автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.06, диссертация на тему:Совершенствование методов контроля и прогнозирования взаимодействия объектов газодобычи и многолетнемерзлых пород

На правах рукописи

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОБЪЕКТОВ ГАЗОДОБЫЧИ И МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.15.06 - Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

УФА - 1996

Работа выполнена в Научно-технологическом центре предприятия "Надымгазпром" Российского акционерного общества "Газпром"

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

- доктор технических наук, профессор, действительный член АЕН Г ЕРМИЛОВ О.М.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

- кандидат технических наук ТЕР-СААКЯН Ю.Г.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

- доктор технических наук, профессор, члеп-корреспондент АЕН Р' АЛИЕВ З.С.

- кандидат технических наук, доцент ВАСИЛЬЕВ В.И.

ВЕДУЩЕЕ ПРЕДПРИЯТИЕ: "ТюменНИИГипрогаз", г.Тюмень

Защита состоится " ^" ОЛ©1^"^ 1996 г. в ^^ часов на заседании Диссертационного Совета Д.063.09.02. при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа-62, ул. Космонавтов, 1

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке У ГНТ?

Автореферат разослан

\UfiuJi- 1996 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета доктор физико-математических наук,

профессор Р.Н.БАХТИЗИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Одной И! главных задач, стоящих перед газовой промышленностью, является освоение новых газовых месторождений полуострова Ямал. При решении этой нажной задачи существенная роль отводится разработке эффективных методов изучения, контроля и прогнозирования длительного и сложного взаимодействия объектов газодобычи с многолегнемерзлыми породами. Обобщение имеющегося многолетнего опыта освоения и эксплуатации одного из старейших месторождений севера Западной Сибири - Медвежьего, разработка методик обработки промысловых данных и прогнозирование на перспективу взаимодействия газопромысловых сооружений с многолстпсмсрзлыми породами должны способствовать ускоренному освоению'месторождений углеводородного сырья Крайнего Севера.

АКТУАЛЬНОСГЬ. Практика эксплуатации уникальных газодобывающих и газотранспортных систем Крайнего Севера выявила целый ряд проблем, связанных с надежностью и эффективностью работы как отдельных элементов системы, так и всего газодобывающего комплекса в целом. К эшм проблемам следует отнести и проблему взаимодействия газопромысловых объектов с многолегнемерзлыми породами (ММП). Проанализированные автором материалы свидетельствуют о том, что значительная часть потерь в добыче газа из-за отказов в газопромысловой системе обусловлена именно этим.

Освоение месторождений полуострова Ямал, где геокриологическая обстановка является еще более сложной, чем на месторождениях Медвежье, Уренгойское и Ямбургское, требует обобщения опыта строительства и эксплуатации скважин и шлейфов, .межпромысловых коллекторов и газопромысловых сооружений. Кроме того, является необходимым построение адекватных математических моделей, разработка новых технических решении и их обоснование на основе экспериментальных исследований и математического моделирования.

Таким образом исследование общих закономерностей длительного и сложного взаимодействия объектов газодобычи с ММП и прогнозирование его на псрспектипу является актуальным как с научной, так и с практической точки зрения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Исследовать взаимодействие элементов газопромысловой системы с многолетнемерзлыми породами для решения задач прогнозирования и обоснования различных инженерно-технических решений по освоению газовых месторождений севера Тюменской области.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Изучить и выявить наиболее значимые причины технолошче-ских отказов в системе добычи и подготовки газа к дальнему транспорту для добывающих предприятий Крайнего Севера на всех стадиях эксплуатации месторождений.

2. Разработать методику экспериментального определения фактического коэффициента термического сопротивления добывающей газовой скважины с пассивной теплоизоляцией.

3. Исследовать тепловое взаимодействие наружной газовой обвязки турбоафегатов дожимной компрессорной станции и ММП по результатам многолетних наблюдений за температурным режимом фунтов для обоснования инженерно-технических решения по реконструкции и осуществить прогноз на перспективу.

4. Разработать комплекс инженерных мероприятий по контролю за взаимодействием объектов газодобычи и ММП для оперативного принятия экономически обоснованных технических решений по изменению режима их работы или реконструкции.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА.

1.Для определения коэффициента теплоотдачи автором разработан метод обработай результатов замеров температуры в трубке-сателлите за направлением газовой скважины решением численными ме-

тодами нестационарного уравнения теплопроводности с подвижной фазовой границей применительно к условиям засоленного разреза ММП.

2. Разработана методика ускоренной обработки данных термометрических измерений в трубке-сателлите для определения коэффициента 'К'плоотдачи на основе формулы, использованной Б.В.Дегтяревым для расчета температуры на стенке газовой скважины для квазистационарного температурного поля. Пофсшность расчета не превышает 10 %.

3. Предложена методика учета термогравитационной природы процесса переноса тепла в затрубном пространстве при расчете термического сопротивления добывающей газовой скважины. Это приводит к снижению общего коэффициента теплопередачи нетеплоизолированной скважины с 14,2 Вт/(м °С) до 9,5 Вт/(м °С) по сравнению с традиционными оценками.

4. Разработана методика прогноза теплового взаимодействия объекта подготовки газа к транспорту и ММП с использованием результатов многолетних наблюдений за динамикой температурного поля в основании объекта.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Обработка результатов экспериментов и прогнозирование взаимодействия объектов газодобычи с ММП проводились методами математической статистики, численного моделирования и путем решения прямых и обратных задач математической физики.

ДОСТОВЕРНОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. При решении поставленных задач использованы материалы журналов регистрации причин отказов, инженерных изысканий и доизысканий, топо-геодезических наблюдений за подвижками свайных оснований и режимных термометрических исследований по указанным площадкам. В работе использованы данные многолетнего цикла наблюдений за сетью ин-женерно-геокриолотческого мониторинга на 18 площадках размещения основных объектов добычи и подготовки газа к транспорту на месторождении Медвежье, материалы экспериментальных термометрических

исследований на скважинах Бовапепкоиского месторождения. Результаты работ подтверждены практикой контроля устойчивости объектов газодобычи на территории Ямало-Ненецкого автономного округа, использованием материалов работы в проектных решениях по реконструкции действующих сооружений и при проектировании новых объектов в зоне распространения ММП.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ.

1. Экспериментально определен коэффициент термического сопротивления газовых скважин Бовапенковского месторождения, оборудованных теплоизолированными насосно - компрессорными трубами. Предложенная автором методика проведения эксперимента и обработки результатов позволила почти в 40 раз сократить время экспериментальных работ.

2. Технические решения по повышению надежности основных объектов газодобычи, обоснованные в процессе исследований автора, использованы в проектах реконструкции газопромысловых сооружений и в настоящее время реализованы на практике.

3. Разработан и внедрен в практику эксплуатации газопромысловых объектов комплекс инженерных мероприятий, реализация которого позволяет принимать своевременные технические решения по увеличению устойчивости инженерных сооружений.

4. Впервые внедрен в практику контроля за состоянием газопромысловых сооружений севера Западной Сибири современный дистанционный метод - метод георадиолокационпого профилирования. Применение метода позволило резко сократить материальные затраты по контролю за состоянием геотехнической системы Мсдвежыо месторождения.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты работы обсуждались на научно-практической конференции "Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности" (октябрь 1995 г.), научно-практической конференции "Диагностика в газовой промышленностн"(сснтябрь 1995 г.),

на совете по компрессорным станциям РАО "Газпром" (сентябрь (995 г.).

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ Фактический, документально подтвержденный экономический эффект от внедрения на предприятии "Надымгазпром" мероприятий, обоснованных в диссертации, составил 126,824 миллионов рублей за 1995 год.

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований автора опубликованы в 26 печатных работах, из них 17 по теме диссертации, в том числе авторском свидетельстве на изобретение, двух научно-технических обзорах, трех тезисах докладов. Шесть работ опубликованы без соавторов.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и выводов. Диссертация содержит 216 страниц машинописного текста , включая 49 рисунков, 31 таблицу и список литературы 204 наименования.

Автор выражает искреннюю признательность А.И.Березнякову, Ю.М. Грачеву, О.М. Ермилову, Н.В. Михайлову, А.Б. Осокину, Д.В. Па-рахонскому, В.В. Ремизову, Г.К. Смолову, Ю.Г. Тер-Саакяну, В.А.Туголукову, Л.С. Чугунову, а также коллективам Научно-технологического центра "Надымгазпром" и кафедры разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатнонефтяных месторождений УГНТУ за их помощь в организации и проведении исследовательских работ.

ВО ВВЕДЕНИИ содержится общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, поставлены цели и задачи исследования и показана научная новизна.

В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ рассмотрены результаты анализа технологических отказов и аварий, происшедших на Медвежьем месторождении за время его эксплуатации с 1972 г. по 1995 г. Анализ указанных материалов показал [8,15], что оценка значимости влияния на надежность эксплуатации причин, обусловленных техногенным воздействием объектов газодобычи на процессы в многолетнемерзлых породах занижены [11,12].

Обработав полную выборку по отказам методами непараметрической статистики, автор получил результат [15], приведенный на рис. 1. Отказы, имеющие наибольший ранг значимости, происходили на Медвежьем месторождении по технологическим причинам (ранг 2,559) и по причине техногенного взаимодействия инженерных сооружений с мпого-летнемерзлыми породами (ранг 2,562). Сравнение ранговых значимосгсй причин отказов на различных стадиях обустройства газодобывающей системы (рис.2), показало, что техногенное воздействие на ММП является одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций независимо от того, на какой стадии разработки находится месторождение. В начале эксплуатации месторождения достаточно высокий ранг техногенного воздействия на ММП (1,964) объясняется тем, что несмотря на небольшое количество объектов, находящихся в эксплуатации, серьезные аварии на скважинах происходили именно по причине техногенного воздействия на толщу ММП. Затем значимость техногенного воздействия несколько снижается (до 1,756), что обусловлено приспособлением буровых бригад к технологии бурения в'условиях ММП. Техногенное воздействие объектов инфраструктуры промыслов в это время еще не проявляется, хотя оно происходит с интенсивностью не меньшей, чем в настоящее время. Затем ранг значимости техногенного воздействия на ММП возрастает, что связано с увеличением сроков эксплуатации объектов и их количества. Тенденции роста особенно усиливаются в последние (8-9) лет. Начиная с 1987 г., значимость техногенного воздействия не снижалась ниже 2,000 и среди других причин не была ниже третьей.

На основании анализа литературных источников автором показано, что одним из наиболее существенных факторов нарушения устойчивости газовой скважины в районах развития многолстнемерзлых пород является "тепловое загрязнение" геокриологического разреза в процессе ее сооружения и эксплуатации.

Ранг

Рис. 1. Ранговые значимости причин отказов

Ранг

32.5-

Рис.2. Динамика коэффициента ранговой значимости причины "Техногенное воздействие на ММП" для Медвежьего газового месторождения

Автором рассмотрены вопросы, связанные с эксплуатационной надежностью газопромысловых сооружений, отказы на которых имеют большую значимость на поздних стадиях эксплуатации газодобывающей системы. На основе анализа динамики подвижек газопромысловых сооружений, динамики температурных полей в фунтовых основаниях и обобщения многолетнего опыта эксплуатации газопромысловых сооружений Медвежьего месторождения { II 12 ] выявлены наиболее распространенные тины деформаций и их причины [ 8 ].

Наиболее распространенными типами деформаций основных газопромысловых объектов, расположенных в зоне распространения ММП, являются сезонное пучение ( после цикла пучения свая возвращается в исходное положение), многолетнее (остаточное) пучение и многолетняя осадка.

Причинами наблюдаемых деформаций являются неблагоприятные мерзлотно-геологичсские условия, изменение мерзлотно-геологических условий промилощадок после создания насыпи, нарушение при проектировании строительных норм и правил, отклонение от проектов в процессе строительства и эксплуатации сооружений, в результате которых изменился характер теплообмена в системе сооружение - 1рунгы основания.

Таким образом, практически для всего комплекса технологического оборудования п системе добычи газа в районах Крайнего Севера одной из актуальнейших проблем является потеря эксплуатационной надежности технологических объектов и сооружений, связанная с активным воздействием процесса добычи и транспорта газа на многолет-немерзлые грунты.

ВТОРАЯ ГЛАВА. В настоящее время газовые и газокондспсатные месторождения полуострова Ямал находятся в стадии обустройства и Подготовки к опытной эксплуатации. Определены конструкции и технологии сооружения добывающих скважин, идет активный процесс бурения и строительства объектов инфраструктуры. Тем не менее остается

актуальным воппос об эффективности применяемых технических решений по минимгиапии теплового "затрязнения" среды в реальных геокриологических условиях.

Работы по исследованию эффективности работы теплоизолированных лифтовых труб различной конструкции были запланированы к проведению на двух кустовых площадках БГКМ (кусты 68 и 56) в рамках научно-исследовательской программы "Ямал'". В соответствии с решением Управления по добыче РАО "Газпром" на этих кустовых площадках оборудован экспериментальный полигон. Цель эксперимента -определение коэффициента теплоотдачи (а) газовой скважины, оборудованной различными теплоизолированными насосно-компрессорными трубами.

В данной главе автором проанализированы результаты первого цикла экспериментальных работ по определению фактического коэффициента термического сопротивления газовой скважины 6805, оборудованной вакуумированной насосно-компрессорной трубой конструкции ВНИИГАЗа (ЛТТ).

Анализ материалов показал, что в интервале от 0 до 40 м ЛТТ, значительно снижая тепловое воздействие скважины на мерзлые породы, тем не менее не обеспечивает необходимую степень теплоизоляции. В интервале 45 - 55 м ЛТТ позволяет "держать" отрицательную температуру за направлением скважины на уровне ( минус 0.6 - 1.1) °С. Однако, учитывая особенность территории полуострова Ямал, заключающуюся в преимущественном распространении глинистых засоленых фунтов и начале их замерзания при температурах до ( минус 1.5 - 2.0) °С и ниже, степень снижения теплового воздействия на ММП недостаточна для обеспечения необходимого теплового режима грунтов и, следовательно, для длительной и надежной работы.

Показано, что запроектированная аппаратурная база эксперимента не обеспечивает необходимой точности измерений при использовании аппаратуры МГА-6. Об этом свидетельствуют резкие скачки температур

за небольшие периоды времени на одной глубине измерении. Реализация па конечной стадии эксперимента предложении автора о использовании аппаратуры ТК- 0.1-10 [7] позволило повысить качество экспериментального материала за счет уменьшения погрешности измерений.

Причина недостаточной эффективности ЛТТ заключается, по нашему мнению, прежде всего в качестве исполнения теплоизоляции труб, недостаточной герметичности и теплозащите стыков. Используемая для защиты ММП от теплового воздействия со стороны скважины пассивная теплоизоляция является в настоящих условиях чрезвычайно дорогостоящей и пока п недостаточной степени эффективной. Более целесообразно на наш взгляд, наряду с уже имеющейся пассивной теплоизоляцией, использовать активную в виде сателлитов-термостабилизаторов.

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ приведена методика ускоренного проведения эксперимента но определению коэффициента теплоотдачи газовой скважины. Приведены результаты экспериментальных работ на скважине 5602 при использовании для ее теплоизоляции ЛТТ второй серии. Методика проведения работ основана на возможности определения коэффициента теплоотдачи скважины путем исследования динамики температуры в трубках сателлитах, расположенных непосредственно за направлением скважины в интервалах времени, когда в окружающей среде отсутствует граница фазовых переходов. Предложено обработку результатов проводить с помощью многократного решения сеточными методами нестационарного уравнения теплопроводности с пошаговой коррекцией граничных условий [16].

Исходная система уравнений выглядит следующим образом:

где индекс ; = 1,2,3 определяет среды, включенные в расчетную область, и относится к материалу цементного кольца, талым и мерзлым породам соответственно; А,- - теплопроводность среды, Вт/м °С; С,--теплоемкость

ат,(х,У,г) Л у,у,г) 1 д2у;(.у,у,т)

А С, дх1 <? у1

дх1

(1)

среды, Дж/кг °С; 1) - температура, °С; х,у,т - координаты расчетной области и время теплового воздействия, соответственно.

Расчетная область представляет собой фигуру (рис. 3), состоящую из прямоугольных ячеек. Частота разбиения на ячейки колеблется от 2 см (вблизи границы скважины) до 1 мегра. Общая величина расчетной области принята равной 25x 25 метров. Граница трубы направления скважины описана в виде образующей сегмента и состоит из элементарных прямоугольных ячеек. Блоки внутри сегментной области приняты пустыми. Таким же образом описана граница цементного кольца.

На 1рапицах элементарных ячеек заданы следующие условия:

- на границах ячеек типа 1,2,3 и 4 (рис.3) условия 2 рода

-К = 0 , -Л У = 0 ; (2)

3 .V 3 у

- на границах ячеек тина 5 условия 3 рода

г , , ч 3 Т(л,у,т) г . . ч. д 7'(х,у,т)

а[7;(х,у,г)-^г)5=-Л , у'' ' , «[7;(*.у,г)-1Кг)] = -А , > , (3)

где ф(т) -температура газа принята равной значениям, зафиксированным в эксперименте в виде ступенчатой функции от времени;

- в ячейках внутри расчетной области заданы условия непрерывности температуры и теплового потока;

- на подвижной фазовой границе условия Стефана

Ч'г {Х-У'т)= 1АХ'У'Г:)= Г фатом» псрсиодоо . (4)

д ТЛх,у,г\ О 1\(х,у,{) О ТЛх.у,А д Т,(х,у,т\ „

А '-Л , " ' = Оф.,, Л , ^ >-\ А'У,'=Офа, (5)

а х с/ х а у и у

. - начальное распределение температуры '1]{х,ур) принято равным

распределению темперагуры по расчетной области, полученному из решения поставленной выше задачи, но при начальной температуре равной 7„ = -4°С во всей расчетной области, в момент времени, когда температура в блоках, примыкающих к границе типа 5 (рис.3), сравнялась с замеренной в трубке-сателлите до начала отжига.

ООО СП О 020 0 30 (МС 050 ОКО 0 70 ЩТ7ТГП-1-ГТ Т-Г~

25 m

25 m>

Граничныеуслозия1! рода

(ячейки 1,2,3,4 типа)

1 'раннчиис условия Ш рола (ячейки 5 типа).

Г>локи,описива\ощке гор:; у ;о неролу. На подвижной фазопой границе условия Стефана.

Г>лок11,описмна5ощие цементит кольцо-

Пустые блоки.

Граница цементного кольца

Рис. 3. Конфигурация рассчетноп области

и

-е-

-е-

п о

ы

1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

30 40 50

Глубнна, и

Рис. 4.

Результаты расчета коэффициента теплоотдачи для скважины № 5602 Бовапенковского ГКМ

Г.'счет коэффициента теплоотдачи (а) осуществлялся методом последовательных приближении с многшератным решением поставленной выше задачи [16].

'Лпультагы эксперимсн гальных работ представлены на рис.4 » виде i пафика записи мости значений коэффициента теплопередачи скважины 5602 Бопаненкопского газохонденсатного месторождения, оборудованной иакуумированной ЛТГ, от глубины. Среднее по разрезу значение коэффициента а = 0,49 ± 0,07 Вт/(м2.г'С). Разброс значений связан с тепловой iiei ерметичностью соединительных муфт отдельных секций ЛТТ.

Сравнение полученного результата с вычислениями, проведенными по другим методикам, показало, что расчетный коэффициент теплоотдачи скважины по аналитической формуле, предложенной Б.В. Дегтяревым для однородной среды при квазистационарном температурном поле, совпадает с точностью до 10 % с коэффициентом, полученным автором при решении нестационарной задачи теплопроводности в неоднородной среде с подвижной фазовой 1раницей [16].

Далее приведены результаты эксперимента по испытанию теплоизолированной насосно-компрессорной трубы "Электра" канадского производства на скважине № 6805.

Результаты обработки экспериментального материала по аналитической формуле приведены в табл-. 1.

Таблица 1

Свойства теплоизоляции добывающей газовой скважины

Конструкция Величина

а, Вт/ (м2 «С) квазистационарн ая задача а, Вт/ (м2 °С) нестационарная задача к, Вт/(м °С) X, Вт/(м-°С)

ВНИИ ГАЗ 6805 0,60 - 0,83 0,030

ВНИИГАЗ 5602 0,44 0,49 0,60 0,024-

"Электра" 6805 0,70 - 0,97 0,042

При решении задачи расчета фактического коэффициента теплопередачи ЛТТ с заводскими параметрами теплоизоляции автором предложено термическое сопротивление скважины рассчитывать по формулам [161:

1

R = ±

In

- + ад

(6)

Ы—+—I, (7)

\a,rt a2r2J

(0,52 Pr0-'" - 0,02 Рг'^Ог^Л,,

а 1.2 = —--1-- , (8)

1.2

здесь: Л'-коэффициент термического сопротивления газовой скважины, (м °С)/Вт; Y - слагаемое, учитывающее термогравитационную конвекцию; а12 - коэффициент теплоотдачи цилиндрической стенки радиуса г12,

Вт/(м2 °С); г, - радиус / - го слоя теплоизоляции, м; Ло - теплопроводность газа, Вт/(м °С); Pr, Gr - критерии Прандтля и Грасгофа, соответственно.

Учет термограпитационпой составляющей процесса переноса тепла в затрубье добывающей газовой скважины ведет к снижению общего коэффициента теплопередачи нетеплоизолированпой скважины с 14,2 Вт/(м°С) до 9,5 Вт/м °С по сравнению с традиционным оценками.

Проведенные автором расчеты с использованием полученных в результате экспериментов коэффициентов свидетельствуют о том, что реальные температурные режимы эксплуатации газовой скважины Бова-ненковского месторождения не обеспечивают полной защиты мерзлых пород геологического разреза от растепления в течении всего срока эксплуатации при использования проектных параметров теплоизоляции.

Для предотвращения растепления необходимо разработать и изготовить насосно-компрессорную трубу с коэффициентом теплопроводности материала теплоизоляции равным порядка (0,001 - 0,0005) Вт/м°С [16].

Т7

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА. В основе проектирования теплового воздействия на основания объектов обустройства лежит решение прошозной задачи теплового взаимодействия геологическо! о разреза с объектом. Автором поставлена!! решена, данная задача для нару>:шой газовой обвязки ДКС с ММП [17] на основе решения двухмерного нестационарного уравнения теплопроводности при нал 1чин в федс фапицы Стефана с постаноькой и коррекцией граничных условий по результатам чшот-легнего цикла термометрических режимных наблюдений за динамикой температурного поля и климатическими данными по району.

Алгоритм решения задачи заключается в следующем (рис. 5).

Решается серия одномерных задач с целью подбора граничных условий на поверхности, при которых начальное расчетное температурное поле в максимальной степени было бы приближено к полученному в результате проведения инженерно-геологических изысканий на момент пуска ДКС. На основе полученных результатов решается двухмерная задача с целью получения поля температур, соответствующих реальным на момент пуска ДКС и пределах рассматриваемого разреза. В дальнейших расчетах это температурное поле становится начальным для прогноза соответствующего периода работы ДКС.

Для определения фаничных условий в период работы ДКС решается ряд одномерных задач в условиях сильной дифференциации по профилю мощностей снежных отложений. Для контроля достоверности заданных условий полученные результаты расчетов сравнивались с данными режимных термометрических исследований. Далее расчитываются изменения мерзлотных условий участка (двумерная задача) обвязки тур-боафегатов в процессе работы ДКС в период с момента пуска по август ¡995 года. Предлагаемый алгоритм дает возможность расчитывать температурное поле в двухмерном пространстве, которое, в свою очередь, хорошо согласуется с фактическими данными на август 1995 года.

На основе полученной модели решена серия прогнозных задач о возможном влиянии на температурное поле различных технических ре-

1В

Одномерное ноле на момент изысканий ^ |С*срля одномерных задач |

Тч^)

Двухмерное поле на момент начала работ по реконструкции

[1995 под] Со(х,у)

.. ш

(2005 гол)

: Ч^^ к= 1.4

расчет

"^Технические мероприятия по реконструкции |

''Двухмерное температурное иолЬ, на 2005 год при реализации различных технических мероприя-^ий по реконструкции ^

Рис. 5. Блок-схема решения задачи прогноза температурного поля

шений, планируемых к проведению при реконструкции объекта. В результате выбрано и рекомендовано проектное решение, включающее в себя укладку на поверхности теплового экрана из пенополистирольных плит мощностью 0,16 м.

Как показывает опыт эксплуатации объектов газовбго комплекса в условиях распространения ММП [8,12,13,14], при анализе состояния геосферы, прогнозе развития негативных факторов, определяющих характер и параметры принимаемых технических решений, основными показателями являются динамика не собственно температуры и влажности грунтов, а отражающие их границы фазовых переходов и уровней грунтовых под, соответственно. В большинстве случаев задача контроля в части инструментальных наблюдений за состоянием оснований сводится к определению положения этих границ. Анализ литературных источников и собственный опыт работы в области геофизических методов исследования криолитозоны [1,2,3,4] и тот факт, что указанные границы являются контрастными по диэлектрическим свойствам, позволил автору

предложить [9,13] новый геофизический метод дистанционного исследо-«

вания геокриологического разреза - метод геолокационного профилирования.

Автор принимал непосредственное участие в разработке программы исследований и внедрении метода георадиолокационного профилирования. Приведен комплекс исследовательских задач, даны их решения для основных и вспомогательных объектов инфраструктуры предприятия [9,13].

ДАлее описан разработанный и реализованный на объектах Медвежьего месторождения комплекс инженерных мероприятий [10,14], позволяющий обеспечивать устойчивость инженерных сооружений, построенных на многолетнемерзлых породах, включающий в себя:

- систему постоянного наблюдения за элементами опорных конструкций сооружений, характером теплового и механического взаимодействия сооружения с ММП, динамикой геокриологических условий в

мерзлых породах основания сооружения с применением ряда инструментальных методов;

- опенку состояния геотехнической системы на основе разработанных критериев;

- прогноз взаимодействия сооружений с ММП на основе специальных методик и программных средств;

- оценку состояния геотехнической системы по результатам выполнения прогнозных расчетов;

- разработку на основе результатов анализа данных режимных наблюдений и прогнозных расчетов и последующую реализацию решений, позволяющих управлять теплообменом между компонентами геотехнической системы и. тем самым, обеспечить устойчивость инженерных сооружений;

- контроль за эффективностью работы реализованных инженерных решений.

Предложенный подход к решению проблем устойчивости объектов газодобычи позволяет своевременно определять объекты, испытывающие недопустимые деформации, реализовать оперативные меры по устранению деформаций и разрабатывать обоснованные решения, позволяющие повысить устойчивость газопромысловых сооружений с минимальными трудовыми и финансовыми затратами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Взаимодействие объектов газодобычи и ММП является одной из основных причин возникновения аварийных ситуаций и связанных с этом потерь в добыче газа. Причем на различных этапах разработки месторождения различен вклад в общий ранг значимости причин "воздействие на ММП" каждого из элементов системы добычи. На ранних стадиях основным "носителем" отказов является газовая скважина. На (12-15) год эксплуатации акцент смещается на инженерные сооружения систем обустройства месторождения.

2. Проведены промысловые эксперименты, направленные на исследование влияния различных типов, заложенных в проект обустройства Бованенковского месторождения, теплоизолированных пасосно-компрессорных труб па процесс растепления многолетнемерзлых пород. Показано, что теплоизолированные насосно-компрессорные трубы тем не менее не обеспечивают необходимую степень теплоизоляции. Для повышения степени теплоизоляции, наряду с уже имеющейся пассивной теплоизоляцией, следует использовать активную в виде сателлитов-чермостабилизаторов.

3. Использование численного решения нестационарной задачи теплопроводности в неоднородной среде с подвижной фазовой границей чля обработки результатов экспериментальных исследований позволило значительно снизить время экспериментальных работ. Коэффициент теплоотдачи теплоизолированной газовой сшажины, рассчитанный при использовании формул для однородной су еды с квазистационарным температурным полем, совпадает с точностью до 10% с коэффициентом, полученным автором при решении нестационарной задачи теплопроводности в неоднородной среде с подвижной фазовой |раницей для малых времен теплового воздействия.

4. Разработана математическая модель теплового взаимодействия фунтов оснований объектов газодобычи, позволяющая прогнозировать изменение теплового взаимодействия с учетом различных мероприятий но реконструкции. Предложенные алгоритмы расчета могут быть использованы при создании моделей для прогнозирования теплового взаимодействия с мерзлыми породами и других объектов обустройства.

5. Четырехлетний опыт контроля за состоянием объектов газодобычи показал, что наиболее оперативным и эффективным дистанционным методом, позволяющим фиксировать границы промерзания (протаивания) и уровня грунтовых вод в стесненных условиях действующих объектов обустройства, является метод геолокационного профилирования с опорными скважинами соответствующего назначения. Метод

позволил своевременно принимать решения по обеспечению устойчивости инженерных сооружений, а, следовательно, и снизить потери в добыче газа.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ним Ю.А., Федоров A.M., Попов А.П. Зондирование подозер-ных таликов методом переходных npoL ессов. // Криогидрогеологические исследования. - Якутск , 1985. - С.61-71.

2. Дегтярев Б.В., Попов А.П., Рудник Н.Ю. Методика и направления поиска газогидратных залежей на севере Западно-Сибирской плиты. // Методика и техника геокриологических исследований.- Новосибирск , 1988,- С. 110-115.

3. Попов А.П. Возможности совместной обработки результатов ГИС при определении границ ММП: Тез. докл. XI научно-практической конференции " Проблемы развития газовой промышленности Западной Сибири"/ ТюменНИИГипрогаз.-Тюмень, 1988.-С. 15.

4. О генерации углеводородов в толщах многолетнемерзлых пород/ Мельников П.И., Мельников В.П., Царев В.П., Попов А.П. и др. // Изв. АН СССР. Сер. Геологическая. - 1989-№2- С. 118-128.

. 5. Особенности проведения высокоточных температурных замеров в условиях распространения многолетнемерзлых пород. / Поляков В.П., Поликарпов В.П., Середа М.Н., Попов А.П. Н Передовой производственный и научно-технический опыт, рекомендуемый для внедрения в газовой промышленности: Информ. сб. 1 ВНИИЭГАЗПРОМ. - 1989. -Вып. 7,-С. 1-6.

6. Дегтярев Б.В., Истомин В.А., Попов А.П. Промысловые исследования теплового взаимодействия бурящейся скважины с мерзлыми породами // Совершенствование техники и технологии строительства газовых и газоконденсатных скважин - М., 1989. -С. 161-167.

7. A.c. 1530756 СССР МКИ Е21. В 36.00 Теплоизолированная колонна для нагнетания теплоносителя в пласт / Дегтярев Б.В., Истомин В.А., Попов А.П. -№47; заявлено 09.03.87; опубликовано 23.12.89.

8. Попов А.П. Анализ причин, снижающих эксплуатационную надежность фундаментов газодобываюших объектов, и способы стабилизации оснований в условиях распространения многолегиемерзлых пород. // Проблемы освоения газовых месторождений Западной Сибири. - Тюмень, 1995.-С.49-81.

9. Попов А.П. Дистанционный ь егод контроля техногенного воздействия газопромысловых сооруженш на мерзлые грунты оснований.// Тез. докл. Науч.-тех. конф. " Геоэколог 1я в нефтяной и газовой промышленности". - М.:, 1995. - С. 36-37

10. Попов А.П. Технология принятия оптимального управленческого решения по обеспечению надежности оснований газопромысловых сооружений: Информ.сб. / ИРЦ Газпром. - 1995.- № 7-8. - С.9-17

11.Динамика температурного режима фунтов - оснований объектов подготовки газа месторождений севера Тюменской области. / Ремизов В.В. , Чугунов Л.С., Попов А.П., и др. - М., 1995. -77 с. -(Подготовка и переработка газа и газового конденсата : Обз. информ./ ИРЦ Газпром) .

12. Инженерно-геологический мониторинг объектов компремиро-вания газа месторождений Крайнего Севера. / Ремизов В.В. , Чугунов Л.С., Попов А.П., и др. - М., 1995. -124 с. - (Подготовка и переработка г аза и газового конденсата : Обз. информ./ ИРЦ Газпром) .

13.Метод контроля основных параметров геологической среды, влияющих на эксплуатационную надежность сооружения. / Попов А.П., Грива Г.И., Березняков А.И., Михаилов Н.В. // Проблемы освоения газовых месторождений Западной Сибири. - Тюмень, 1995. - С.21-30

14.Технологический подход к решению задачи повышения устойчивости оснований газопромысловых сооружений, эксплуатируемых в зоне распространения многолетнемерзлых пород. / Попов А.П., Березняков А.И., Грива Г.И., Михаилов Н.В. II Проблемы освоения газовых месторождений Западной Сибири. - Тюмень, 1995. - С.30-38 .

15. Попов А.П., Каприелов К.Л. Анализ причин отказов в процессе обустройства и длительной эксплуатации газодобывающих предприятий Крайнего Севера. // Геология, бурение, разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений:Науч.-техн. сб./ ИРЦ Газпром. - 1995.-Вып. 11.-С. 14-20 ,

16.Попов А.П. Экспериментальные и теоретические исследования процесса теплообмена между газовой скважиной и многолетемерзлы.мп породам». // УГНТУ,- Уфа, 1996. - 45 с.

17.Попон А.П. Математическое моделирование процесса теплового взаимодействия объектов газодобычи и многолстнемерзлых пород. //УГНТУ.-Уфа. 1996..-44 с.

Соискатель