По исходным данным генерируется конечноэлементная расчетная модель для программного комплекса ANSYS. Для случая одиночной скважины может быть использована плоская модель с осесимметричной опцией. Выходными расчетными параметрами являются данные о тепловом распределении, по которым можно построить временные диаграммы на весь срок эксплуатации скважины. Данные о температурном поле позволяют сделать вывод о возможности эксплуатирования скважины с представленной в исходных данных конфигурацией.
Задача прогноза теплового взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами приобрела особую актуальность в связи с освоением северных месторождений нефти и газа. За вторую половину XX века выполнено большое количество теоретических и экспериментальных исследований протаивания - промерзания пород вокруг скважин и связанных с этим процессов. Однако большинство из них имели дело с отдельной скважиной и не учитывали их совместное влияние на мерзлый массив при кустовом способе разработки месторождений [4, 5]. При определении влияния одиночной скважины на температурное поле грунтов может быть рассмотрена плоская модель. Для расчета взаимного влияния необходимо более сложные трехмерные модели. Построение трехмерных моделей не отличается большей сложностью по сравнению с плоскими, но вычисление результатов по ним требует намного больших компьютерных ресурсов [6]. Временные затраты могут различаться в сотни и даже тысячи раз.
Рассмотрим задачу о растеплении одиночной скважины, расположенной в зоне повсеместного распространения многолетнемерзлых грунтов. Конструкция добывающей скважины представлена на рис. 1. Для моделирования температурного взаимодействия модели «грунт-скважина» использовались плоские конечные элементы с осесимметричной опцией. Теплофизические параметры грунтов взяты по результатам инженерных изысканий.
Влияние окружающей среды учитывалось заданием конвективного теплообмена грунта с воздухом. Область моделирования является трехмерным фрагментом, ограниченным сверху дневной поверхностью, снизу плоскостью, расположенной на достаточно большой глубине, чтобы не оказывать влияния на процессы в интересующей части области.
Рассматриваемая область моделирования является трехмерным фрагментом, ограниченным сверху дневной поверхностью, снизу плоскостью, расположенной на достаточно большой глубине, чтобы не оказывать влияния на процессы в интересующей части области. Расчетная область представлена на рис. 2 для отображения включен режим осесимметричного поворота. В области расчета перпендикулярно дневной поверхности проходит ось скважины, пересекающая вертикально всю модель. Вдоль границы, соответствующей положению скважины, смоделирован слой тампонажного раствора посредством задания соответствующих теплофизических характеристик, заполняющий пространство между обсадными трубами и затруб- ное пространство.
На верхней границе расчетной области задаются условия конвективного теплообмена, позволяющие учитывать теплообмен грунта с атмосферой при наличии в зимнее время снежного покрова различной высоты. На левой вертикальной границе, соответствующей положению скважины, определена температура продукта и коэффициент теплоотдачи от продукта к эксплуатационной колонне. На нижней границе расчетной области принята постоянная температура грунта, согласно термометрическим данным. Решение задачи проводилось в нестационарной постановке. По результатам были получены температурные поля в самый теплый месяц года в течение всего срока эксплуатации скважины. Пример полученного температурного распределения представлен на рис. 3.
По данной методике проводились расчеты по проекту «0239 - Система сбора, подготовки, внутрипромыслового транспорта нефти и обустройства ВЧНГКМ. ПРМ. Фаза 4». Расчеты проверены государственной экспертизой, а по проекту принято положительное заключение. Для таких сложных инженерно-технических задач, как расчет растепления грунтов, очень важным является наличие точных и адекватных исходных данных. Это касается как данных, полученных по результатам инженерных изысканий, так и для теплотехнических данных перекачиваемых продуктов. Программный комплекс ANSYS позволяет учитывать реальные условия нагружения, но он, как и расчетчик, бессилен при неправильных входных данных. Ошибочные параметры не влияют в большинстве случаев на качественные результаты, но оказывают существенное влияние числовые данные для выходных значений. Так как в большинстве своем целью расчетов является не выявить теоретические закономерности, а получить конкретные цифры - достоверность входных параметров наряду с самой методикой является наиболее важной частью расчета.
