Скважины в многолетней мерзлоте: сохраняем температуру грунта
Бурение и эксплуатация нефтяных скважин на Крайнем Севере — непростая задача. Из-за высокой температуры флюида существуют риски протаивания многолетнемёрзлых грунтов. Это может привести к сложностям при эксплуатации сооружений. Как не допустить такого развития событий? Ответы на эти вопросы искали участники конференции «Нефтегазовая инфраструктура в многолетнемёрзлых грунтах», которую организовали «Газпром нефть» и Санкт-Петербургский политехнический университет имени Петра Великого.
Как может повлиять растепление ММГ на скважину?
Растепление многолетнемёрзлых грунтов (ММГ) вокруг скважины может привести к осложнениям. В частности, речь идёт о возникновении приустьевых воронок, потере устойчивости скважин, деформации трубопроводной обвязки, перечисляет сотрудник «Газпромнефть-Заполярья» Артур Хабитов.
При этом нужно учитывать, что ММГ далеко не однородны. В процессе бурения стоит учитывать возможность встретить сильнозасоленные грунты (где процесс растепления идёт быстрее), а также повторно-жильные (до 12 метров) и пластовые льды.
Итак, тема термостабилизации скважин — сложная и, безусловно, важная для отрасли.
«Для добывающих компаний обеспечение устойчивости скважин на многолетнемёрзлых грунтах является актуальной задачей, важной сейчас и в будущем. Это связано со сложными геологическими условиями и изменением климата, которое может повлиять на состояние грунтов. Поэтому необходимо заранее прорабатывать меры тепловой защиты для таких скважин», — подчеркнул руководитель центра по обустройству и эксплуатации объектов в криолитозоне «Газпромнефть-Заполярья» Эдуард Николайчук.
Термокейс: не выпускаем тепло из трубы
Какие же ответы существуют на эти вызовы? Артур Хабитов выделяет два основных пути решения.
Первый заключается в пассивном снижении теплового потока от скважин при помощи термокейса, который представляет собой трубу в трубе, между стенками которого находятся теплоизоляционные материалы или вакуум.
Во втором случае речь идёт об активном отводе тепла в зимнее время с помощью СОУ (сезонно-действующих охлаждающих устройств), термостабилизации грунта.
Лучший вариант теплоизоляции: вакуум, ППУ или новые материалы?
Как мы видим, «термокейс» доказал свою эффективность. Однако здесь ещё есть простор для совершенствования. Речь идёт в первую очередь об использовании новых материалов для теплоизоляции.
Привлекательным вариантом видится применение вакуумного слоя. Как известно, его теплопроводность равна нулю. Однако в случае с нефтяными скважинами есть свои сложности. Вакуум в межтрубном пространстве можно создать, но сложно сохранить. При этом в полевых условиях без специального оборудования невозможно проверить его наличие в трубе, уже спущенной в скважину. Поэтому спрос со стороны нефтяных компаний на эту технологию пока невелик.
Сейчас для теплоизоляции используют ППУ (пенополиуретан). Впрочем, параллельно идёт подбор альтернативных материалов. О проведённой работе участникам конференции рассказал Виктор Гордиенко из научного подразделения компании «Газпром нефть». По результатам лабораторных испытаний материалы показали следующие показатели коэффициента теплопроводности:
- ППУ — 0,039 Вт/м*℃;
- Пенополиизоцианурат — 0,025 Вт/м*℃;
- Экструзионный пенополистирол — 0,034 Вт/м*℃;
- Аэрогель — 0,019 Вт/м*℃;
- Жидкие теплоизолирующие покрытия — 0,006 Вт/м*℃.
Впрочем, окончательные выводы делать ещё рано. Впереди стендовые испытания, в рамках которых будут проведены теплотехнический расчёт и моделирование процессов растепления ММГ. Эти работы планируют завершить в 2025 году.
Ещё одна альтернатива — использование стеклопластиковых труб, которые сами по себе обладают низкой теплопроводностью по сравнению со стальными. Однако у участников конференции нашлось немало вопросов к этому варианту. Касались они прочностных характеристик, адгезии к цементу. Достичь схожих характеристик можно, но тогда и себестоимость конечного продукта будет выше. Несмотря на это, эксперты видят у этой технологии перспективы и собираются продолжать работу в этом направлении.
СОУ в капсуле: плюсы и минусы решения
Второй подход, как мы помним, заключается в использовании сезонно-действующих охлаждающих устройств. Базовый принцип их действия известен давно, но в конструкцию постоянно вносятся новшества. Так, в «Газпромнефть-Заполярье» собираются поместить конструкцию СОУ в специальную капсулу.
По словам Артура Хабитова, это даёт сразу несколько преимуществ: снижение капитальных затрат, уменьшение сроков строительства и, что немаловажно, возможность оперативного демонтажа для ремонта или замены СОУ.
Теплотехнические расчёты подтвердили эффективность предложенной системы. При высоких температурах флюида более 60℃ система справляется с тепловой нагрузкой от добывающей скважины и обеспечивает мёрзлое состояние грунтов в пределах 0,7 метров от внешнего цементного кольца.
Пока это предложение находится на стадии идеи. Как отметил Артур Хабитов, сейчас разработчики узнают мнения специалистов смежных подразделений компании. В том числе потому, что внедрение системы требует разработки нового оборудования.
Нашлись вопросы и у производителей СОУ по поводу прочности конструкции и возможности использовать её повторно. Также прозвучало мнение, что предлагаемая система — излишне сложная, можно подобрать более простые решения. Впрочем, точные ответы на эти вопросы можно будет получить только после проведения испытаний.
Итак, как мы видим, существующие решения позволяют обеспечить безопасную добычу нефти в криолитозоне. При этом вовсе необязательно выбирать только один вариант, зачастую лучший эффект можно получить, используя комбинацию методов.
«В «Газпромнефть-Заполярье» мы используем комплексный подход, который включает выбор строительной площадки, изучение инженерно-геокриологических разрезов и подбор оптимальных конструктивных решений. Подходы к разработке скважин зависят от геологических условий, и мы придерживаемся вариативного подхода, учитывая сложность местности. Этот метод помогает выбрать наиболее подходящую конструкцию для каждого конкретного случая.
Отмечу, что у нас нет простых участков — везде присутствуют сложные или средние по сложности условия. На конференции были представлены интересные доклады, некоторые из них имели инновационный характер и касались применения новых высокоэффективных теплоизоляционных материалов. Эти решения помогут надёжно закрепить скважины в мёрзлых грунтах, предотвратив их деформацию при оттаивании», — подвёл итог обсуждения Эдуард Николайчук.
Фото предоставлены пресс-службой «Газпромнефть-Заполярья»
