Термоизолированные трубы для увеличения нефтеотдачи

В статье представлена новая термошахтная технология для повышения эффективности вовлечения запасов высоковязкой нефти, сосредоточенной в сложных коллекторах. Для максимального извлечения углеводородов предлагается использовать новые конструкции подземных скважин длиной до 800 м. Первые конструкции были испытаны на скважинах длиной до 250 м. Новые конструкции скважин позволили существенно повысить темпы закачки пара, что благоприятно сказалось на темпах нефтеотдачи.

Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция является одним из лидеров по добыче тяжелой нефти в Российской Федерации, наиболее крупными известными месторождениями являются Ярегское и Усинское [1]. Ярегское месторождение уникально не только по своим геологическим характеристикам, но и по способу разработки. В настоящее время на месторождении применяется как подземный (термошахтный) способ, так и поверхностный (технология термогравитационного дренирования пласта, ТГДП). Весьма актуально отметить, что классический вариант SAGD (ТГДП) исторически берет корни от термошахтной разработки (одногоризонтная система – аналог SAGD, только при более плотной сетке скважин), который начал еще применяться в 1968 году. Таким образом родина SAGD это Ярегское месторождение. В классической модификации для поверхностного способа разработки технология термогравитационного дренирования была проработана Роджером Батлером в 1978 году [2].

Учитывая высокую технологическую эффективность термошахтной разработки (коэффициент извлечения нефти по отдельным блокам достигает 60-70 %) при накопленном паронефтяном отношении не более 2 т/т, совершенствование систем термошахтной разработки является актуальной задачей. В настоящее время одногоризонтная система существенно модернизировалась, благодаря проведенному глубокому анализу специалистами Ухтинского государственного технического университета под руководством профессора, доктора технических наук Рузина Л.М.

На основе выполненных исследований были разработаны новые конструкции для подземных добывающих и нагнетательных скважин. В рамках выполнения первых опытно-промышленных работ на участках ОПУ-2бис и ОПУ-3бис (с 2011 года) было рекомендовано использование термоизолированных труб. В процессе эксплуатации были получены положительные результаты, темпы нефтеотдачи превысили темпы подземно-поверхностной системы [3], что послужило дальнейшим импульсом для испытания новой термошахтной системы на длинных скважинах (до 800 м). В настоящее время ведется разбуривание нового блока на третьей нефтяной шахте по новой технологии.

Для обоснования применения теплоизолированных труб на Ярегском месторождении при использовании модернизированной одногоризонтной системы были проведены замеры в лаборатории, в процессе эксплуатации скважин, а также в процессе математического моделирования. При применении термошахтных систем ключевым моментом является соблюдение в добычной галерее необходимого микроклимата для создания безопасных условий ведения работ. Основными источниками тепловой энергии, повышающими температуру, являются горный массив, добываемая жидкость, прорывы пара. Для минимизации влияния данных источников на рудничную атмосферу могут служить следующие мероприятия: применение теплоизолированных труб в приустьевой части, применение закрытой системы сбора добываемой жидкости, применение торкретирования (создание теплоизолированной бетонной рубашки) для предотвращения прямых прорывов пара.

Относительно применения теплоизоляции рассмотрим следующую конструкцию паронагнетательной скважины, применяемой на опытно-промышленных участках (рис. 1).

Длина термоизолированной секции зависит от длины самой скважины, что связано с давлением закачки пара.

Термоизолированная труба представляет собой сочетание труб диаметром 73 и 114 мм, расположенные одна в другой. Пространство между трубами заполняется теплоизолирующим материалом с низким коэффициентом теплопроводности. В настоящее время применяются различные материалы. Например, компанией ООО «Усинск НПО-Сервис» в качестве теплоизолятора использует материал SuperSil, коэффициент теплопроводности которого составляет 0,04 Вт/м·⁰С. В то же время существуют вакуумированные теплоизолированные трубы. Как известно, коэффициент теплопроводности вакуума близок к нулю. Для испытания данных труб были проведены лабораторные эксперименты, которые проводились с помощью установки УИК-ПП, оснащенной электронагревательным кабелем. Результаты данных экспериментов представлены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. Результаты лабораторных экспериментов

образец №1 – ООО «Усинск НПО-Сервис» зав. № 1035

образец №2 – ООО «НПФ Кубаньнефтемаш» зав. № 0006

При выполнении экспериментов температура окружающей среды в лаборатории составляла 23 ⁰С. Согласно представленным расчетам, разница на стенке термоизолированных труб составила не более 7 ⁰С.

Согласно проведенным исследованиям, установлено, что наибольшая температура достигается в местах резьбовых соединений. Поэтому было принято решение провести дополнительные исследования двух труб, скрученных вместе. Также был применен специальный стенд с нагревательным теном на заводе ООО «НПФ Кубаньнефтемаш». Контроль температуры нагрева проводится термопарой, размещенной внутри трубы на расстоянии один метр от торца. Результаты данных исследований представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. Результаты исследований на специализированном стенде

Температура окружающей среды 19 °С

Для проведения математических экспериментов при дальнейшем сопоставлении с результатами проведенных лабораторных исследований представим следующую зависимость для расчета теплового потока [4]:

- температура нагревателя (по результатам замеров), °С;

- температура на внешней стенке термокейса (по результатам замеров);

- внутренний радиус колонны НКТ, м;

- внешний радиус колонны НКТ, м;

- внутренний радиус эксплуатационной колонны, м;

- внешний радиус эксплуатационной колонны, м;

- коэффициент теплопроводности стенок НКТ, Вт/(м·°С);

- коэффициент теплопроводности теплоизоляции, Вт/(м·°С);

- коэффициент теплопроводности стенок ЭК, Вт/(м·°С).

Для выполнения расчетов представим следующие исходные данные (таблица 3).

ТАБЛИЦА 3. Исходные данные для термокейса с SuperSil

По результатам выполненных расчетов установлено, что тепловой поток составит 50,01 Вт/м.

ТАБЛИЦА 4. Исходные данные для термокейса с вакуумом

По результатам выполненных расчетов установлено, что тепловой поток составит 26,2 Вт/м. Сопоставляя результаты проведенных исследований, необходимо отметить, что применение как термокейсов с теплоизолятором, так и вакуумированных труб позволит снизить потерю тепловой энергии, что будет препятствовать интенсивному прогреву горного массива, тем самым создавая благоприятные условия работы в нефтяной шахте.

Выводы:

1. Проведены теплофизические исследования теплоизолированных труб различных производителей. Установлено, что для изготовления термокейсов могут быть использованы различные теплоизоляционные материалы, а также вакуум.

2. Выполненные лабораторные стендовые исследования позволили сделать вывод о том, что применение вакуума позволяет снизить температуру на стенке трубы по сравнению с теплоизолятором SuperSil в среднем на 8–10 ⁰С. Слабым местом термоизолированных труб являются зоны рядом с резьбовыми соединениями, в них наблюдалось наибольшее повышение температуры.

3. По результатам стендовых исследований выполнена калибровка математической модели, которая в дальнейшем будет использована для обоснования разработки новых конструкций для термошахтных технологий.

Литература:

1. Рузин Л.М. Технологические принципы разработки залежей аномально вязких нефтей и битумов / Л.М. Рузин, И.Ф. Чупров, О.А. Морозюк, С.М. Дуркин. – 2-е изд., перераб. и доп. – Москва; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2015. – 480 с.: ил.

2. Butler, R.M. Method for continuously producing viscous hydrocarbons by gravity drainage while injecting heated fluids. US Patent 4344485 A.

3. Дуркин С.М. Применение модернизированной одногоризонтной системы при разработке шахтного блока системой длинных скважин / С.М. Дуркин, Л.М. Рузин, И.Н. Меньшикова, А.А. Терентьев – Нефтяное хозяйство. – №1. –2018. – С. 62-65.

4. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; под ред. В.Н. Луканина. – 6-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2008. – 671 с.: ил.