Добывающие скважины
С помощью скважин добывают газ или нефть с глубин 1000-3000 метров. Добываемый газ или нефть, часто, имеет положительную температуру на устьях скважин. Тепло добывающей скважины, приводит деградации мерзлоты вокруг скважины, потери устойчивости скважины и к ряду негативных последствий. В связи с чем, оценка теплового влияния скважин, а также разработка технических мероприятий по термостабилизации приустьевой зоны является часто решаемой задачей.
Принципиальная конструкция скважин
Разновидности скважин
Скважины бывают добывающие нефтяные и газовые, нагнетательные, наблюдательные, для закачки промстоков, водозаборные и т.д. В конструкциях скважин может быть применён, приустьевой клапан обтекатель, зазор между насосно-компрессорной трубой (НКТ) и внутренний стеной направления может находиться под давлением или без давления, зазор может быть заполнен газом или незамерзающей жидкостью (например этиленгликолем), НКТ может быть с теплоизоляцией, может быть несколько НКТ для эксплуатации разных горизонтов и т.п. Конструкции скважин могут быть разными. Часто бывает так, что температура добываемого продукта (нефти или газа) меняется за период эксплуатации в значительных пределах. Вам нужно разобраться с той конструкцией и режимом работы скважины, которая будет моделироваться в вашем случае.
Конструкция скважины должна обеспечивать возможность поднятие НКТ для её ремонта. Это значит, что большинство скважин имеют зазор между НКТ и трубой направления который заполнен какой-то подвижной средой (газом или жидкостью). Это подвижная среда имеет составляющую конвективного теплообмена (за счет перемешивания).
Основная сложность в расчёте теплового воздействия скважины заключается в том, что нужно оценить эффективную теплопроводность среды этого кольцевого зазора.
Расчет теплопередачи
Расчет теплопередачи через скважину может быть выполнен по формулам для цилиндрической стенки (ссылка). При этом, основная сложность заключается в расчете эффективной теплопроводности кольцевого зазора.
Эффективный коэффициент теплопроводности [1]
Здесь 
;
– число Релея;
– число Грасгофа;
– число Прандтля.
Для вертикальных цилиндрических слоев 
=1. Для цилиндрического зазора n1=3, n2=0. За характерный линейный размер принимается толщина слоя δ.
Пример расчета эффективной теплопроводности по данной методике приведен в файле XLS (ссылка).
Литературный источник:
- Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. – 367с.
Испытания теплоизоляции НКТ
Расчёт – расчётом, но хотелось бы узнать какие коэффициенты теплоотдачи от скважины имеются в реальности. Для этого предлагаем ознакомиться с теми испытаниями, которые были проведены ПАО «Газпром» на Ямале.
В данной работе представлены результаты обработки данных фактических испытаний теплоизолированных лифтовых труб на Бованенковском месторождении полуострова Ямал. Конструкция испытываемой скважины представлена в следующей таблице.
Значение коэффициентов теплоотдачи для теплоизолированных и не теплоизолированных насосно-компрессорных труб, отнесённые на единицу поверхности трубы направления представлены в следующих таблицах.
Более подробную информацию можно посмотреть в первоисточнике.
В качестве еще одного литературного источника, где описаны результаты исследований теплопроводности ТЛТ и НКТ, а также коэффициенты теплоотдачи скважины, можно рекомендовать диссертационную работу:
Серегина, Нона Викторовна. Совершенствование конструкции теплоизолированных лифтовых труб для эксплуатируемых газовых скважин в многолетнемерзлых породах : Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Москва, 2017. — 131 с.
Технические решения по термостабилизации
Технические решения по термостабилизации устьев добывающих скважин, как правило, предусматривают установку вертикальных СОУ или систем ВЕТ в зоне около добывающей скважины. В связи с тем, что сезонно-действующие термостабилизаторы (СОУ) не работают в летний период времени, вертикальные трубы испарителей СОУ следует располагать таким образом, чтобы за зимний сезон набралось достаточно температуры для сдерживания теплового потока от скважины в летний период времени. Т.е. система термостабилизации устьев должна располагаться на некотором расстоянии от скважины и обеспечивать охлаждение достаточно большого массива грунта.
Вариант подобного технического решения приведён на рисунке ниже.
Источник: Сфера. Нефть и газ. №2, 2019г. «Системы ВЕТ для термостабилизации грунтов приустьевых зон нефтегазовых скважин».
Так как оттаявший, в летний период времени, грунт может садиться то, вертикальные части испарителя располагают на раме или балочной клетке, во избежание осадки самой системы термостабилизации и выхода её из строя.
Системы термостабилизации приустьевой зоны скважин, как правило, имеют небольшую глубину (10-30 м) и предназначена для защиты фундаментов расположенных на кусту скважин от теплового воздействия скважины и обеспечение отсутствия осадки грунта в результате растепления грунтов кустовой площадки. Обеспечение устойчивости самой скважины обычно предусматривается геологами в проекте бурение скважин. Основным подходом в обеспечении надежности самой скважины является установка башмака направления в несжимаемые грунты. Т.е. системами термостабилизации устьев скважин, как правило, защищают фундаменты зданий сооружений на кустовой площадке.