RU2170810C2

RU2170810C2 - Method of thaw prevention of wellbore region in permafrost zone

Info

Publication number: RU2170810C2
Application number: RU99110210A
Authority: RU
Inventors: А.М. Сиротин; В.В. Василевский; А.В. Рудницкий; В.С. Смирнов
Original assignee: ОАО "Газпром"
Priority date: 1999-05-13
Filing date: 1999-05-13
Publication date: 2001-07-20

Abstract

FIELD: oil and gas producing industry; applicable in installation and maintenance of equipment of gas wells in regions of Extreme North, in frozen icy rocks. SUBSTANCE: operation of gas wells in permafrost zones is aggravated by thaw of permafrost rocks and wellhead wall collapse, loss of stability of well upper casing, annulus gas showing in decomposition of hydrated gas accumulations in this zone in course of thaw of wellbore region. Method includes recovery of formation gas from well and its separation into two flows. Large flow is directed to gas pipeline. Small flow after cooling is directed to pipe-like heat exchangers-coolers located in tubing-casing annulus or in wellbore region of frozen rock mass and returned to gas pipeline under pressure equaling that of formation gas in point of its separation into two flows. In so doing, pressure in gas pipeline before return to it of small cooled gas flow is reduced to value exceeding value of hydraulic losses in this flow during its motion. Pipe-like heat exchanger-coolers may be located between surface casing and flow string or between surface casing and frozen rock mass. EFFECT: minimized losses of formation energy for prevention of thaw of frozen rocks, increased economic efficiency and reliability of offered method. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при обустройстве газовых скважин Крайнего Севера, расположенных в мерзлых льдистых породах, эксплуатация которых осложняется растеплением многолетнемерзлых пород (ММП) с приустьевыми обвалами, потерей устойчивости верхней части крепи, заколонными газопроявлениями при разложении газогидратных залежей в этой зоне в ходе растепления околоствольного пространства и т.д. The invention relates to the oil and gas industry and can be used in the arrangement of gas wells of the Far North, located in frozen ice, the operation of which is complicated by the thawing of permafrost rocks with openings collapse, loss of stability of the upper part of the lining, annular gas manifestations when decomposing gas hydrates this zone during the thawing of the borehole, etc.

В настоящее время газовые и нефтяные скважины Крайнего Севера оборудуют теплоизолированными лифтовыми колоннами, однако и при их эксплуатации происходит со временем растепление околоствольного пространства скважины в ММП. Currently, gas and oil wells of the Far North are equipped with heat-insulated lift columns, however, during their operation, the borehole borehole thawing in the permafrost also thaws over time.

Известен способ предотвращения растепления мерзлых пород вокруг скважины с теплоизолированной лифтовой колонной, включающий добычу пластового газа из скважины, разделение его на два потока, больший из которых направляют в газопровод, а меньший охлаждают и возвращают в газопровод [АС СССР N 562637, E 21 B 43/00, опубл. 25.06.77 г.]. There is a method of preventing thawing of frozen rocks around a well with a heat-insulated lift string, including producing reservoir gas from the well, dividing it into two streams, the larger of which is directed to the gas pipeline, and the smaller one is cooled and returned to the gas pipeline [AS USSR N 562637, E 21 B 43 / 00 publ. 06/25/77 g.].

Недостатки этого способа заключаются в следующем:
- дросселирование газа с целью охлаждения его за счет эффекта Джоуля-Томсона и последующее эжектирование его основным газовым потоком приводит к значительным потерям пластовой энергии;
- для возвращения охлажденного газа в общий поток требуется сдросселировать последний в эжекторе, а затем скомпремировать на компрессорной станции, что влечет за собой значительные капитальные вложения.The disadvantages of this method are as follows:
- throttling of the gas in order to cool it due to the Joule-Thomson effect and its subsequent ejection with the main gas flow leads to significant formation energy losses;
- to return the chilled gas to the general stream, it is necessary to throttle the latter in the ejector, and then to compress at the compressor station, which entails significant capital investments.

Технический результат предлагаемого способа заключается в том, чтобы свести к минимуму потери пластовой энергии на предупреждение растепления мерзлых пород, что позволит повысить экономичность и надежность способа. The technical result of the proposed method is to minimize the loss of reservoir energy to prevent thawing of frozen rocks, which will improve the efficiency and reliability of the method.

Данный технический результат достигают за счет того, что в способе предотвращения растепления мерзлых пород вокруг скважины с теплоизолированной лифтовой колонной, включающем добычу пластового газа из скважины, разделение его на два потока, больший из которых направляют в газопровод, а меньший охлаждают и возвращают в газопровод, причем меньший поток после охлаждения направляют в трубообразные теплообменники-холодильники, размещенные в межколонном пространстве или приствольном массиве мерзлых пород, и возвращают в газопровод под давлением, равным давлению пластового газа в точке разделения его на два потока, при этом давление в газопроводе перед возвращением в него меньшего охлажденного потока уменьшают на величину, большую величины гидравлических потерь этого потока по пути его движения, а также за счет того, что трубообразные теплообменники-холодильники размещают между кондуктором и эксплуатационной колонной, и за счет того, что трубообразные теплообменники-холодильники размещают между направлением и кондуктором. This technical result is achieved due to the fact that in the method of preventing thawing of frozen rocks around the well with an insulated lift column, which includes producing formation gas from the well, dividing it into two streams, the larger of which is directed to the gas pipeline, and the smaller one is cooled and returned to the gas pipeline, moreover, a smaller stream after cooling is directed to pipe-shaped heat exchangers-coolers located in the annular space or near-trunk array of frozen rocks, and returned to the gas pipeline under pressure the pressure equal to the pressure of the formation gas at the point of its separation into two streams, while the pressure in the pipeline before returning to it a smaller cooled stream is reduced by an amount greater than the hydraulic losses of this stream along its path, as well as due to the fact that the tube-shaped heat exchangers -fridges are placed between the conductor and the production casing, and due to the fact that the tube-shaped heat exchangers-coolers are placed between the direction and the conductor.

На фиг. 1 изображена схема осуществления способа, на которой показано закачивание охлажденного газа в трубообразные теплообменники-холодильники, размещенные между кондуктором и эксплуатационной колонной. На фиг. 2 изображена схема осуществления способа, на которой показано закачивание охлажденного газа в трубообразные теплообменники- холодильники, размещенные между направлением и кондуктором. На фиг. 3 изображена схема осуществления способа, на которой показано закачивание охлажденного газа в трубообразные теплообменники-холодильники, размещенные в приствольном массиве мерзлых пород. In FIG. 1 is a flowchart showing the injection of chilled gas into tube-shaped heat exchangers-coolers located between the conductor and the production casing. In FIG. 2 is a flowchart showing the injection of chilled gas into tube-shaped heat exchangers-coolers located between the direction and the conductor. In FIG. 3 is a flowchart of the method, which shows the injection of chilled gas into tube-shaped heat exchangers-coolers located in a near-stem array of frozen rocks.

Схема осуществления предложенного способа (фиг. 1, 2 и 3) включает теплоизолированную лифтовую колонну 1, трубопровод устьевой обвязки 2, газоотвод 3, газопровод 4, газоохладитель 5, трубообразные теплообменники-холодильники 6, эксплуатационную колонну 7, клапан 8, регулирующий расход охлаждаемой части газа, газоотвод 9, кондуктор 10, направление 11. Позицией 12 на фиг. 1, 2 и 3 обозначен приствольный массив мерзлых пород. The implementation scheme of the proposed method (Fig. 1, 2 and 3) includes a thermally insulated lift column 1, wellhead piping 2, gas outlet 3, gas pipe 4, gas cooler 5, tube-shaped heat exchangers-coolers 6, production casing 7, valve 8, regulating the flow rate of the cooled part gas, gas outlet 9, conductor 10, direction 11. At 12, FIG. 1, 2 and 3 indicate the near-stem array of frozen rocks.

Способ реализуют следующим образом. The method is implemented as follows.

Добываемый пластовый газ разделяют на два потока, больший из которых направляют в газопровод 4, а меньший поток газа охлаждают для превращения его в сторонний хладагент. Для этого поток газа, поступающий из скважины по лифтовой колонне 1, направляют в трубопровод устьевой обвязки 2, затем меньший поток газа поступает через газоотвод 3 в газоохладитель 5, который использует холод атмосферного воздуха, при этом газ охлаждают до требуемой отрицательной температуры. Далее охлажденный газ направляют в трубообразные теплообменники- холодильники 6, размещенные, например, между кондуктором и эксплуатационной колонной, что позволит поддерживать требуемую отрицательную температуру мерзлых пород без снижения жесткости конструкции и снижения герметичности межколонного и заколонного пространства скважины от газопроявлений, так как пространство вокруг трубообразных теплообменников-холодильников заполняется цементным раствором до устья скважины. Далее газовый поток возвращают по газоотводу 9 в газопровод 4 под давлением, равным давлению пластового газа в точке разделения его на два потока, что позволяет сохранить пластовую энергию транспортируемого газа и упростить общую конструкцию системы охлаждения. При этом давление в газопроводе 4 перед возвращением в него меньшего охлажденного потока уменьшают на величину, большую величины гидравлических потерь этого потока по пути его движения с помощью клапана 8, чтобы обеспечить разность давлений в точке отбора охлажденного газа и точке ввода его в газопровод 4 с целью подачи расчетного (определенного опытом) количества охлажденного газа в трубообразные теплообменники- холодильники. The produced reservoir gas is divided into two streams, the larger of which is directed to the gas pipeline 4, and the smaller gas stream is cooled to turn it into an external refrigerant. For this, the gas flow coming from the well through the lift column 1 is sent to the wellhead piping 2, then a smaller gas stream enters through the gas outlet 3 into the gas cooler 5, which uses atmospheric air cold, while the gas is cooled to the required negative temperature. Next, the cooled gas is sent to tube-shaped heat exchangers-coolers 6, placed, for example, between the conductor and the production string, which will allow maintaining the required negative temperature of frozen rocks without reducing the rigidity of the structure and reducing the tightness of the annulus and annulus of the well from gas, as the space around the tube-shaped heat exchangers -fridge is filled with cement mortar to the wellhead. Next, the gas stream is returned through the gas outlet 9 to the gas pipeline 4 under a pressure equal to the pressure of the formation gas at the point of separation into two streams, which allows you to save the reservoir energy of the transported gas and simplify the overall design of the cooling system. In this case, the pressure in the gas pipeline 4 before returning to it a smaller cooled stream is reduced by an amount greater than the hydraulic losses of this stream along its path using valve 8, in order to ensure a pressure difference at the point of selection of the cooled gas and the point of its entry into the gas pipeline 4 with the aim supply of the calculated (determined by experience) amount of chilled gas to the tube-shaped heat exchangers-coolers.

Подачу охлажденного газа в трубообразные теплообменники- холодильники прекращают, если температура его на выходе из газоохладителя 5 становится выше минус 5^oC (по причине колебания температуры атмосферного воздуха). Это необходимо потому, что температура многолетнемерзлых пород приблизительно постоянна и составляет минус 3-5^oC.The supply of chilled gas to the tube-shaped heat exchangers-coolers is stopped if its temperature at the outlet of the gas cooler 5 becomes higher than minus 5 ^o C (due to fluctuations in ambient air temperature). This is necessary because the temperature of permafrost is approximately constant and is minus 3-5 ^o C.

В предложенном способе трубообразные теплообменники- холодильники размещают в межколонном пространстве или в приствольном массиве мерзлых пород с последующим заполнением межколонного пространства цементным раствором для сохранения жесткости и герметичности конструкции скважины. Такое размещение трубообразных теплообменников- холодильников позволит поддерживать грунт вокруг скважины в мерзлом состоянии, а заполнение межколонного пространства между эксплуатационной и лифтовой колоннами надпакерной жидкостью до устья скважины увеличит герметичность межколонного пространства от газопроявлений. In the proposed method, tube-shaped heat exchangers-refrigerators are placed in the annular space or in the near-stem array of frozen rocks, followed by filling the annular space with cement mortar to maintain rigidity and tightness of the well structure. Such placement of tube-shaped heat exchangers-refrigerators will allow maintaining the soil around the well in a frozen state, and filling the annular space between the production and elevator columns with over-packer fluid to the wellhead will increase the tightness of annular space from gas showings.

Данный способ допускает незначительное растепление многолетнемерзлых пород вокруг скважины в летнее время (1-2 месяца), но это растепление не окажет существенного влияния на устойчивость ствола скважины. Вместе с тем незначительное растепление ММП вокруг ствола скважины (5-10 см по радиусу) позволяет снять вертикальные нагрузки на кондуктор 10 и эксплуатационную колонну 7, которые будут возникать вследствие опускания (просадки) суши по мере истощения запасов газа. This method allows slight thawing of permafrost around the well in the summer (1-2 months), but this thawing will not have a significant impact on the stability of the wellbore. However, a slight thawing of the permafrost around the wellbore (5-10 cm in radius) allows you to remove the vertical loads on the conductor 10 and production casing 7, which will occur due to lowering (subsidence) of land as the gas reserves are depleted.

Предложенный способ предотвращения растепления околоствольного пространства скважины в зоне мерзлоты позволит:
- существенно сэкономить пластовую энергию, так как для его реализации не требуется дросселировать газ с целью его охлаждения и утилизации;
- существенно сэкономить капитальные и эксплуатационные расходы на установки (сооружения) для компремирования охлажденного газа и газа эжектирования.The proposed method for preventing thawing of the borehole space in the permafrost zone will allow:
- significantly save formation energy, since for its implementation it is not necessary to throttle the gas in order to cool and utilize it;
- significantly save capital and operating costs for installations (structures) for the compression of chilled gas and ejection gas.

Данное изобретение может быть использовано в течение всего периода разработки месторождения независимо от величины давления пластового газа. This invention can be used during the entire period of field development, regardless of the pressure of the reservoir gas.

Данное изобретение может быть реализовано на скважинах Бованенковского, Харасовэйского, Крузенштерновского и других месторождений полуострова Ямал, расположенных в зоне с суровыми климатическими условиями, которые характеризуются холодной, продолжительной зимой (около 9 месяцев) с абсолютным минимумом температуры до минус 52^oC и прохладным коротким летом (около 2-х месяцев).This invention can be implemented in the wells of Bovanenkovsky, Kharasoveysky, Kruzenshternovsky and other fields of the Yamal Peninsula, located in an area with severe climatic conditions, which are characterized by cold, long winters (about 9 months) with an absolute minimum temperature of minus 52 ^o C and cool short summers (about 2 months).

Claims

1. A method of preventing thawing of frozen rocks around a well with a heat-insulated lift string, comprising producing formation gas from the well, dividing it into two streams, the larger of which is directed to the gas pipeline, and the smaller one is cooled and returned to the gas pipeline, characterized in that the smaller stream after cooling they are sent to tube-shaped heat exchangers-coolers located in annular space or in a near-stem array of frozen rocks, and returned to the gas pipeline under a pressure equal to the pressure of the formation gas in the point of its separation into two streams, while the pressure in the gas pipeline before returning to it a smaller cooled stream is reduced by an amount greater than the hydraulic losses of this stream along its path.

2. The method according to claim 1, characterized in that the tube-shaped heat exchangers-refrigerators are placed between the conductor and the production casing.

3. The method according to claim 1, characterized in that the tube-shaped heat exchangers-refrigerators are placed between the direction and the conductor.