Проектирование и эксплуатация объектов в местах распространения многолетнемерзлых грунтов является сложной инженерной задачей. Для обоснования возможности эксплуатации объектов необходимо проводить расчет растепления грунтов. В статье приведена методика расчета теплового поля в приустьевых зонах скважин. Решается задача нестационарного теплообмена с учетом смены теплофизических параметров грунтов.
В последние годы районы добычи нефти и газа все больше смещаются в сторону Восточной Сибири. В связи с перемещением районов промысла в области распространения многолетнемерзлых грунтов встает вопрос об учете их взаимодействия с проектируемыми сооружениями (здания, трубопроводные системы, скважины и т.д.). Проектирование сооружений в условиях вечномерзлых грунтов является сложной инженерной задачей, которая требует специального подхода, а также ставит необходимость в разработке собственного программного обеспечения или покупке расчетных комплексов для выполнения проектной документации. В настоящее время, как в России, так и за её пределами разработано большое количество расчетных методик для анализа температурного поля в областях распространения многолетнемерзлых грунтов [1]. Наряду с расчетными методиками, разрабатываются системы мониторинга температур для обеспечения дополнительной безопасности эксплуатации трубопроводных систем [2]. Одним из наиболее хорошо зарекомендовавших себя расчетных методов является метод конечных элементов (МКЭ), который является наиболее популярным приемом при проектировании и разработке различных систем в различных областях. Основными преимуществами метода являются:
универсальность, т.е. он применим к широкому кругу задач (прочностные расчеты, расчеты гидрогазодинамики, тепловые расчеты и т.д.);
отсутствие необходимости решать сложные дифференциальные уравнения (ссистема уравнений теории упругости и т.д.);
- большое количество разработанных при использовании метода конечных элементов
программных комплексов (Bentley AutoPIPE, ANSYS, MSC.Patran/Nastran и т.д.).
На сегодняшний день существует большое количество расчетных программ, основанных на МКЭ. Они могут обладать свойствами, необходимыми для решения каких-то конкретных задач. Например, программа Bentley AutoPIPE позволяет рассматривать только балочные системы трубопроводов. Наряду с узкоспециализированными расчетными комплексами существуют и универсальные инструменты. Наиболее популярным в настоящее время является расчетная программа ANSYS, которая обладает достаточным функционалом для решения широкого круга задач в различных областях (механика твердого деформированного тела, тепловые расчеты, механика жидкости и газа, электродинамика и т.д.).
Одна из проблем при обустройстве и эксплуатации нефтяных скважин в районах распространения вечномерзлых грунтов - это тепловая деформация грунтов. Мерзлые грунты обладают специфическими реологическими, просадочными, пу- чинистыми и другими свойствами в зависимости от температуры. В связи с этим важной задачей является расчет тепловых полей нефтяных скважин на протяжении всего срока эксплуатации. На основании полученных данных можно делать выводы о безопасности работы рассматриваемого объекта. К решению теплотехнических задач существуют два подхода: стационарный [3] и нестационарный. Упрощенно говоря, стационарный тепловой расчет оценивает воздействие постоянных температурных воздействий на рассматриваемую систему, тогда как нестационарный определяет распределение температур и других тепловых величин. В данной работе применяется нестационарный тепловой анализ, как показывает практика стационарный расчет дает приемлемые результаты, но не позволяет получить данные в зависимости от времени, что очень часто является целью самого расчета.
Цель работы: разработать методику теплотехнического расчета грунтов в приустьевых зонах скважин для оценки их возможной эксплуатации в течении всего срока службы.
Для решения задачи о растеплении грунтов в приустьевых зонах скважин выбран программный комплекс ANSYS. Входными параметрами для расчета являются:
расположение скважин для расчета;
конструктивное исполнение скважин (теплотехнические данные о конструктивном исполнении колонн);
теплотехнические данные о мерзлых и талых грунтах в прилегающих районах к рассматриваемой области (коэффициенты тепловодности, массовая теплоемкость и плотность грунта в талом и мерзлом состоянии);
температурное распределение по глубине скважины;
климатические условия района проектирования (помесячное распределение температуры воздуха и высоты снежного покрова);
данные о функционировании скважины (проектная производительность скважины, температура продукта, коэффициент теплопроводности продукта, плотность продукта, кинематическая вязкость продукта);