При использовании технологии ППД около 20 % фонда нагнетательных скважин использует маломинерализованную или пресную воду. Во время работы при низких температурах возможно обледенение устьевой арматуры. При температурах менее – 25 °С возможно замерзание оборудования, находящегося на устье нагнетательных скважин в процессе закачивания пластовых и стоковых вод, в случае уменьшения приёмистости, аварийных остановок, возникающих при порыве водовода или отключении электропитания.
Каждый год количество нагнетательных скважин, склонных к замерзанию, по приближённым оценкам экспертов предприятий нефтегазодобычи ОАО «Татнефть», равно 500 – в связи с этим проблематика предохранения скважин ППД от замерзания столь важна и актуальна.
Комплекс наблюдений за динамикой изменений температурного режима нефтесодержащих пластов в ходе их разработки путём заводнения включает следующие виды операций:
1) регулирование температуры закачиваемого агента (воды);
2) измерения забойной температуры скважин нагнетания;
3) фиксация динамики изменений температур пластов, эксплуатируемых скважинами, находящимися рядом с нагнетательными;
4) регулярные измерения температур в параметрических скважинах.
По стволу нагнетательной скважины с приёмистостью в пределах от 200 до 300 м3/сут и более температура воды выравнивается довольно быстро, поэтому к забою она поступает с температурой, равной устьевой. Вследствие этого измерения температуры нагнетаемой воды в совокупности с термометрией нагнетательных скважин дают возможность измерить температуру воды у входа в пласт и охарактеризовать её изменчивость при нагнетании. В первые годы заводнения она измеряется регулярно, приблизительно через каждые два – три дня.
В скважинах, где в первый раз проводят исследование, общий температурный замер выполняют по всему стволу. Его проводят дистанционными термометрами. При отсутствии таких термометров применяют самопишущие термометры. Промежуток разрабатываемых горизонтов и выявленные аномальные участки в других областях разреза обследуют детально.
Промежуток времени с начала прекращения движения рабочего агента, в течение которого тепловая изоляция будет предохранять его от застывания, зависит от изменений температуры окружающей среды и жидкости, внутреннего диаметра, скорости ветра, параметров транспортируемой жидкости, материала стенки трубопровода и её толщины. Параметрами, оказывающими влияние на продолжительность периода до начала обледенения, являются: скрытая теплота обледенения, плотность, удельная теплоемкость, температура замерзания.
Приемлемую толщину теплоизоляции определяют расчётным путём. На практике толщину тепловой изоляции слоя вычисляют, учитывая его термическое сопротивление (не менее 0,86 (м2∙°С)/Вт для труб с Dу ≤ 25 мм, и 1,22 (м2∙°С)/Вт для труб с Dу > 25 мм). Качество теплоизоляции трубы характеризуется её эффективностью. В нынешних конструкциях теплоизоляции при применении материалов с теплопроводностью менее 0,1 Вт/(м∙°С) приемлемая толщина изоляционного слоя обеспечивает теплоэффективность данной изоляции, приблизительно равную 0,8 (то есть эффективность равна 80 %). В представленном ниже примере приведен расчет теплоизоляции для трубопроводов устьевой обвязки скважины.
Рассмотрим расчет и подбор теплоизоляции, выполненный по СНиП 2.04.14-88.
Скорость течения воды в водоводе: 6 м/с.
Диаметр трубопровода Ø100 мм, длина 20 м (приведенная). Температура в начале 8 °С, температура в конце 3 °С, окружающая температура: –20 °С; –30 °С; –40 °С.
Устанавливаем, что
(t1 – tН)/(t2 – tН) = 1,2,
где t1, t2 – начальная и конечная температура жидкости, °С; tН – температура окружающего воздуха, °С; dК – наружный диаметр изоляции, м; λИЗ – теплопроводность изоляции, Вт/(м∙°С).
Определим толщину изоляции по формуле
где d – наружный диаметр изолируемой трубы, м; 
– отношение между наружным диаметром изоляции и наружным диаметром изолируемой трубы;
где αС – коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности изоляции, αС = 29 Вт/(м∙°С); rtot – сопротивление теплопередачи при
где Cw – теплоёмкость воды (4200 Дж/(кг∙°С)); Gw – расход воды равен 0,06 м3/с (скорость движения равна 6 м/с, диаметр трубопровода равен 114 мм); tw1 – температура воды в начале (Ø100:+8 °C); tw2 – температура воды в конце (Ø100:+3 °C); tС – окружающая температура, °С; ℓ – приведенная длина объекта (Ø100:20 м); Kred – коэффициент, который учитывает дополнительный поток теплоты через опоры, Kred = 1,2; twm – средняя температура воды, °С:
(Ø100).
Определим толщину теплоизоляционного покрытия из вермикулита, совелита, ньювеля, стекловолокна для отрезка водовода, находящегося на устье скважины длиной 4 м и диаметром 114 мм (толщина стенки равна 5 мм).
Рис. 1. Диаграмма толщины изоляции, обеспечивающей положительную температуру внутри устьевого оборудования в случае остановки закачивания воды (температура окружающей среды – 30 °С)
Вермикулит:
Коэффициент теплопроводности:
λиз = 0,074 + 0,00023∙tиз(ср)
1) при –20 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–20 + 8)/2 = –6 °С;
λиз = 0,074 + 0,00023∙(–6) = 0,073 Вт/м∙°С;
B = 2,18; δиз1 = (114/2)∙(2,18 –1) = 68 мм;
2) при –30 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–30 + 8)/2 = –11 °С;
λиз = 0,074 + 0,00023∙(–11) = 0,071 Вт/м∙°С;
B = 2,89; δиз2 = (114/2)∙(2,89 – 1) = 108 мм;
3) при –40 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–40 + 8)/2 = –16 °С;
λиз = 0,074 + 0,00023∙(–16) = 0,07 Вт/м∙°С;
B = 3,86; δиз3 = (114/2)∙(3,86 – 1) = 163 мм.
Совелит:
Коэффициент теплопроводности:
λиз = 0,065 + 0,00009∙tиз(ср)
1) при – 20 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–20 + 8)/2 = –6 °С;
λиз = 0,065 + 0,00009∙(–6) = 0,064 Вт/м∙°С;
B = 2; δиз4 = (114/2)∙(2 – 1) = 57 мм;
2) при –30 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–30 + 8)/2 = –11 °С;
λиз = 0,065 + 0,00009∙(–11) = 0,064 Вт/м∙°С;
B = 2,61; δиз5 = (114/2)∙(2,61 – 1) = 92 мм;
3) при –40 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–40 + 8)/2 = –16 °С;
λиз = 0,065 + 0,00009∙(–16) = 0,064 Вт/м∙°С;
B = 3,42; δиз6 = (114/2)∙(3,42 – 1) = 138 мм.
Ньювель:
Коэффициент теплопроводности:
λиз = 0,007 + 0,00006∙tиз(ср)
1) при –20 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–20 + 8)/2 = –6 °С;
λиз = 0,007 + 0,00006∙(–6) = 0,06964 Вт/м∙°С;
B = 2,1; δиз7 = (114/2)∙(2,1 – 1) = 60 мм;
2) при – 30 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–30 + 8)/2 = –11 °С;
λиз = 0,007 + 0,00006∙(–11) = 0,06934 Вт/м∙°С;
B = 2,83; δиз8 = (114/2)∙(2,83 – 1) = 104 мм;
3) при –40 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–40 + 8)/2 = –16 °С;
λиз = 0,007 + 0,00006∙(–16) = 0,06904 Вт/м∙°С;
B = 3,78; δиз9 = (114/2)∙(3,78 – 1) = 158 мм.
Стекловолокно:
Коэффициент теплопроводности:
λиз = 0,036 + 0,00031∙tиз(ср)
1) при –20 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–20 + 8)/2 = –6 °С;
λиз = 0,036 + 0,00031∙(–6) = 0,03414 Вт/м∙°С;
B = 1,43; δиз10 = (114/2)∙(1,43 – 1) = 24 мм;
2) при –30 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–30 + 8)/2 = –11 °С;
λиз = 0,036 + 0,00031∙(–11) = 0,03259 Вт/м∙°С;
B = 1,63; δиз11 = (114/2 (1,63 – 1) = 36 мм;
3) при –40 °C, tиз(ср) = (tиз(нар) + tиз(вн))/2 = (–40 + 8)/2 = –16 °С;
λиз = 0,036 + 0,00031∙(–16) = 0,03104 Вт/м∙°С;
B = 1,82; δиз12 = (114/2)∙(1,82 – 1) = 47 мм.
|
Тип изоляции |
Температура окружающей среды |
||
|
–20 |
–30 |
–40 |
|
|
Толщина изоляции, мм |
|||
|
Совелит |
57 |
92 |
138 |
|
Вермикулит |
68 |
108 |
163 |
|
Ньювель |
60 |
104 |
158 |
|
Стекловолокно |
24 |
36 |
47 |
Рис. 2. График зависимости толщины изоляции скважины от температуры окружающей среды
По полученным значениям, приведенным в таблице, построим следующий график (рис. 2).
Вывод
1. На основе расчётных данных выявлена прямая зависимость между толщиной изоляции и теплопроводностью материала, из которого она изготовлена.
2. Установлена линейная зависимость толщины изоляции из стекловолокна от температуры окружающей среды, что нехарактерно для типов изоляций, выполненных из ньювеля, вермикулита и совелита. Для всех материалов наблюдается прямая взаимосвязь между данными параметрами.
3. Исходя из полученных результатов и построенных на их основе графиков, выявлена целесообразность применения стекловолокна при изоляции нагнетательных скважин в условиях низких температур. Его использование позволит поддерживать рабочую температуру на устье скважины в течение более долгого времени путём подбора необходимой толщины изоляционного слоя при определённой температуре окружающей среды при сравнительно меньших затратах на выбранный материал.
Рецензенты:
Хузина Л.Б., д.т.н., доцент, профессор, зав. кафедрой «Бурение нефтяных и газовых скважин», Гбоу впо «Альметьевский государственный нефтяной институт», г. Альметьевск;
Кнеллер Л.Е., д.т.н., профессор, зам. генерального директора по научной работе открытого акционерного общества научно-производственного предприятия «ВНИИГИС», г. Октябрьский.