Расчет термодинамических параметров опускного течения теплоносителя в скважине с учетом протаивания многолетнемерзлых пород

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью расчетов параметров закачиваемого в нефтесодержащей пласт теплоносителя на всем протяжении его движения от выхода из нагревателя или парогенератора до пористого коллектора. Основным используемым сегодня методом разработки залежей высоковязких и битумных нефтей является закачка в нефтяной пласт теплового агента (горячая вода или пар). При таком способе повышения нефтеотдачи пластов происходит снижение вязкости нефти и увеличивается коэффициент извлечения нефти. Повышение коэффициента извлечения нефти может привести к рентабельности разработки месторождений с высоковязкими нефтями. Поскольку для производства горячей пароводяной смеси нужны достаточно большие энергетические затраты, и для эффективного теплового воздействия на нефтяную залежь требуется при достаточно высоких скоростях закачки значительный объем теплоносителя, то для успешной реализации данного метода разработки необходимы предварительные расчеты на базе адекватной математической модели, в которой учтены различные аспекты изучаемого процесса. Целью исследования является анализ влияния различных факторов на характер распределения по глубине скважины параметров теплоносителя, а также интенсивность протаивания многолетнемерзлых пород. Объекты: гидродинамические и теплофизические процессы, протекающие при движении теплоносителя в нагнетательной скважине, с учетом теплового взаимодействия с окружающей горной породой. Методы. Теоретическое исследование выполнено на базе методов механики многофазных систем и вычислительной математики. Задача нахождения параметров опускного двухфазного потока в нагнетательной скважине разбивается на две части. В первой части определяются термодинамические параметры стационарного нисходящего течения горячей пароводяной смеси в подъемной колонне скважины с учетом тепловых потерь в окружающие горные породы. Во второй исследуется нестационарное распространение в горной породе теплоты, поступающей от скважины, с учетом возможного протаивания многолетнемерзлых пород. С учетом найденного распределения температуры в окружающих породах происходит переход к первой части. Результаты. Приведена математическая модель опускного течения теплоносителя в нагнетательной скважине с учетом внешнего теплообмена скважинного продукта с окружающими горными породами (в том числе и многолетнемерзлыми). На ее базе численно изучено влияние различных факторов (массовый расход и сухость нагнетаемого пара, различная толщина теплоизолирующего материала на внешней поверхности подъемной колонны и т. п.) на изменение термодинамических параметров двухфазного потока по глубине скважины, а также темпы растепления многолетнемерзлых пород. Получены зависимости радиуса протаявшей зоны в мерзлых грунтах от массового расхода закачиваемого теплоносителя, а также от различного заполнения кольцевого зазора скважины.

The relevance of the research is caused by the necessity of calculating the parameters of a heat-transfer agent pumped into an oilcontaining reservoir throughout its movement from the exit from a heater or steam generator to the porous collector. The main method used today for developing the deposits of highly viscous and bituminous oils is the injection of thermal agent (hot water or steam) into such deposits. With thermal method of enhanced oil recovery, oil viscosity decreases and oil recovery factor increases. Increased oil recovery factor can lead to the profitability of the development of fields with highly viscous oils. Since the production of a hot steam-water mixture requires sufficiently high energy costs and for effective thermal effects on the oil reservoir a considerable amount of heat-transfer agent is required at sufficiently high injection rates, for the successful implementation of this development method, preliminary calculations are needed, which are based on an adequate mathematical model that takes into account various aspects the studied process. The main aim of the research is to analyze the influence of various factors on the nature of the distribution of heat-transfer agent parameters along the well depth, as well as the permafrost melting intensity. Objects: hydrodynamic and thermophysical processes occurring during heat-transfer agent movement in an injection well, taking into account thermal interaction with the surrounding rock. Methods. This theoretical study was performed on the basis of the methods of the mechanics of multiphase systems and computational mathematics. The task of finding the parameters of the downward two-phase flow in an injection well is divided into two parts. In the first part, the thermodynamic parameters of steady-state downward flow of a hot steam-water mixture in a well are determined taking into account heat losses to the surrounding rocks. In the second part, non-stationary propagation of heat, coming from the well product, in the surrounding rock is investigated, taking into account possible thawing of permafrost. The surrounding rocks temperature distribution found in the second part then used in the first part. Results. The paper introduces the mathematical model of the downward flow of a heat-transfer agent in an injection well, taking into account the external heat exchange of the well product with surrounding rocks (including permafrost). Using this mathematical model, the influence of various factors (mass flow rate, dryness of injected steam, different thickness of heat insulating material on the outer surface of the well lifting column, etc.) on the change in thermodynamic parameters of the two-phase flow along the well depth and on the melting of permafrost was numerically studied. The authors have obtained the dependences of the thawed zone radius in permafrost on the mass flow rate, as well as on the different filling of the well annular space.