Frost 3D Universal

Эксплуатация нефтяных добывающих скважин в районе распространения многолетнемерзлых грунтов вызывает формирование ореола оттаивания вокруг ствола скважины, что может привести к нарушению устойчивости, как самих скважин, так и трубопроводов, подводимых к ним. В связи с этим проектирование добывающих скважин требует выполнения расчета теплового режима многолетнемерзлых грунтов и ореола оттаивания вокруг куста скважин.

 

На сегодняшний день наиболее удобным инструментом для выполнения таких расчетов является программный комплекс Frost 3D Universal. Для создания компьютерной модели теплового влияния добывающей скважины на многолетнемерзлый грунт в программе Frost 3D Universal необходимы следующие данные:

 

1. Метеорологическая информация: динамика температуры воздуха, скорости ветра и толщины снегового покрова.

2. Инженерно-геологическое строение грунтов возле моделируемых скважин и их теплофизические свойства: теплопроводность в мерзлом и талом состоянии, объемная теплоемкость в мерзлом и талом состоянии, температура начала фазового превращения воды в лед, плотность сухого грунта, суммарная весовая влажность грунта и зависимость содержания незамерзшей воды в грунте от температуры.

3. Температура продукта в добывающей скважине и скорость его прокачки.

4. Конструкция скважины и теплофизические свойства используемых материалов (цемента, теплоизоляции и др.).

 

На основании этих данных в программе Frost 3D Universal создается трехмерная компьютерная модель для расчета теплового влияния добывающих скважин на многолетнемерзлый грунт.

 

Применение Frost 3D Universal для расчета скважин ЗАО «Тюменьнефтегазпроект»

Компьютерная модель теплового влияния добывающих скважин на многолетнемерзлый грунт

Компьютерная модель теплового влияния добывающих скважин на многолетнемерзлый грунт

 

Геометрические размеры расчетной области, содержащей 4 добывающие скважины и 5 различных грунтов (инженерно-геологических элемента), составляют: длина – 60 м, ширина – 40 м, высота – 200 м.

 

Для каждого инженерно-геологического элемента (ИГЭ), образующего рассматриваемую модель, задаются соответствующие теплофизические свойства.

Наименование параметра материала Наименование материала
ИГЭ1 ИГЭ2 ИГЭ3 ИГЭ4 ИГЭ5
Объемная теплоемкость талого грунта, Дж/(м3оС) 2 920 000 3 200 000 2 890 000 2 860 000 2 790 000
Объемная теплоемкость мерзлого грунта, Дж/(м3оС) 1 830 000 2 200 000 2 010 000 1 920 000 2 190 000
Теплопроводность талого грунта, Вт/(м•оС) 1.86 1.8 1.78 1.8 1.27
Теплопроводность мерзлого грунта, Вт/(м•оС) 2.1 1.88 1.91 1.93 1.85
Суммарная весовая влажность грунта, д.е. 0.2 0.3 0.25 0.15 0.25
Плотность сухого грунта, кг/м3 1400 1600 1400 1400 1600
Температура фазового перехода, оС 0 -0.2 -0.1 -0.6 -0.2

 

Для каждого инженерно-геологического элемента также задается зависимость содержания незамерзшей воды от температуры.

 

Содержание незамерзшей воды в грунте в зависимости от температуры

Содержание незамерзшей воды в грунте в зависимости от температуры

 

В начальный момент времени задается вертикальное распределение температуры по глубине грунта.

Для учета влияния на теплообмен поверхности грунта с воздухом задается динамика толщины снежного покрова.

 

Начальное распределение температуры по глубине рассматриваемого участка

Начальное распределение температуры по глубине рассматриваемого участка

Изменение мощности снежного покрова от времени

Изменение толщины снежного покрова от времени

На границе расчетной области с атмосферой в качестве граничных условий задается динамика температуры воздуха от времени и коэффициента теплообмена от времени, который рассчитывается исходя из скорости ветра.

Изменение температуры воздуха от времени

Изменение температуры воздуха от времени

Изменение коэффициента теплообмена поверхности грунта с воздухом

Изменение коэффициента теплообмена поверхности грунта с воздухом

На боковой поверхности расчетной области необходимо задать равенство теплового потока нулю, поскольку левая и правая граница лежат на плоскости симметрии, а передняя и задняя граница расчетной области находятся на достаточном удалении от моделируемых скважин (т.е. тепловой поток от скважин не доходит до этих границ). На нижней границе расчетной области также задается равенство теплового потока нулю, поскольку ниже нее идет продолжение скважины и аналогичный грунт, расположенный выше этой границы (таким образом, тепловой поток через нижнюю границу равен нулю).

Тепловое взаимодействие скважин и грунта вокруг них моделируется посредством граничных условий третьего рода. При вычислении коэффициента теплообмена между грунтом и стенкой скважины учитывается скорость прокачки нефтепродуктов по скважине, их теплофизические свойства и толщина теплоизоляции скважины.

Задание граничных условий при теплотехническом расчете скважины

Задание граничных условий на границах рассматриваемого участка

 

Проведем прогнозный расчет динамики температурного поля и ореола оттаивания грунтов вокруг скважин на 20 лет.

По результатам расчета можно проанализировать распределение тепловых полей вокруг скважин для интересующих моментов времени в различных сечениях трехмерной расчетной области.

 

Распределение теплового поля в грунте через 5 лет в сечении XZ расчетной области

Распределение теплового поля в грунте через 5 лет в сечении XZ расчетной области

 

Анализ грунта скважиной в программе Frost 3d Universal

Распределение теплового поля в грунте через 5 лет в сечении YZ расчетной области

 

Тепловой расчет скважин в многолетнемерзлом грунте

Распределение теплового поля в грунте через 20 лет в сечении XZ расчетной области

 

Растепление скважиной многолетнемерзлой породы в программе Frost 3D Universal

Распределение теплового поля в грунте через 20 лет в сечении XY расчетной области

 

При необходимости визуализацию тепловых полей в интересующем сечении можно осуществить в виде изолиний.

 

Фронт оттаивания грунта вокруг скважин

Распределение теплового поля в грунте через 20 лет в 2D сечении в виде изолиний

 

Аналогичным образом можно проанализировать ореол оттаивания грунта вокруг скважин. На рисунках ниже представлено относительное распределение количества незамерзшей воды в грунте. Красному цвету соответствуют участки грунта, в которых весь содержащийся в грунте лед растаял. Синему цвету соответствуют участки грунта, в которых вся содержащаяся в них влага замерзла.

 

Ореол растепления вокруг куста скважин

Распределение относительного содержания незамерзшей воды в грунте через 5 лет в сечении XZ расчетной области

 

Таяние грунта вблизи растепляющей скважины

Распределение относительного содержания незамерзшей воды в грунте через 5 лет в сечении XY расчетной области

 

Растепление грунта вдоль нефтяной скважины

Распределение относительного содержания незамерзшей воды в грунте через 20 лет в сечении XZ расчетной области

 

Нефтяная скважина в грунте

Распределение относительного содержания незамерзшей воды в грунте через 20 лет в сечении XY расчетной области

 

Таким образом, визуализировав относительное распределение незамерзшей воды в грунте по сечению поперек скважин, можно определить размер ореола оттаивания грунта вокруг скважины на интересующие моменты времени, и сделать выводы об эффективности теплоизоляции скважин и выбранного расстояния между ними.

 

Ореол оттаивания вокруг скважины

Распределение относительного содержания незамерзшей воды в грунте через 20 лет в 2D сечении