, кг/м3,
γв - плотность воды, кг/м3,
Uz= 1-8π-2 • e-Nb, (6)
где Nb - коэффициент, вычисляемый по формуле:
Nb= 0,25π•Cv•τ/H2 (7),
где τ - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч,
CV - коэффициент консолидации, м2/ч, вычисляемый по формуле:
CVф/(ас• g • γвзв),
где Кф - коэффициент фильтрации оттаявшего грунта, м/ч.
Далее определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся воронки протаивания (фиг.3). Соответственным образом вносят изменения в конфигурацию расчетной области тепловой модели (фиг.4).
Цикл расчетов повторяют для каждого следующего годового сезона промерзания - протаивания пород. Окончанием расчета является достижение заданного момента времени. Для него фиксируют размеры и конфигурацию зоны протаивания многолетнемерзлых пород, определяют осадку пород и строят масштабный профиль термокарстовой воронки в приустьевой зоне скважины.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет точно и достоверно определять значения размеров ореолов и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины на заданный момент времени при нестационарном состоянии температурного поля с учетом влияния теплообмена с атмосферой и осадки оттаивающих многолетнемерзлых пород в процессе эксплуатации скважины, что позволяет, в свою очередь, своевременно и оптимально решать проблемы предотвращения различного рода деформации конструкций, обеспечения устойчивости ствола скважины, надежности функционирования прискважинного оборудования в течение всего срока эксплуатации месторождения углеводородного сырья в зоне распространения многолетнемерзлых пород.
Источники информации:
1. Б.Б.Кудряшов, А.М.Яковлев. Новая технология бурения скважин в мерзлых породах. "Недра", Л., 1973, с.23-25.
2. Инженерная геокриология. Справочное пособие. Под ред. Э.Д.Ершова, "Недра", М., 1991, с.186-188.

Claims (2)

1. Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины, включающий проведение стандартных теплофизических исследований свойств грунтов и термометрических измерений и определение на основании полученных исходных параметров теплового взаимодействия скважины с многолетнемерзлыми породами, отличающийся тем, что тепловое взаимодействие скважины с многолетнемерзлыми породами определяют путем решения численными методами на основе математического моделирования для периода времени с момента пуска скважины до окончания сезона летнего оттаивания грунтов нестационарного уравнения теплопроводности
Figure 00000004

где Т - температура, oС;
r - радиальная координата, м;
Z - продольная координата, м;
ρ - плотность, кг/м3;
C - удельная теплоемкость пород, Вт•ч/кг•oС),
λ - коэффициент теплопроводности пород, Вт/(м•oС),
τ - время, ч,
снимают значения температур теплового поля, строят профиль положения фазовой границы пород на различных глубинах и определяют размеры зоны протаивания, для полученной зоны протаивания рассчитывают величину осадки оттаявших пород в приустьевой зоне скважины за расчетный период на различном удалении от скважины по формулам
ΔS = AH+Sτ,
где ΔS - суммарная величина осадки оттаявших пород, м;
А - коэффициент оттаивания, б/р;
Н - мощность оттаявших слоев, м;
Sτ - осадка уплотнения под действием собственного веса к моменту передачи на основание полезной нагрузки, м, Sτ = Sст • Uz, где Uz - степень фильтрационной консолидации грунта при оттоке влаги в вертикальном направлении, б/р, Sст - величина стабилизированной осадки уплотнения оттаявшего массива грунта под действием собственного веса, м, Sст = 0,5ac • g γвзв • H2, где ac - коэффициент сжимаемости оттаявшего грунта, Па-1, g - ускорение силы тяжести, м/с2, γвзв - плотность грунта во взвешенном состоянии, кг/м3, γвзв= γc•(γsв)/γs, где γs - плотность частиц скелета грунта, кг/м3, γc - плотность сухого грунта, кг/м3, γв - плотность воды, кг/м3,
Figure 00000005

где Nв - коэффициент, вычисляемый по формуле Nb= 0,25π•Cv•τ/H2, где τ - время, отсчитываемое от окончания оттаивания, ч, Cv - коэффициент консолидации, м2/ч, вычисляемый по формуле, где Kф - коэффициент фильтрации оттаявшего грунта, м/ч,
определяют радиус на различных глубинах и строят масштабный профиль сформировавшейся термокарстовой воронки, затем в соответствии с рассчитанной величиной осадки оттаявших пород изменяют конфигурацию расчетной области тепловой модели и повторяют вышеописанные операции для следующего годового цикла, при этом циклы расчетов повторяют до достижения заданного момента времени.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при условии несовпадения заданного момента времени с временем окончания летнего протаивания многолетнемерзлых пород расчет осадки пород и построение масштабного профиля термокарстовой воронки осуществляют на заданный момент времени.
RU98120089A 1998-11-02 1998-11-02 Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины RU2157882C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98120089A RU2157882C2 (ru) 1998-11-02 1998-11-02 Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU98120089A RU2157882C2 (ru) 1998-11-02 1998-11-02 Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU98120089A RU98120089A (ru) 2000-09-10
RU2157882C2 true RU2157882C2 (ru) 2000-10-20

Family

ID=20212034

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU98120089A RU2157882C2 (ru) 1998-11-02 1998-11-02 Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2157882C2 (ru)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2526435C1 (ru) * 2013-04-23 2014-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий-Газпром ВНИИГАЗ" Способ мониторинга теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами
RU2588076C2 (ru) * 2014-11-26 2016-06-27 Дарья Васильевна Шевелева Способ определения температуры многолетне-мерзлых пород вокруг скважины и температуры флюида в скважине
CN107356726A (zh) * 2017-08-22 2017-11-17 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 多年冻土退化过程室内模拟系统
RU2754094C1 (ru) * 2020-12-29 2021-08-26 Акционерное общество "Научно-исследовательский центр "Строительство", АО "НИЦ "Строительство" Устройство для определения коэффициента оттаивания многолетнемёрзлого грунта
CN115114709A (zh) * 2022-06-13 2022-09-27 安徽理工大学 一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КУДРЯШОВ Б.В., ЯКОВЛЕВ А.М. Бурение скважин в мерзлых породах. - М.: Недра, 1983, с.30-42. *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2526435C1 (ru) * 2013-04-23 2014-08-20 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий-Газпром ВНИИГАЗ" Способ мониторинга теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами
RU2588076C2 (ru) * 2014-11-26 2016-06-27 Дарья Васильевна Шевелева Способ определения температуры многолетне-мерзлых пород вокруг скважины и температуры флюида в скважине
CN107356726A (zh) * 2017-08-22 2017-11-17 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 多年冻土退化过程室内模拟系统
CN107356726B (zh) * 2017-08-22 2023-05-12 中国科学院西北生态环境资源研究院 多年冻土退化过程室内模拟系统
RU2754094C1 (ru) * 2020-12-29 2021-08-26 Акционерное общество "Научно-исследовательский центр "Строительство", АО "НИЦ "Строительство" Устройство для определения коэффициента оттаивания многолетнемёрзлого грунта
CN115114709A (zh) * 2022-06-13 2022-09-27 安徽理工大学 一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法
CN115114709B (zh) * 2022-06-13 2024-04-19 安徽理工大学 一种地铁隧道冻结法施工地层三维融沉变形的预测方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Allis et al. Analysis of exploitation-induced gravity changes at Wairakei geothermal field
CN102562048B (zh) 一种预测高成岩阶段低孔低渗碎屑岩有效储层的方法
CN104655540A (zh) 一种确定成藏期致密砂岩古孔隙度方法
Zeng et al. Effect of colluvial soil slope fracture’s anisotropy characteristics on rainwater infiltration process
Liu et al. Characteristic analysis of crack initiation and crack damage stress of sandstone and mudstone under low-temperature condition
RU2157882C2 (ru) Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины
CN116205073A (zh) 一种基于应变速率的管体安全分析方法及系统
CN109372562A (zh) 一种用于处理隧道围岩季节冻胀的锚杆及其施工方法
Jessop et al. Geothermal measurements in a deep well at Regina, Saskatchewan
CN103884738A (zh) 地热单井地层热物性分布评估方法
Bloomer Thermal conductivities of mudrocks in the United Kingdoms
Wright et al. Thermal conductivity of sediments within the gas-hydrate-bearing interval at the JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik 5L-38 gas hydrate production research well
RU2658856C1 (ru) Способ определения профиля теплопроводности горных пород в скважине
CN111680403B (zh) 一种基于热-声耦合算法的冻结壁发育状况判断预警方法
CN112796704B (zh) 油井热洗清蜡方式优选与参数优化方法
CN110847141B (zh) 一种基于深部位移变形监测的边坡下滑推力计算方法
Perkins et al. Studies of pressures generated upon refreezing of thawed permafrost around a wellbore
WO2010062216A1 (ru) Способ теплового каротажа скважин и устройство для его осуществления
Blaker Characterization of a natural clayey silt and the effects of sample disturbance on soil behavior and engineering properties
Sliwa et al. Thermal Stabilization Time of Borehole Heat Exchanger Due to the Drilling Process
Moldabayeva et al. Hydrodynamic modeling of field development using enhanced oil recovery methods
CN114673494B (zh) 蒸汽吞吐后储层孔渗预测方法
RU98120089A (ru) Способ определения размеров и конфигурации зоны оттаивания многолетнемерзлых пород в приустьевой зоне скважины
RU2779073C1 (ru) Способ комплексной термостабилизации многолетнемерзлых пород в зонах воздействия добывающих скважин неоком-юрских залежей
Simonsen et al. Permeability of a stiff fissured very high plasticity palaeogene clay-direct and indirect measurement methods and scale effects

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20071103