Динамика сложного теплового взаимодействия нефтяных и газовых скважин с многолетнемерзлыми породами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат физико-математических наук Шевелева, Дарья Васильевна

• Шевелева, Дарья Васильевна
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Шевелева, Дарья Васильевна

Введение.

Обзор литературы.

Глава 1 Приближенное аналитическое решение задачи теплообмена скважины с окружающей средой

1.1. Постановка задачи об определении температурного режима нефти действующей скважины и радиуса оттаивания вокруг нее.

1.2. Расчет теплового взаимодействия потока нефти с немерзлыми породами.

1.3. Расчет теплового взаимодействия потока нефти в скважине с многолетнемерзлыми породами.

1.4. Анализ чувствительности модели к параметрам расчет.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Динамика сложного теплового взаимодействия нефтяных и газовых скважин с многолетнемерзлыми породами»

Актуальность темы исследований

Исследование явлений теплопереноса в системах с фазовыми переходами имеет важное теоретическое и прикладное значение. Постановка, решение задач по этой проблеме многообразны. Решение этих задач одинаково важны для строительной механики, механики горных пород, геологии, в промышленном бурении и эксплуатации скважин.

Оттаивание ММП в краткосрочной перспективе приводит к потере устойчивости горных пород в зоне оттаивания, охлаждение флюида по мере поднятия его к поверхности и как следствие к парафинизации, гидратообразованию ствола скважины. В долгосрочной перспективе оттаивание ММП ведет к смыканию зон оттаивания рядом расположенных скважин, нарушению герметичности заколонного пространства, обратному промерзанию с нарушением герметичности эксплуатационной колонны.

При решении этих проблем подавляющее количество решений сводятся к не сопряженным задачам.

Если в краткосрочной перспективе существующие решения описывают процессы теплообмена между скважиной и ММП с достаточной точностью, то в долгосрочной перспективе требуются решения более физически обоснованные, поэтому актуальной проблемой является создание и обоснование теплофизической модели взаимосвязанных температурных режимов продукции скважин и окружающих горных пород.

Цели и задачи работы

Целью работы является создание физико-математической модели и метода расчета теплового взаимодействия скважины с многолетнемерзлыми породами.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка физико-математической модели и метода расчета температуры нефти в скважине и температурного поля многолетнемерзлых пород около скважинного пространства.

2. Получение приближенного аналитического решения задачи о тепловом взаимодействии скважины с многолетнемерзлыми горными породами.

3. Изучение тепловых полей многолетнемерзлых пород при взаимном влиянии двух скважин.

4. Разработка программного комплекса для решения задач теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами.

Научная новизна исследований заключается в следующем

1. Сформулирована математическая постановка задачи динамики сложного теплового взаимодействия добывающих и нагнетательных скважин с многолетнемерзлыми породами.

2. Установлено интегро-дифференциальное граничное условие теплообмена скважины с горными породами, включая и многолетнемерзлые.

3. Разработан численный алгоритм решения задачи в предложенной математической постановке, позволяющий одновременно определять температурное поле вокруг скважин и температуру нефти.

4. Разработан приближенный аналитический метод расчета температуры нефти в скважине и зоны оттаивания вокруг нее.

Практическая ценность результатов работы

Разработанный в диссертации метод расчета температурного поля в горных породах и температуры добываемого продукта, необходим для гидравлических расчетов систем нефтесбора, расчетов по оценке прочности скважинных конструкций, определения устойчивости горных пород в приствольной зоне скважин, процессов гидрато- и парафино-образования, кинетики этих процессов. Данный метод может быть так же использован для исследования процессов деградаций и образования мерзлоты.

Учет взаимного теплообмена скважины с многолетнемерзлыми породами позволяет получать более реальные оценки факторов, представляющих угрозу для нормальной работы скважины и кустового оборудования.

Созданные физико-математические модели и методы расчета реализованы в виде программного обеспечения в среде Delphi.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов основывается на использовании законов сохранения, на корректном применении численных методов. Достоверность результатов подтверждается количественным сопоставлением с известными аналитическими решениями, а также с данными опытно-промышленных экспериментов проведенных на скважинах Средне-Хулымского, Ярейюйского, Южно-Хулымского и Куюмбинского месторождений.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:

1. Международная конференция «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, 2004 г.

2. Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Москва, 2004 г.

3. Третья конференция геокриологов России, Москва, 2005 г.

4. Научно-практическая конференция ОАО «Гипр'отюменнефтегаз», Тюмень, 2003 г.

5. Научно-практическая конференция ОАО «Гипротюменнефтегаз», Тюмень, 2006 г.

6. Седьмая всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности», РГУ, Москва, 2007.

7. Научно-практическая конференция ОАО «Гипротюменнефтегаз», Тюмень, 2007 г.

8. Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения», Тюмень, 2008 г.

9. Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, Уфа, 2008 г.

10. Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения», Тюмень, 2008.

11. Международная конференция «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики», Алушта, 2008 г.

Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 12 работах [43, 44, 45, 48,49, 54, 55, 62, 65, 66, 67 69].

Объем и структура работы Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, 2 приложений и содержит 181 страницу текста, 45 рисунков, 2 таблицы, 6 схем.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Шевелева, Дарья Васильевна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана физико-математическая модель и метод расчета температуры нефти в скважине и температурного поля многолетнемерзлых пород околоскважинного пространства. На основе сравнения результатов расчетов с результатами существующих решений и с промысловыми измерениями установлена адекватность разработанного метода расчета. Сопряженный метод расчёта температур является более обоснованным с физической точки зрения по сравнению методами, не принимающими во внимание теплообмен в системе скважина — горные породы.

2. Получено интегро-дифференциальное условие теплообмена на границе скважины и горных пород, применимое для решения ряда таких практических задач, как теплообмен не только добывающей, но и нагнетательной, газовой скважин, скважин с переменным дебитом, с учетом конвекции в межтрубном пространстве, динамического уровня.

3. Разработан аналитический метод расчета температур в горных породах, включая и многолетнемерзлые, вблизи скважины с учетом изменения температуры нефти. Установлена приближенная аналитическая зависимость между температурой нефти и радиусом оттаивания.

4. Показано взаимодействие температурных полей двух скважин, и, как следствие, необходимость учёта температуры соседней скважины при расчёте радиуса оттаивания. Является перспективным решение трёхмерной задачи взаимодействия скважины с мерзлыми горными породами. Хотя, можно использовать это плоское решение в качестве квазитрёхмерного.

5. Выявлено влияние динамического уровня скважины на температуру добываемой нефти, с учетом температурного поля горных пород.

6. Созданные физико-математические модели и методы расчёта реализованы в виде программного обеспечения в среде Delphi, с помощью которого были проведены прогнозные расчёты устьевых температур и зон оттаивания вокруг скважин Средне-Хулымского, Ярейюйского, Южно-Хулымского и Куюмбинского месторождений.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Шевелева, Дарья Васильевна, 2008 год

1. Карелоу, Г. Теплопроводность твердых тел / Г. Карелоу, Д. Егер -М.: Наука, 1964. 488 с.

2. Антипов, В. И. Физические процессы нефтегазового производства : в т. / В. И. Антипов, В. Б. Нагаев, А. Д. Седых. -М.: Недра, 1998.1. Т. 1.-367 с.

3. Мусакаев, Н. Г. Математическое моделирование процессов, протекающих в нагнетательной скважине при закачке теплоносителя в пласт / Н. Г. Мукасаев // Нефть и Газ. Известия Вузов ТГНГУ. 2002. - № 4. - С. 12-16.

4. Федоров, К. М. Расчет тепловых потерь при закачке насыщенного пара в скважину / К. М. Федоров, А. П. Шевелев //Нефть и Газ. Известия Вузов ТГНГУ. 2005. - № 4. - С. 37-43.

5. Проселков, Ю. М. Теплопередача в скважинах / Ю. М. Проселков. -М.: Недра, 1975. 209 с.

6. Гаранин, В. А Машинный метод расчета давления и температуры на устье скважин при эксплуатации / В. А. Гаранин, В. П. Герасимов, В. Ф. Шохин // Проблемы нефти и газа Тюмени: научно-технический сборник. — Тюмень, 1974. Вып. 24. - С. 100-101.

7. Кутушев, А. Г. Неизотермическое движение парожидкостной смеси в трубе / А. Г. Кутушев, А. С. Русанов. // Нефть и газ.

8. Известия высших учебных заведений ТГНГУ. 2008. - № 4. - С. 39-45.

9. Goodman, М. A. A mechanical model for permafrost freezeback pressure behavior / M. A. Goodman, D.B. Wood // Soc. Petrol. Eng. J. 1975.-Vol. 15. -№4.- p. 287-301.

10. Истомин, В.А. Двухфазная плоскорадиальная задача Стефана /

11. B. А. Истомин, Н. Р. Колушев, Ю. Ф. Макогон // Экспериментальные и теоретические исследования взаимодействия скважины с многолетнемерзлыми породами: Сборник ВННИГАЗ М , 1979. - С. 59-71.

12. Coach, Е. J. Permafrost thawing around producing oil wells / E. J. Coach, H. H. Keller, J. W. Watts // J. Canad. Petrol. Technol. -1970.-Vol.9.-№2.-p. 107-111.

13. Некоторые особенности бурения и выбора конструкций скважин в районах вечной мерзлоты / В. В. Баулин, В. И. Белов, Н. И. Титков и др. // Тр. Гипротюменнефтегаза. 1969. -Вып. 18.1. C. 70-80.

14. Новиков, Ф. Я. Температурный режим мерзлых пород за крепью шахтных стволов / Ф. Я. Новиков. — М.: Издательство АН СССР. 1959.- 98 с.

15. Пальмер, А. Оттаивание и дифференциальная осадка грунтов вокруг нефтяных скважин в вечной мерзлоте / А. Пальмер // 2-я Междунар. конференция по мерзлотоведению: доклад и сообщение. -Якутск, 1973. Вып. 7. - С. 161-170.

16. Смирнов, В. И. Тепловой режим подземного резервуара / В. И. Смирнов, А. Г. Поздняков // Газовая промышленность. 1999. -№ 9. - С. 44-45

17. Свалов, А. М. К расчету условного радиуса теплового влияния скважины / А. М. Свалов, Ю. А. Поддубный // Нефтепромысловое дело. 2002. - № 9. - С. 25-28

18. Колесников, А. Г. К изменению математической формулировки задачи о промерзании грунта / А. Г. Колесников. «Докл. АН СССР. Нов. серия». - 1952. - Т.82. - № 6. - с. 889 - 892.

19. Cho, S. Н. Heat conduction problems with melting of freezing / S. H. Cho, I. E. Sunderland // J. of heat transfer. 1969. - p. 421 - 426.

20. Иванов, H. С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах / Н. С. Иванов. М.:Наука. - 1969. - 240 С.

21. Чистотинов, JI. В. Влияние миграции влаги на промерзание грунтов / В кн. Сезонное протаивание и промерзание грунтов на территории Северо-Востока СССР. М.:Наука. - 1966. - с.77 -84.

22. Меламед, В.Г. Математическая постановка и алгоритм решения задачи о тепло- и массообмене во влажных тонкодисперсных грунтах при наличии фазовых превращений / В кн. Мерзлотные исследования. Вып. 9. М. -1969. - с. 19 - 90.

23. Цытович, Н. А. Механика мерзлых грунтов / Н. А. Цытович. — М:Высшая школа. 1973. - 446 С.

24. Дубина, М. М. Теплообмен и механикавзаимодействия трубопроводов и скважин с грунтами / М. М. Дубина, Б. А. Красовицкий. Новосибирск: Наука. — 1983. — 136 С.

25. Проселков, Ю. М. Методика расчета радиуса протаивания многолетнемерзлых пород при эксплуатации скважин / Ю. М. Проселков, В. В. Дейкин, В. М. Гринько. Краснодар, 1973. - 54 с.

26. Чернядьев, В. П. Сборник информации для нефтегазодобывающих предприятий Западной Сибири / В. П. Чернядьев, Г. М. Фельдман, В. В. Баулин. М.: ВНИИОЭНГ, 1969. - Вып. 2. - 47 с. - (Нефтегазовая геология и геофизика).

27. Бондарев, Э. А. О температурном режиме в стволе действующей скважины и при бурении скважин вмноголетнемерзлых породах / Э. А. Бондарев, В. JL Полянин // Физико-технические проблемы Севера. — Новосибирск: Наука, 1972.-С. 15-22.

28. Грязнов, Г. С. Конструкции газовых скважин в районах многолетнемерзлых пород / Г. С. Грязнов. М.: Недра, 1978. -137 с.

29. Дегтярев, Б. В. Определение времени начала протаивания мерзлых пород в процессе эксплуатации скважин / Б. В. Дегтярев // Бурение и эксплуатация газовых скважин в районах Крайнего Севера. М.: ВНИИГАЗ, 1977. - С. 89-95.

30. Красовицкий, Б. А. Теплообмен скважин с тонкодисперсным мерзлым грунтом Б. А. Красовицкий, А. П. Шадрина // Инженерно-физический журнал. 1969. — Т. XVI. - № 5. - С. 872877.

31. Полозков, А. В. Исследование условий работы скважин с термической изоляцией в зоне вечной мерзлоты: дис. .канд. техн. наук / А. В. Полозков. М.: МИНХиГП, 1976. - 197 с.

32. Чарный, А. О. продвижении границы изменения агрегатного состояния при охлаждении или нагревании тел /А. О. Чарный // Известия АН СССР. Отд. техн. наук. 1948. - Вып. 2. - С. 187196

33. Кудрявцев, С. А. Численные исследования теплофизических процессов в сезонно-мерзлых грунтах / С. А. Кудрявцев // Криосфера земли. 2003. - Т. IIX. - № 4. - С. 102-104.

34. Добыча, подготовка и транспорт природного газа и конденсата : справочное руководство в 2-х томах / Под ред. Ю. П. Коротаева, Р. Д. Маргулова. М.: Недра, 1984

35. Ramey, Н. J. Wellbore heat transmission / Н. J. Ramey // "J.Petrol.Technol". 1962. - №4. - p. 427-435.

36. Jaeger, J. С. The effect of the drilling fluid on temperatures measured in bore holls /.J.C. Jaeger // "J. Geophys. Res." 1961. — v.66. - № 2 . — p.563-569.

37. Пудовкин, M.A., Саламатин, A.H., Чугунов, B.A. Температурные процессы в действующих скважинах / М. А. Пудовкин, А. Н. Саламатин, В. А. Чугунов. Казань: Изд-воКазанского Университета. - 1977. - 168 с.

38. Архангельский В.А., Аузбаев Д.Г. Исследование движения газонефтяных смесей в фонтанирующих скважинах / В. А. Архангельский, Д. Г. Аузбаев и др. // Инженерный журнал. — 1962.1. Т. 2. Вып.1 С.55-68.

39. Бондарев, Э.А. Температурный режим нефтяных и газовых скважин / Э. А. Бондарев, Б. А. Красовицкий. Новосибирск: Наука, 1974. - 87 с.

40. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова А. С. Сукомел .- М.:Энергия, 1975. 486 с.

41. Арнольд, JI. В. Техническая термодинамика и теплопередача / JI. В. Арнольд, Г. А. Михайловский, В. М. Селиверстов. М.: Высш. школа. - 1979. - 446 с.

42. Мучник, Г. Ф. Методы теории теплообмена / Г. В. Мучник, И. Б. Рубашов. М.: Высшая школа. - 1970.

43. Ч. 1 : Теплопроводность. — 288 с.

44. Лейбензон, Л. С. Руководство по нефтепромысловой механике / Л. С. Лейбензон. М.; Л. : ГНТИ. - 1931.1. Ч. 1 : Гидравлика. 355 с.

45. Даниэлян, Ю.С. Приближенное решение задачи о тепловом взаимодействии скважины с многолетнемерзлыми грунтами / Ю. С. Даниэлян, Д. В.Шевелева. // Нефтяное хозяйство. 2004. - № 3.С. 46-47.

46. Шевелева, Д. В. Приближенный тепловой расчет скважины и горных пород вокруг нее, включающих вечномерзлые грунты / Д.

47. B. Шевелева // Сборник тезисов Десятой Всероссийской научной конференции студентов физиков и молодых ученых: тезисы докладов: - Екатеринбург; Красноярск: изд-во АСФ России, 2004.-Т 2.-С. 931-932

48. Чарный, И. А. О термическом режиме буровых скважин / И. А. Чарный // Газовая промышленность. 1966. - № 10. - С.7-13.

49. Чекалюк, Э. Б. Термодинамика нефтяного пласта / Э. Б. Чекалюк. М.: Недра. - 1965. - 238 с.

50. Даниэлян, Ю. С. Прогнозирование процессов промерзания и оттаивания мерзлых грунтов при проектировании обустройства месторождений / Ю. С. Даниэлян // Нефтяное хозяйство. — 2003. -№ 1.- С. 44-46.

51. Инструкция по определению температурного режима вечномерзлых и сезонномерзлых грунтов и прогнозированию последствий изменения тепловых условий на поверхности: РД 39-Р-088-91. Введ. 01.05.91. -Тюмень: Гипротюменнефтегаз, 1991.-46 с.

52. Фарлоу, С. Уравнения с частными производными для научных работников и инженеров / С. Фарлоу. М.: Мир. - 1983. - 384 с.

53. Даниэлян, Ю. С. Численное моделирование температуры нефти в скважине и зоны оттаивания окружающих многолетнемерзлых пород / Ю. С. Даниэлян, Д. В. Шевелева // Нефтяное хозяйство. -2008. № 2. - С. 78-82.

54. Фихтенгольц, Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: учебник для студентов вузов: в 3 т. / Г. М. Фихтенгольц. М.: Наука. - 1969.1. Т. 2. 800 с.

55. Годунов, С. К. Разностные схемы / С. К. Годунов, В. С., Рябенький. М.: Наука, 1976. - 439 с.

56. Турчак, Л. И. Основы численных методов / Л. И. Турчак. М.: Наука, 1987. - 318 с.

57. Волков, Е. А. Численные.методы / Е. А. Волков. М.: Наука. 1982. - 256 с.

58. Патанкар, С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкостей / С. Патанкар. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

59. Роуч, П. Вычислительная гидродинамика / П. Роуч. — М.: Мир, 1980.-616 с.

60. Шевелева, Д. В. Численное моделирование теплового взаимодействия скважины с вечномерзлыми горными породами / Д. В. Шевелева // Нефть и газ. Известия высших учебных заведений. 2007. - № 5. - С. 44-47.

61. Лыков, А. В. Тепломассообмен: справочник / А. В. Лыков. -М.: Энергия, 1978. 462 с.

62. Юдаев, Б. Н. Теплопередача / Б. Н. Юдаев. М.: Высшая школа, 1973.-360 с.

63. Шевелева, Д. В. Моделирование падения температуры нефти при остановке скважины и промерзания талых пород около остановленной скважины / Д. В. Шевелева, Ю. С. Даниэлян // Вестник ТюмГУ. № 6. - 2008. - С. 27-33.

64. Шевелева, Д. В. Расчет температурного поля горных пород вокруг двух скважин, работающих с постоянной температурой / Д. В. Шевелева // Газовая промышленность. 2008. - № 5. - С. 5960.

65. Петров, А. И. Методы и техника измерений при промысловых исследованиях скважин / А. И. Петров. М.: Недра. - 1971. - 272 с.

66. ГОСТ 7.1 2003. Библиографическая запись. Библиографическое описание. Общие требования и правила составления. - Взамен ГОСТ 7.1 - 84; введ. 01.07.2004. - М.: Изд-во стандартов, 2004. -64 с.

67. ПРИЛОЖЁНИЕ 1 Результаты расчётов по месторождениям

68. Расчет расстояния от разбивочной оси (устьев скважин) до эстакады с учетом возможного оттаивания горных пород вокруг скважины на Средне-Хулымском месторождении

69. Исходные данные для расчетов по Средне Хулымскому месторождениям