Исследование и научное обоснование энергосберегающих режимов разработки газовых и газоконденсатных месторождений

Краткое описание

Содержание
ВВЕДЕНИЕ...'... 4

1. ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА СЕВЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ... 8

1.1. Геокриологические особенности эксплуатации газовых скважин... 8

1.2. Динамика обратного промерзания ММП и способы его предупреждения... 17

1.3. Целесообразность разработки газовых месторождений при энергосберегающих режимах эксплуатации скважин... 31

Выводы по разделу... 45

2. НАУЧНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ КОМПЛЕКСНОЙ РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ ПРИ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ РЕЖИМАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ СКВАЖИН... 47

2.1. Рациональная разработка газовых и газоконденсатных месторождений с помощью адаптирующейся геолого-гидродинамической модели... 47

2.2. Методы использования энергетических ресурсов газовых месторождений при проектировании их разработки и добычи газа, обеспечивающие энергосбережение... 58

Выводы по разделу... 81

3. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕГО ГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО СЕПАРАТОРА ДЛЯ ОСУШКИ ГАЗА... 83 3.1. Обоснование метода газодинамической сепарации... 83

2

3.2. Конструкция газодинамического сепаратора и его технико-экономические показатели... 91

3.3. Математическая модель энергетической системы ГДС и анализ результатов моделирования... 103

Выводы по разделу... 125

4. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СХЕМЫ ОЧИСТКИ РАСТВОРА ГЛИКОЛЯ ОТ СОЛЕЙ И ПРИМЕСЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ВОЗДУШНОЙ ВЫПАРКИ... 126

4.1. Установка для осушки газа... 126

4.2. Установка для очистки раствора ДЭГа от мехпримесей и солей... 132

4.3. Установка очистки раствора на базе типовой схемы блока регенерации гликоля... 142

Выводы по разделу... 146

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ... 147

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ... 149
Введение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В связи с постоянно растущей неравномерностью потребления газа в стране в течение года возникает потребность в сезонном прекращении работы как отдельных скважин, так ив некоторых случаях целых месторождений. Последствия, которые могут быть вызваны остановкой работы скважин, в настоящее время мало изучены. Особенно осторожно к вопросу временного прекращения работы скважин следует подходить при эксплуатации газовых месторождений Западной Сибири, верхняя часть которых характеризуется наличием многолетнемерзлых пород (ММП), и где добывается свыше 90% газа.

Анализ работы фонда скважин в условиях ММП и их техническое состояние требует разработки и внедрения энергосберегающих технологий на разрабатываемых газовых и газоконденсатных месторождениях с учетом сезонной неравномерности добычи: газа. Большой научный и практический интерес представляет энергетический подход при использовании ресурсов природного газа в процессе его добычи, обеспечивающий энергосбережение..

Наличие примесей в циркулирующем растворе гликоля оказывает ряд негативных влияний; на работу установок осушки газа. В частности, при регенерации насыщенного раствора происходит отложение минеральных солей, и механических примесей на поверхностях оборудования и труб теплообменников. Последнее затрудняет теплообмен, увеличивает энергозатраты и способствует преждевременному выходу из строя аппаратов из-за прогара теплопередающих поверхностей. Накопление минеральных солей в растворе гликоля существенно повышает коррозию оборудования, а механические примеси и продукты коррозии приводят к ухудшению массообмена между фазами, снижают эффективность процессов и увеличивают перепад давления на установке. Все это приводит к увеличению скорости газа, что, в свою очередь, способствует пенообразованию и уносу

гликоля в виде капель.

Приведенные факты показывают актуальность разработки и внедрения новых подходов очистки гликолей от различных примесей и сепараторов, не имеющих аналогов.

Поэтому диссертационная работа посвящена системному анализу энергосберегающих режимов разработки газовых месторождений, новых технологических приемов осушки газа и очистки раствора гликоля.

Цель работы — исследование и научное обоснование перспективных энергосберегающих режимов разработки газовых и газоконденсатных залежей и-технологических приемов при осушке газа и очистке гликоля.

Основные задачи исследований:

1. Анализ геокриологических особенностей разработки газовых и газоконденсатных месторождений на севере Западной Сибири.

2. Обоснование основных положений системной разработки газовых и газоконденсатных месторождений при энергосберегающих режимах эксплуатации скважин.

3. Разработка методики использования энергетических ресурсов газовых месторождений при проектировании их разработки и добычи газа, обеспечивающей энергосбережение.

4. . Разработка и внедрение энергосберегающего газодинамического

сепаратора для осушки газа.

5. Совершенствование схемы очистки раствора гликоля от минеральных солей и механических примесей на основе дистилляционного процесса.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались современные статистические методы обработки информации, методы математического моделирования процессов фильтрации газа в пространственно неоднородных коллекторах с применением различных вычислительных алгоритмов.

Научная новизна работы

1. Предложена методика научного обоснования основных положений системной разработки газовых и газоконденсатных месторождений при энергосберегающих режимах эксплуатации скважин.

2. Разработана принципиально новая технология осушки, основанная на газодинамическом эффекте охлаждения газа при повышении скорости его течения до околозвуковой.

3. Предложены усовершенствованные технологические приемы для интенсификации процесса очистки гликоля от минеральных солей и мехпримесей, основанных на дистилляции раствора под глубоким вакуумом.

Основные защищаемые положения

1. Методика энергосбережения при добыче газа и разработке месторождений природного газа.

2. Конструкция газодинамического сепаратора, его технико-экономические показатели.

3. Новые технологические приемы очистки растворов гликоля от минеральных солей и механических примесей.

Достоверность полученных результатов достигнута в результате применения современных методов математического моделирования, анализа и апробации результатов исследования на промысловых объектах.

Практическая ценность.

На основе проведенных теоретических исследований процессов подготовки природного газа были разработаны и апробированы в промысловых условиях на Заполярном ГКМ новые технологические прием очистки гликоля и гидродинамический сепаратор для осушки газа.

По результатам апробирования разработаны технологические регламенты и предложения по их внедрению на газовых промысла ООО «Ямбурггаздобыча».

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы и ее основные положения докладывались и обсуждались: на международной конференции «Актуальные проблемы и новые технологии освоения месторождений природных газов в XXI веке», п.в.т. Ямбург, 2002 г., 12-ом ежегодном международном конгрессе «Новые высокие технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи CITOGIC-2002», г. Геленджик, 2002 г., 13-ом ежегодном международном конгрессе «Новые высокие технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи CITOGIC-2003», г. Санкт-Петербург, 2003 г.22-ой мировой газовой конференции «World Gas Exhibition 2003», Токио, 2003 г., техсоветах ООО «Ямбурггаздобыча» (2000-2003 гг.), а также на научно-методических семинарах кафедры «Моделирование и управление процессами нефтегазодобычи» ТюмГНГУ (2002-2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 6 статей и 5 тезисов докладов. В работе представлены результаты исследований, выполненных лично автором, а также в сотрудничестве с сотрудниками РАО «Газпром», ООО «Ямбурггаздобыча» и ТюмГНГУ. В работах, написанных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка задач, методы исследований и обобщение данных, апробация методик и новых технологических приемов, а также авторский надзор за их внедрением на месторождении.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованной литературы, включающего 89 наименований. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 26 рисунков и 12 таблиц.

1. ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗРАБОТКИ ГАЗОВЫХ И ГАЗОКОНДЕНСАТНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ НА СЕВЕРЕ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

1.1. Геокриологические особенности эксплуатации газовых скважин

Россия является уникальной в мире территорией по жесткости природно-климатических условий добычи газа: 58% ее площади занимают многолетнемерзлые породы (ММП), причем 11 % - это тундровые территории, 27% - таежно-болотистые, 21% - территории Заполярья.

Основные газовые месторождения, обеспечивающие жизнеобеспечение населения страны, расположены на севере Западной Сибири, в зоне распространения ММП.

К ММП относятся породы, имеющие отрицательную температуру, содержащие в своем составе лед и находящиеся в мерзлом состоянии в продолжении многих лет (от трех и более). На севере Западной Сибири ММП распространены до глубин 300—500 м, где верхние 1,5 м на дневной поверхности — это активный слой, оттаивающий в.теплое время года. ММП с наибольшей толщиной (мощностью) (1400 м) встречены в 1963 г. при бурении Мархинской опорной скважины на южном склоне Анабарской антеклизы. На Заполярном, Уренгойском, Медвежьем, Мессояхском ГКМ толщины (мощности) ММП на сводах-структур на 50-—100 м меньше, чем на краевых участках структуры. На Мессояхском месторождении под ММП была найдена газогидратная залежь, эксплуатация которой осложнялась образованием гидратов в призабойной зоне пласта, а при остановках скважин наблюдалось смятие обсадных колонн. Мерзлота по глубине на разных территориях не одинакова. Льдистость ММП различна и зависит в том числе от литологии терригенных пород.

Для районов распространения ММП одна из характерных особенностей является их морозное пучение, когда замерзающая вода расширяется в объеме,

вызывает развитие напряжений и деформаций в талой и мерзлой зонах грунта. Морозное изучение^ влагонасыщенных фунтов [6] — это сложная совокупность процессов тепло- и массообмена, перераспределения физико-механических характеристик и напряженно-деформированного состояния промерзшего грунта.

Инженерные работы на территориях распространения ММП проводятся с учетом возможно меньшего растепления ММП, которые являются несущим базисом всех сооружений. Проводятся специальные исследования вечной мерзлоты [1-—10 и др.].

Степень неблагоприятного воздействия группы природных факторов на условия эксплуатации газовых скважин определяется сложностью геокриологических условий района [I]. Районы работ со сложными геокриологическими условиями характеризуются типом, природных ландшафтов и мерзлотных процессов, геологическим строением и составом пород, толщиной и строением толщи ММП, температурой мерзлых пород и ее распределением по глубине. Прогноз температурного режима пород включает экспериментальное определение их теплофизических свойств, что является основой для составления рекомендаций по обеспечению устойчивости эксплуатационных скважин в ММП. Проведены исследования [10, 11, 22, 23] теплового взаимодействия кустов скважин с ММП для различных способов эксплуатации и геотехнических условий территории на основе использования нестационарных тепловых моделей.

Главными факторами, определяющими степень влияния ММП на проходку скважин [41, 23, 24], являются физические свойства пород, температура промывочной жидкости, продолжительность бурения.скважины, скорость потока промывочной жидкости. При бурении и эксплуатации скважины в результате теплового взаимодействия скважины с ММП [7] поток бурового раствора или теплого газа приводит к растеплению мерзлых пород в околоствольном пространстве скважины с образованием зоны протаивания, а

также каверн в сплошности ММП, приустьевых обвалов, что может привести к осложнениям и авариям.

Осложнения в скважинах в криолитозоне возникают как при растеплении ММП в процессе бурения и эксплуатации скважин, так и при обратном промерзании ММП в условиях простоя или консервации газовых скважин. Эти осложнения [1,2] следующие:

• образование провалов и приустьевых воронок в летнее время при протаивании и просадке пород; воронки могут достигать глубины в несколько десятков метров при диаметре 8—10 м; они обычно ликвидируются подсыпкой часто больших объемов песка;

• кавернообразование в процессе бурения и эксплуатации;

• смятие обсадных колонн и НКТ при замерзании жидкости в межколонном пространстве;

• смятие кондуктора и колонн при промерзании каверн;

• смятие колонн приурочено к глубинам расположения наибольших каверн, образованных при бурении.

Кавернообразование — термоэрозионное разрушение стенок скважин связано с интервалами песчаных и супесчаных пород, сцементированных льдом. Разрезы глинистых пород более устойчивы. Скорость кавернообразования [1] определяется величиной теплового потока от бурового раствора к стенке скважины, эрозионными характеристиками циркулирующего бурового раствора, концентрацией напряжений в разупрочненной протаявшей зоне с последующим обрушением пород в поток бурового раствора.

На рис. 1.1 показано строение криолитозоны с оценкой льдистости пород месторождений севера Тюменской области.

Таким образом, продолжительная эксплуатация скважин, верхняя часть которых находится в зоне залегания ММП, приводит к искажению естественного теплового поля в окрестности скважины.

ю

Рис. 1.1. Строение криолитозоны с оценкой льдистости пород по результатам исследования скважин газовых месторождений севера Тюменской области

1 - ММП с льдистостью т18 кг/м ; 2 - таломерзлые породы с льдистостью т=3-18 кг/м ; 3 - талые и охлажденные породы с т650 Kr/MJ; 9 - подошва залегания ММП.

Причиной появления этих искажений является относительно высокая температура отбираемого скважиной газа, который разогревает контактирующие со скважиной породы. Образование зоны положительных температур вокруг скважины вызывает растепление пород и появление воды. Очевидно, что механические свойства растепленных пород значительно отличаются от аналогичных свойств в их замерзшем состоянии, что в ряде случаев является причиной, осложняющей эксплуатацию скважин. Чаще всего эти осложнения приводят к некоторым смещениям устья скважины в пределах растепленной области с последующей стабилизацией ее положения. Когда диаметр и глубина зоны растепления велики, может происходить потеря устойчивости обсадной колонны [29-33].

При остановке скважины на продолжительное время температура растепленной области под воздействием окружающих ее многолетнемерзлых пород снижается, ее размеры сокращаются и растепленная,многолетнемерзлая порода подвергается повторному замерзанию. Процесс повторного замерзания породы неизбежно сопровождается необратимыми изменениями ее первоначальной структуры и механических свойств, а также развитием пространственной асимметрии фронта; промерзания. Развитие вторичной мерзлоты инициирует сложные пространственные процессы миграции незамерзшей воды к движущемуся фронту промерзания. В заключительной стадии обратного смерзания породы пространственная конфигурация фронта определяется неоднородностью растепленной области по своим теплофизическим свойствам, а.также неустойчивостью и-несимметричностью самого процесса обратного промерзания. Под влиянием этих причин происходит распад первоначально односвязной растепленной области на несколько областей, разделенных повторно смерзшейся породой. Фазовые превращения воды вызывают перераспределение давлений и напряжений, которое влечет за собой изменение общего напряженно-деформированного состояния, эволюционирующего по мере развития криогенных явлений.

12

Повторно смерзшаяся порода, контактируя с обсадной колонной (рис. 1.2 — 1.4), вызывает механические нагрузки на скважину. Эти нагрузки неравномерны по глубине и случайны по своему характеру, что объясняется неоднородностями теплофизических свойств и неустойчивостью и случайностью процесса обратного смерзания, В отношении величины этих нагрузок можно утверждать, что они могут быть достаточны для локального разрушения колонны. Известно множество примеров повреждения металлических конструкций, разрушенных в результате их механического взаимодействия с: многолетнемерзлыми породами, если в последних развивались аномально высокие давления при обратном промерзании. Теоретические оценки масштабов механического взаимодействия различных металлоконструкций, горных выработок и в том числе скважин с промерзающими породами затруднены необходимостью ряда неизбежных для теории допущений и своеобразием развития этих процессов в каждом конкретном случае. Поэтому практическое значение имеет, скорее всего, не расчет негативных последствий такого взаимодействия, а запас времени, в течение которого эти процессы не проявляются в опасных масштабах. Применительно к скважине, находящейся в условиях обратного смерзания окружающих пород, можно расчетным путем получить вполне надежные оценки продолжительности безопасной остановки скважины [34-39].

Негативные последствия, обусловленные замерзанием породы, могут наступить в результате смыкания границы раздела фаз с внешней поверхностью скважины (обсадной колонны). При этом в силу неоднородности окружающей скважину породы по теплофизическим и механическим свойствам реальная поверхность раздела фаз не будет симметричной (рис. 1.2, 1.3). Возникновение множества контактов смерзающейся породы со скважиной на разных глубинах приведет к появлению механических нагрузок, различающихся по своим величинам и характеру (рис. 1.4). Следует принять во внимание, что механическое взаимодействие замерзающей породы со

13

Рис. 1.2. Ореол протаивания вокруг скважины

Рис. 1.3. Схема возникновения ассиметричных нагрузок в плоскости движения фронта обратного смерзания протаявшей породы

Рис. 1.4. Схема нагрузок, действующих на скважину при обратном смерзании

протаявшей породы

скважиной имеет криогенную природу, т.е. порода не только меняет фазовое состояние содержащейся в ней воды, но и увеличивает свой объем, что, в свою очередь, интенсифицирует миграцию воды к фронту промерзания. Происходит образование замкнутых полостей, заполненных промерзающей водой, с одной стороны, а с другой - морозное пучение породы вызывает механические нагрузки на колонну (рис. 1.4). Оценить результирующее воздействие совокупности нагрузок весьма сложно, можно лишь утверждать, что в случае промерзания породы величина этих нагрузок будет достаточной для повреждения скважины.

Оценку скорости обратного смерзания породы нетрудно получить из решения задачи Стефана:

15

я

д1Т \_дТ_ дг2 г дг

(1.1)

где С - теплоемкость пород; X - коэффициент теплопроводности мерзлых пород; х - время; Т — температура пород; г - текущий радиус. Применительно к данному случаю можно ограничиться одномерной осесимметричной схемой движения границы к оси скважины из ее первоначального положения, в котором эта граница находилась в момент остановки скважины. Упрощения, связанные с одномерным характером движения границы в плоскости, ортогональной к оси скважины, обусловлены существенным различием между характерными размерами радиуса зоны растепления Rq и глубиной распространения области растепленной породы вдоль оси скважины (рис. 1.2). Условия Стефана на подвижной границе смерзания в этом случае будут иметь вид

,+ дТ ._дТ dR(t)

Я +--------Я-----= 77-----— (12}

дг дг ' дт ' К }

где R(t) - текущий радиус с подвижной границы раздела фаз; Х+, X' -коэффициенты теплопроводности мерзлой и талой породы; г| - удельная (на единицу объема) теплота фазового перехода.

Для практических рекомендаций достаточно выполнить оценку времени, в течение которого не возникает опасного смыкания промерзающей породы с поверхностью скважины. Для этого достаточно пренебречь теплоемкостью породы в талой области, т.е. предположить, что скорость обратного смерзания породы контролируется удельной теплотой фазового перехода и интенсивностью отвода тепла протаявшей породы через границу фазового перехода в область промерзания. Такие упрощения приводят к некоторому завышению скорости движения фронта промерзания, поскольку в этом случае не учитывается сдерживающее движение фронта теплоемкости талой породы. Следует принять во внимание, что теплота фазового перехода более чем на

16

порядок превышает значение теплоемкости породы, поэтому в реальной ситуации скорость движения границы будет примерно на 10 % ниже, чем полученная расчетным путем.

Во внешней (мерзлой) области будет иметь место логарифмический закон распределения температуры, поэтому скорость движения границы раздела фаз пропорциональна радиусу талой области. Следовательно, по мере сокращения радиуса промерзания скорость движения фронта промерзания будет возрастать.

Выполненные расчеты позволяют сделать вывод о том, что если первоначальная растепленная область имела радиус один метр, то в широком диапазоне значений теплофизических параметров, определяющих скорость протекания процесса обратного смерзания, безопасная продолжительность остановки скважины не превосходит тридцати суток.

1.2. Динамика обратного промерзания ММП и способы его предупреяедения

Остановка скважин на длительные сроки или их консервация приводит, к тому, что водосодержащие среды в заколонном пространстве замерзают вследствие восстановления поля естественных температур в мерзлой толще и под воздействием температуры атмосферы в зимний период. Поскольку при замерзании воды увеличивается объем твердой фазы по сравнению с жидкой, остановка скважин может сопровождаться смятием или разрывом колонн в интервале мерзлых пород.

При фазовом переходе вода — лед происходят изменения прочностных характеристик гранулярных пород, насыщенных водой, и образуются термомеханические напряжения. Величина напряжений зависит от температуры скорости охлаждения, состава, минерализации, геолого-физической характеристики разреза. Возникающие напряжения могут

17

Список литературы