Системы ВЕТ для температурной стабилизации грунтов приустьевых зон нефтегазовых скважин
Для сохранения устойчивости и обеспечения минимальных деформаций грунтового основания приустьевой зоны нефтяных и газовых скважин многолетнемерзлые грунты (ММГ) должны использоваться по I-му принципу (согласно СП25.133330.2013). В целях предотвращения оттаивания пород за пределами минимального радиуса растепления в устьевой зоне действующих скважин применяются сезонно действующие системы температурной стабилизации.
Воздействие многолетней мерзлоты приводит к изменениям прочности, несущей способности и сжимаемости мерзлых пород, напряжениям и деформациям в промерзающих и протаивающих породах, развитию пучения, осадки, термоэрозии, наледей, термокарста, солифлюкции и других криогенных процессов и образований. Это воздействие значительно возрастает при активном техногенном освоении территории, включающем планировку поверхности грунтов, вырубку древесно-кустарниковой растительности и уничтожение напочвенных покровов, заводнение территории, строительно-монтажные работы и т. п. В последние десятилетия деформациям и разрушению природных мерзлотных ландшафтов способствуют последствия глобального потепления климата в Северном полушарии.
Одним из основных элементов инфраструктуры нефтегазовых промыслов являются кустовые площадки с расположенными на них нефте- и газодобывающими скважинами. При эксплуатации этих площадок грунты их оснований, находящиеся в многолетнемерзлом состоянии, подвергаются интенсивному техногенному воздействию. При нарушениях температурного режима этих грунтов могут происходить такие серьезные осложнения, как кавернообразование при бурении под кондуктор, низкое качество цементирования, неустойчивость приустьевых площадок в период бурения и эксплуатации скважин, разрыв и смятие колонн при их простое и т.п. Следует отдельно отметить влияние на грунты со стороны скважины, выделяющей значительное количество тепла, что приводит к повышению температуры окружающих грунтов, переходу их из твердомерзлого или пластичномерзлого состояния в талое состояние.
Такой переход сопровождается потерей несущей способности основания, что приводит, в свою очередь, к значительным просадкам устьевой зоны, деформациям скважин и обвязки (рис. 1).
Рис. 1. Просадка устьевой зоны скважины, связанная с растеплением грунтов приустьевой зоны скважины
Этих осложнений можно избежать при строительстве по так называемому I-му принципу, по которому мерзлое состояние грунтов оснований промысловых объектов сохраняется в течение всего периода их строительства и эксплуатации. Эффективность использования I-го принципа строительства на ММГ возрастает при применении различных технических решений, повышения несущей способности грунтовых оснований возводимых объектов.
Практика последних лет показала, что наиболее экономичным, эффективным и экологически безопасным способом использования I-го принципа строительства на ММГ является установка в основаниях сооружений сезонно действующих охлаждающих устройств – одиночных термостабилизаторов или систем ВЕТ.
Фото 1. Температурная стабилизация грунтов оснований газовой скважины при помощи одиночных термостабилизаторов. Бованенковское месторождение, 2001 год
Фото 2. Температурная стабилизация грунтов оснований газовой скважины при помощи системы ВЕТ. Бованенковское месторождение, 2008 год
Эти охлаждающие устройства представляют собой герметичную неразъемную трубную конструкцию, заправленную хладагентом, и состоящую из надземной части – конденсаторной, подземной части – охлаждающей. Они работают по принципу двухфазного термосифона, перенося естественный холод в зимнее время года к основанию сооружения, что позволяет стабилизировать температурный режим мерзлых грунтов на проектируемом уровне. Устройства не требуют затрат электроэнергии, их действие основано на использовании силы тяжести и разности температур грунта и наружного воздуха. Теплопередающая работоспособность изделий обеспечена автоматическим перемещением хладагента в герметичной конструкции от конденсатора, где смесь гравитационно разделяется на жидкость и пар под воздействием холода, к охлаждающим трубам – испарителям, расположенным в грунтах. В качестве хладагента используется аммиак или углекислота.
Система ВЕТ (вертикальная естественно действующая трубчатая) предназначена для замораживания талых и охлаждения пластичномерзлых грунтов с целью создания низкотемпературного твердо мерзлого массива в основаниях зданий, сооружений и приустьевых зон скважин. В ней заложена способность справляться с нестандартными ситуациями (непредвиденные тепловыделения, последствия аномально теплых зим, требования скорости строительства). Для этого в конструкции системы предусмотрены вентили, позволяющие подключаться к передвижной серийно-выпускаемой холодильной машине и производить принудительное охлаждение грунта даже в летнее время, что невозможно для одиночных термостабилизаторов.
Система ВЕТ состоит (рис. 2) из вертикальных охлаждающих труб, соединительных труб и конденсаторного блока. Подземную часть системы составляют соединительные трубы (ТС) и вертикальные охлаждающие трубы (ТОВ). В качестве ТС и ТОВ используются стальные бесшовные оцинкованные трубы ТОВ 33,7×3,5 мм ГОСТ 8732, сталь марки 09Г2С. Надземная часть системы состоит из конденсаторного блока.
Рис. 2. Охлаждающая система ВЕТ
Система ВЕТ имеет следующие основные параметры:
- глубина ТОВ до 60 м;
- поверхность блока конденсаторного 110 м2;
- количество ТОВ, подключенных к одному конденсаторному блоку от 4 до 20 шт;
- шаг установки ТОВ от 2 до 6 м в зависимости от грунтовых условий.
Уникальность данного технического решения обусловлена возможностью подземного размещения вертикальных охлаждающих труб в зоне скважины, а надземного конденсаторного блока на расстоянии 10-20 м от самой скважины, не препятствуя ее обслуживанию.
Применение системы «ВЕТ» для термостабилизации грунтов оснований кустовых площадок позволило решить проблему их устойчивости для нефтяных и газовых скважин, а также сократить расстояние между скважинами с 20 до 10-12 м. Дополнительную надежность решению придает использование двух автономных систем охлаждения для 2...4 скважин.
Это техническое решение впервые успешно было использовано в 2007 году для термостабилизации грунтов оснований устьев скважин на Бованенковском газовом месторождении, где применение систем ВЕТ позволило ограничить радиус оттаивания грунта вокруг устья скважины до одного метра без применения теплоизоляции скважин. В дальнейшем системы ВЕТ стали применяться на всех скважинах Бованенковского месторождения, а также две системы были смонтированы на кусту №1 Ванкорского месторождения (рис. 3, 4).
Рис. 3. Системы ВЕТ в основании кустов газовых скважин Бованенковского месторождения
Рис.4. Система ВЕТ на нефтяной скважине куста №1 Ванкорского месторождения
Измерения температур грунтов по кусту №1 Ванкорского месторождения за 2009-2010 год показали, что за время работы систем ВЕТ произошло промораживание талых грунтов приустьевой зоны скважин до твердомерзлого состояния, и их дальнейшее сохранение в мерзлом состоянии в течение всего года (рис. 5).
Для сравнения приведены изменения температуры грунтов на скважинах без систем температурной стабилизации грунтов. Как видно из графика за один год произошло постепенное повышение температур грунтов, что может привести к образованию приустьевых просадок грунта, искривлению скважины и обвязки трубопроводов (рис. 6).
Рис. 5. Изменение температуры грунтов приустьевой зоны скважины с системой ВЕТ куста №1 Ванкорского месторождения
Рис. 6. Повышение температуры грунтов приустьевой зоны скважин без применения систем замораживания грунтов
По результатам наблюдений службы мониторинга можно сделать вывод, что проектные решения по термостабилизации грунтов оснований кустовых площадок с применением охлаждающих систем ВЕТ:
- обеспечивают устойчивость грунтового основания приустьевой зоны нефтегазовых скважин;
- позволяют сократить расстояния между кустовыми скважинами с 20 до 10-12 м;
- гарантируют отсутствие деформаций скважин и опор трубопроводной обвязки скважин.
При выборе наилучшего варианта для термостабилизации грунтовых оснований кустовой площадки №3 было выполнено техникоэкономическое сравнение системы ВЕТ и одиночных термостабилизаторов длиной 18 и 20 м.
Сравнение двух вариантов термостабилизации грунтов проведено на кустовой площадке с геологическими условиями, которые характеризуются прерывистым распространением ММГ сливающегося типа. Грунты основания кустовой площадки представлены суглинками твердомерзлыми льдистыми, песками мелкими и средней крупности твердомерзлыми слабольдистыми и льдистыми. По всей площадке куста с поверхности залегает торф твердомерзлый мощностью до 4,6 м. В грунтах присутствуют включения гравия и гальки. По степени засоленности грунты классифицируются как незасоленные, засоленность колеблется от 0,01 до 0,04%. Температура грунтов на глубине 10 м на площадке куста, изменяется в диапазоне от -1°С до -1,5°С (замеры в апреле 2016 года).
По первому варианту для термостабилизации приустьевой зоны двух скважин используются две автономные системы ВЕТ, каждая из которых состоит из испарительной части в виде ТОВ, транзитной части и конденсаторной части (рис. 7). Последняя представляет собой блок из оребренных труб, в котором происходит конденсация паровой фазы хладагента. Конденсаторные блоки систем ВЕТ удалены от устьев скважин для обеспечения удобства эксплуатации и возможности проведения ремонтных работ устьев скважин. Испарительная часть систем заглублена на 2,1 м ниже планировочной отметки земли в районе устьев. Вокруг каждой скважины на расстоянии 1,4-2,5 м от их осей расположено 16 ТОВ глубиной 13 м.
Рис. 7. Схема расположения систем ВЕТ на кустовой площадке
При втором варианте применяются одиночные термостабилизаторы (рис. 8). Это герметичное изделие, заправленное хладагентом, с однотрубным цельнометаллическим корпусом, состоящее из подземной испарительной части, и расположенной непосредственно над ней – надземной конденсаторной части в виде оребренной трубы. Вокруг каждой скважины расположено 16 вертикальных одиночных термостабилизаторов длиной 18 м и 6 наклонных одиночных термостабилизаторов длиной 20 м на расстояниях от ее оси 1,7-3,7 м. Высота надземной конденсаторной части – 3,3 м. Одиночные термостабилизаторы имеют вертикальное и наклонное положение для возможности охвата приустьевой области.
Рис. 8. Схема расположения одиночных термостабилизаторов на кустовой площадке
Для технико-экономического сравнения рассматриваемых вариантов были выполнены прогнозы изменения температурного режима грунтов с целью определения габаритов массива оттаивающих пород в процессе эксплуатации скважин.
Прогнозный расчет температурного режима грунтов в устьевой зоне скважин производился при следующих условиях:
- температура нефти в скважинах равна плюс 20°С;
- расстояние между устьями скважин равно 13,0 м;
- для теплоизоляции скважины применяется пенополиуретан толщиной 135 мм с коэффициентом теплопроводности λ=0,031 Вт/(м°С);
- длина теплоизолирующего направления 22,5 м;
- глубина приустьевого колодца составляет 1,5 м от поверхности земли;
- скважина моделируется граничными условиями третьего рода, задается температура нефти и коэффициент теплообмена скважины с затрубным пространством;
- температура воздуха задается помесячно по данным ГГО им. А. И. Воейкова;
- повышенное снегонакопление вокруг устья скважин и в местах, где проходят эстакады;
- мощность насыпного грунта, учтенного в расчете, принята 3,2 м.
Данные прогнозного моделирования показали, что и системами ВЕТ, и одиночными термостабилизаторами обеспечивается твердомерзлое состояние грунтов основания на весь период эксплуатации при их ежегодной сезонной работе. Следовательно, оба данных варианта обеспечивают сохранение мерзлого грунта приустьевой зоны скважины и препятствуют образованию приустьевых воронок.
При сравнении результатов использования систем ВЕТ и одиночных термостабилизаторов для температурной стабилизации грунтовых оснований кустовых площадок важно оценить затраты на их транспортировку и монтаж.
Применение одиночных термостабилизаторов длиной более 16 метров ограничено в связи с «не габаритом» изделий и требуют разработки дополнительных технических решений по их доставке, а также согласования с заказчиком и генпроектировщиком. Так же погрузочно-разгрузочные работы и погружение одиночных термостабилизаторов длиной 18 и 20 м в пробуренные скважины осуществляется с обязательным привлечением подъемных механизмов с достаточным вылетом стрелы и высотой подъема. Кроме того, в приустьевой зоне скважин располагаются инженерные сооружения (площадка для обслуживания и исследования скважин, приустьевый короб, эстакада, зона проезда техники), которые ограничивают возможную зону установки одиночных термостабилизаторов. Таким образом, невозможно расположить одиночные термостабилизаторы вокруг скважины симметрично и максимально приблизиться к устью.
Транспортировка элементов систем ВЕТ осуществляется стандартным железнодорожным или автомобильным транспортом. Дополнительных мероприятий по организации доставки систем ВЕТ на строительную площадку не требуется. Погружение ТОВ осуществляется ручным способом. Привлечение специальной техники не требуется.
Для соблюдения нормативных требований эксплуатации, капитального и текущего ремонта добывающих скважин, правил технической и пожарной безопасности, ликвидации последствий аварии или для переоборудования скважин потребуется свободный доступ технического персонала и подъезд техники в приустьевую зону, место базирования различной техники, оборудования, материалов. Поскольку одиночные термостабилизаторы предполагается устанавливать в приустьевой зоне, то при производстве нормативных и аварийных работ они будут полностью или частично срезаны. Восстановление их работоспособности невозможно без установки новых одиночных термостабилизаторов. Таким образом, увеличиваются затраты на переоборудование и ремонт скважин и снижается эксплуатационная надежность объекта.
Испарительная часть систем ВЕТ располагается ниже приустьевого короба скважин и не создает препятствий для проведения специальных работ в приустьевой зоне скважин. Это техническое решение не нарушает требования законодательных и нормативно-правовых актов.
Одиночные термостабилизаторы являются неремонтопригодными, поэтому при выходе их из строя необходима замена с повторным погружением в грунт.
Схема раскладки систем ВЕТ в приустьевой зоне выполнена с дублированием, что позволяет при выходе из строя одной системы ВЕТ использовать вторую систему для восстановления и сохранения процесса термостабилизации грунтовых оснований кустовой площадки. В случае потери герметичности системы ВЕТ возможен ремонт участка трубопровода с последующей перезаправкой системы хладагентом. Для защиты ее труб от механических повреждений предусмотрены защитные короба на их низовой отметке.
По капитальным затратам вариант с одиночными термостабилизаторами выгоднее, чем вариант с системами ВЕТ. Однако, при выборе второго варианта могут понадобиться значительные эксплуатационные затраты на восстановление одиночных термостабилизаторов, учитывая их неремонтопригодность (таблица 1).
Таблица 1.
Таким образом, несмотря на то, что в приустьевой зоне одиночные термостабилизаторы обеспечивают твердомерзлое состояние грунтов и препятствуют образованию приустьевых воронок, многочисленные вышеуказанные осложнения при их монтаже и эксплуатации делают системы ВЕТ более надежными и эффективными для термостабилизации грунтовых оснований кустовых площадок.
Статья в формате pdf →
- 625014, Тюмень,
- ул. Новаторов, д. 12А
- ☎ +7 (3452) 27-11-25
- fsa@npo-fsa.ru
- npo-fsa.ru
