Annotation
The serious problem connected to operation of gas and oil wells in a region of perennial frozen soils is forming a frost and thaw bulb of perennial frozen soils around a hole. Creation of wellhead craters happens because of settlement of thawing perennial frozen soils. Defrosting of the frozen soils around the wells not always leads to disturbance of stability of the wells, but loss of stability of pipeline bearings for the hookup system of the gas and oil producer wells takes place everywhere. As practice shows, even when temperature of the extractive product at the well mouth is +10…+15 °C, the wellhead crater with radius 2—4 m is being created as early as in the first 2—3 years. The pile bearings occurred in the area of the wellhead crater is being exposed to settlement equal to 30—50 sm annually.
Gradual defrosting of perennial frozen soils and increase of a depth of seasonal freezing-thawing soils following by lowering of their bearing capacity and deformation of soil settlement and frost heave of the pile bearings are being developed beyond the bounds of the wellhead craters. In the following years of operation, the radius of the wellhead craters increases running up to 10—20 m in 20—25 year.
In practice, it leads to the fact that considerable sections of the pipeline hookup system hang down over the plug valve unit of the wells leading to depressurizing of joints on the flanges that is emergency conditions in itself.
Taking into account urgency of the problem of providing for stability of the pipeline bearings for the pipeline hookup system of gas and oil producer wells, the professionals of FSUE “Fundamentproekt” have been developed and tested the arrangements concerning thermo-stabilization of the designing position of the pipeline hookup system.
Аннотация
Серьезной проблемой, связанной с эксплуатацией газовых и нефтяных скважин в районах распространения вечномерзлых грунтов, является формирование ореолов растепления и оттаивания мерзлых грунтов вокруг стволов скважин. Вследствие осадки оттаивающих вечномерзлых грунтов (ВМГ) происходит образование приустьевых воронок. Растепление мерзлых грунтов вокруг скважин не всегда приводит к нарушению устойчивости самих скважин. Зато повсеместно наблюдается потеря устойчивости опор трубопроводов обвязок добывающих скважин. Как показывает практика, даже при температуре добываемого продукта на устье скважины, равной +10…+15°С, уже в первые 2—3 года формируется приустьевая воронка радиусом 2—4 м. Свайные опоры трубопроводов обвязок, попадающие в область формирования воронки, подвергаются осадкам в 30—50 см ежегодно. За пределами воронок происходит постепенное растепление ВМГ и увеличение глубины сезонного промерзания-оттаивания грунтов, сопровождающееся снижением их несущей способности, развитием деформаций осадок и пучения свайных опор. В поcледующие годы эксплуатации радиус воронок увеличивается, достигая к 20—25-му году 10—20 м. На практике это выливается в то, что значительные участки трубопроводов обвязок повисают на крановых узлах скважин, приводя к разгерметизации соединений на фланцах, что само по себе уже является аварийной ситуацией.
Принимая во внимание актуальность проблемы обеспечения устойчивости опор трубопроводов обвязок добывающих скважин, специалистами ФГУП «Фундаментпроект» разработаны и опробованы мероприятия по стабилизации проектного положения трубопроводов обвязок.
Расчет размеров ореолов оттаивания вокруг скважин
Основным параметром, характеризующим размер оттаивающего вокруг добывающей скважины грунтового массива, является радиус ореола оттаивания.
Характер формирования ореолов оттаивания большей частью зависит от таких факторов, как климатические условия района, мерзлотно-грунтовая обстановка на участке размещения скважины и температура добываемого продукта.
Для разработки технических мероприятий стабилизации проектного положения газопроводов обвязок проведена серия теплотехнических расчетов ореолов оттаивания вокруг добывающей скважины с использованием разработанной в институте «Фундаментпроект» базовой программы PROGNOZ (PCH 67-87) и ее модификации PROGISTO. Как показали расчеты, вокруг добывающей скважины, находящейся в климатических условиях Западной Сибири (среднегодовая температура воздуха составляет минус -7,5°С), за 20-летний период эксплуатации, при температурах добываемого продукта от плюс 10 до плюс 42°С радиус оттаивания составляет от 6,5 до 12,8 м (рис. 1).
По результатам расчетов видно, что трубопроводы обвязки в течение периода эксплуатации потеряют свою опору на участке длинной минимум от 13 до 25,6 м, что с учетом веса трубопроводов будет являться причиной формирования недопустимых напряжений в узлах соединения трубопроводов со скважиной.
Рисунок 1. График изменения расчетного радиуса оттаивания вокруг скважины по состоянию на 20-й год эксплуатации в зависимости от температуры добываемого продукта.
Описание технического решения
Анализ возможных вариантов технических решений по стабилизации трубопроводов обвязки добывающих скважин показал, что оптимальным по технико-экономическим показателям способом является фиксация трубопроводов посредством длиннопролетной конструкции, установленной на свайных опорах, удаленных на определенное расстояние от скважины, где будет обеспечиваться стабильность грунтов оснований в течение всего срока эксплуатации. По условиям обеспечения необходимой несущей способности вечномерзлых грунтов оснований свайных опор, безопасное для установки опоры расстояние от скважины составляет величину, превышающую на 3 м расчетный радиус оттаивания. Таким образом, при температуре добываемого продукта, равного плюс 10°С, общая длина длиннопролетной поддерживающей конструкции составит 19 м, а при температуре продукта плюс 42°С — 31,6 м.
При длине 19—31,6 м длиннопролетная конструкция характеризуется большой металлоемкостью и громоздкостью, что делает применение данного технического решения непрактичным. В целях уменьшения ее размеров и металлоемкости выполнена проработка возможности уменьшения длины пролета путем обеспечения устойчивости свайных опор в пределах прогнозируемого ореола оттаивания за счет сохранения мерзлого состояния и несущей способности грунтов оснований (рис. 2).
Несущая способность грунтов оснований свайных опор обеспечивается за счет поддержания грунтов в мерзлом состоянии с помощью парожидкостных СОУ (сезоннодействующих охлаждающих установок).
Очевидно, что чем ближе к источнику тепла (к добывающей скважине) располагается свайная опора, тем большее количество холода (большее количество СОУ) потребуется для сохранения мерзлого состояния грунтового массива в основании опоры и обеспечения ее несущей способности. Кроме того, поскольку СОУ способны охлаждать грунты только в период отрицательных температур воздуха, а добывающая скважина выделяет тепло круглый год, обеспечить сохранность мерзлого грунтового массива в течение всего периода эксплуатации с помощью оптимального количества СОУ возможно только начиная с некоторого (эффективного) расстояния от ствола скважины.
Рисунок 2. Длиннопролетная конструкция на свайных опорах с СОУ, размещаемых в пределах расчетного радиуса оттаивания грунтов вокруг добывающей скважины, в грунтах
Оптимальное количество СОУ, оцениваемое по ряду технико-экономических параметров (возможность компактного размещения всех СОУ у опоры с точки зрения обеспечения доступа к скважине обслуживающей ее техники, стоимость применения СОУ в сравнении с уменьшением стоимости длиннопролетной конструкции в связи с возможным уменьшением ее длины и металлоемкости и т.д.), составляет 6—8 шт на одну опору. В соответствии с теплотехническими расчетами, при количестве СОУ меньше 6 шт на одну опору не обеспечивается необходимое многолетнее мерзлое состояние грунтов в основании опоры. При использовании СОУ в количестве более 8 шт на одну опору увеличение стоимости технического решения за счет применения охлаждающих установок не компенсируется снижением стоимости технического решения за счет уменьшения длины длиннопролетной конструкции.
Эффективное расстояние от скважины определено по результатам теплотехнических расчетов в трехмерной постановке с учетом влияния на грунтовый массив постоянного теплового источника (добывающая скважина), периодического (сезонного) источника холода (охлаждающие установки), а также помесячно изменяющейся температуры атмосферного воздуха и теплоизолирующего влияния снежного покрова. Расчетное эффективное расстояние в зависимости от температуры скважины при оптимальном количестве СОУ у одной опоры, равном 6 шт, составляет от 2 м для скважины с температурой плюс 10°С до 8 м для скважины с температурой плюс 42°С (рис. 3). При установке у каждой опоры термостабилизаторов в количестве 8 шт расчетное эффективное расстояние от скважины сократится на 1 м и составит от 3,5 м при температуре скважины плюс 25°С до 7 м при плюс 42°С.
Рисунок 3. Изменение эффективного расстояния от добывающей скважины и оптимального количества СОУ в зависимости от температуры скважины.
Практическая реализация технического решения
Рассматриваемое техническое решение по обеспечению устойчивости опор обвязок добывающих скважин было реализовано на одном из газовых месторождений месторождений Крайнего Севера в Западной Сибири.
Температура газовой добывающей скважины составляла плюс 15°С. Ситуация осложнялась тем, что к моменту реализации технического решения скважина в течение 5 лет находилась в эксплуатации, что привело к значительному растеплению грунтов вокруг скважины и формированию ореола оттаивания радиусом 3—4 м. За пределами существующего радиуса оттаивания, на расстоянии 6—7 м от газовой скважины, по данным термометрических наблюдений температура грунтов на глубине заложения свай свайных опор (порядка 7 м) составляла минус 0,5°С (по состоянию на конец летнего периода).
С учетом сложившейся ситуации длиннопролетная конструкция устанавливалась на свайные опоры, удаленные на расстояние 6 м от добывающей скважины. Таким образом, общая длина длиннопролетной конструкции составила порядка 12 м. Сохранность грунтов оснований свайных опор обеспечивалась установкой возле каждой из опор СОУ в количестве 6 шт производства ФГУП «Фундаментпроект» (рис. 7). Количество и расстановка СОУ подбиралась исходя из условия создания и сохранения в течение эксплуатационного периода мерзлого массива грунтов вокруг свайных опор с температурой не выше минус 1,2°С на глубине заложения свай.
В результате последующих наблюдений за объектом зафиксировано следующее. Температуры грунтов вокруг свайных опор за счет функционирования СОУ существенно понизились. По окончании первого зимнего цикла работы СОУ температуры грунтов на глубине заложения свай опор (7 м) достигли минус 2,3 — минус 6,5°С, что обеспечило сохранность мерзлого грунтового массива у свайных опор до конца летнего периода, в течение которого СОУ не функционировали. Температуры грунтов в мерзлом массиве на глубине 7 м перед началом следующего зимнего периода составили минус 1,4 — минус 2,3°С.
Таким образом, основные расчетные параметры ореолов оттаивания вокруг добывающих скважин, а также мерзлых массивов грунтов у свайных опор хорошо соотносятся с результатами, получаемыми на практике при реализации данного технического решения. Сохранность грунтов оснований опор в мерзлом состоянии, а значит и устойчивость самой длиннопролетной конструкции обеспечивается.