Файл: Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин.pdf

Определить в общем виде коэффициент, учитывающий влияние эксцентричного расположения обсадной и бурильной колонн на

можно.

С целью устаиовлеипя зависимости термического сопротивления межтрубного пространства от величины эксцентриситета и тепловых характеристик теплообмеппвающихся сред было осуществлено моде­ лирование процесса теплообмена в скважине с помощью электро­ интегратора ЭГДА-9-60, использующего в качестве проводящей

среды электропроводную бу­ магу, на четырех моделях скважин различной конструк­ ции.

При определенных условиях нестационарные тепловые про­ цессы могут быть с достаточ­ ной точностью описаны зако­ нами стационарных состояний. Для бурящихся скважин эти условия соблюдаются при ве­ личине радиуса термического воздействия 1—2 м и длитель­ ности промывки порядка не­ скольких недель.

электропроводной модели соответствует термическое сопротивление. Модели выполнялись из электропроводной бумаги в виде полу­ круга диаметром 1,33 м, по краю которого проклеена проволочная шина 1 (рис. 13). В центре проклеено полукольцо 2 из электропро­ водной бумаги, заменяющее обсадную трубу, и полукруг 5, имити­ рующий мелхтрубное пространство. Склейки проведены электро­

инуль-гальваиометра М-195.

Впроцессе моделирования измерялись общее сопротивление между наружным и латунным кольцами и сопротивление бумаги, имитирующей горный массив. Разница между указанными сопротив­ лениями соответствует термическому сопротивлению межтрубиого пространства и обсадной трубы.

Условия опытов, выполненных па четырех моделях, приведены в табл. 4.

54

На рис. 14 представлены графики изменения относительного

сопротивления межтрубного пространства — в зависимости от

модели межтрубного пространства при концентричном расположе-

иии бурильной трубы; А — величина эксцентриситета; Атах — максимальное значение эксцентриситета).

Как показал анализ изопотенциальных сеток моделей, одна и» которых (модель № 2) приведена на рис. 13, на распределение

* Первый множитель —внутренний диаметр; второй множитель —наружный диаметр.

55

температур вокруг скважины оказывает влияние главным образом теплопроводность горных пород и межтрубиого пространства- В соот­ ветствии с этим построен график (рис. 15) зависимости поправоч­

ного коэффициента кэ = для типовой конструкции скважины ^экв

Л2 В табл. 5 представлены значения эффективных коэффициентов

теплопроводности межтрубного пространства для различных запол­ няющих его сред с учетом полученных в результате моделирования значений кэ.

Как показал расчетный анализ, расхождение значений темпера­ туры на устье скважины, полученных с учетом значений кэ, приве­ денных на рпс. 15, п к = 2,5 (согласно рекомендациям А. Ю. Намиота) составляет от 1,4 до 12,1° С в зависимости от дебита п времени работы скважины. При этом расчетные данные, полученные по изложенной выше методике, хорошо совпадают с результатами экспериментальных наблюдений.

Г Л А В А 3

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ: В БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЕ

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ФАКТОРЫ , ВЛИЯЮ Щ ИЕ НА ТЕМПЕРАТУРУ ПРОМЫВОЧНОЙ Ж ИД КОСТИ

Задачами выполнения тепловых расчетов промывочной жидкости:

вбурящихся скважинах являются:

1)прогноз ожидаемой температуры промывочной жидкости на

забое и ее распределения по глубине скважины в бурильной колонне- и межтрубном пространстве при заданной температуре на входе-

вскважину;

2)определение необходимой температуры промывочной жидкости на выходе из охлаждающего устройства, при которой обеспечивается

и графика проводки с учетом мероприятий по охлаждению промы­ вочной жидкости.

Методам тепловых расчетов промывочной жидкости в буря­ щихся скважинах посвящены работы Б. И. Есьмана, И. А. Карма­ нова, Г. Г. Полякова, Ф. Н. Фоменко, И. А. Парного, Б. Б. Куд­

ряшова, А. А. Афанасьева. Предложенные указанными авторами методы разделяются на эмпирические, разработанные в результате температурных исследований бурящихся и простаивающих скважин, и аналитические, полученные решением соответствующих уравне­ ний теплового баланса относительно температуры промывочной жидкости.

Б. И. Есьман впервые предложил наиболее распространенную- в настоящее время методику обработки результатов температурных измерений в бурящихся скважинах с целью получения эмпириче­ ских расчетных зависимостей вида

57'

где th — температура бурового раствора на некоторой глубине /г; Н — глубина скважины; іf0 — температура раствора па входе в сква­ жину; а, Ъ— эмпирические коэффициенты, которые в общем случае должны учитывать влияние конструкции скважины, количество и качество промывочной жидкости, геотермический градиент и т. д. ■Следовательно, значения этих коэффициентов, найденные опытным путем для данной скважины, будут справедливы только для сква­ жин одинаковой конструкции, расположенных в одном и том же геологическом районе и промываемых одинаковыми растворами при равном расходе промывочной жидкости. Значения эмпирических коэффициентов, входящих в формулу (3.1), определены эксперимен­ тально Б. И. Есьманом п Г. Г. Габузовым для ряда глубоких сква­

температуры промывочной жидкости па забое скважины при цирку­ ляции раствора, а также при остановке скважины па 6—8 ч, которые имеют следующий вид:

Тем же автором получены еще две формулы, являющиеся моди­ фикацией формулы (3.2). В выражениях (3.2), (3.3): tnp — темпе­ ратура глпппстого раствора в процессе промывкп у долота; £заб — температура на забое скважины через 6—8 ч после прекращения циркуляции, замеренная геофизической партией; ta — температура нейтрального слоя; tycT — температура выходящего глинистого раствора после прокачки 1,5—2,0 объемов скважины; Q — расход промывочной жидкости; L — глубина скважины.

И. А. Карманов для определения температуры на забое во время циркуляции промывочного раствора предлагает эмпирическую фор­ мулу

ратур выходящего и закачиваемого раствора на устье.

Формула (3.4) получена, исходя из гипотезы о том, что прира­ щение температуры жидкости па забое равно ее уменьшению за тот же период на устье скважины.

58

Из формул (3.1)—(3.5) нетрудно видеть, что их применение ограничивается, во-первых, теми условиями, при которых произво­ дились скважинные замеры, и, во-вторых, необходимостью распо­ лагать опорной температурой промывочной жидкости на забое или устье, определяемой исключительно опытным путем.

Недостатком этих формул является также отсутствие возмож­

Рассмотрим аналитические методы расчета температуры промы­ вочной жидкости.

А. А. Афанасьевым на основе известного выражения Н. И. Бело­ коня для 1-го начала термодинамики по внешнему балансу с распре­ делением потенциальной работы была сформулирована в общем виде система дифференциальных уравнений теплового баланса для: нисходящего и восходящего потоков промывочной жидкости в буря­ щейся скважине, которая была решена относительно искомой темпе­ ратуры внутри бурильной трубы и межтрубном пространстве (пря­ мая схема циркуляции) без учета нестационарного теплообмена между промывочной жидкостью и окружающим скважину горным массивом.

Предложенная А. А. Афанасьевым методика тепловых расчетов: позволяет определить искомую температуру только в том случае, если известно из опыта количество тепла, поступающее в скважину

врезультате теплобмена с горными породами, причем данное коли­ чество тепла принято не зависящим от времени промывки и вводится

вуравнение теплового баланса через коэффициент теплоотдачи от стенки скважины к потоку жидкости, а температура стенки сква­ жины принимается постоянной и равной естественной температуре

окружающих скважину пород. Как было показано А. Н. Щербанем и О. А. Кремневым, такой подход к решению задачи не отвечает реальным условиям теплообмена. Помимо этого, А. А. Афанасьев, при разработке своей методики не учитывает влияние возможных вариантов конструкции скважины (эксцентриситет бурильной трубы, изменение диаметра скважины и бурильной колонны по глубине ствола) на характер теплообмена.

И. А. Парным, как уже указывалось, при разработке метода расчета температуры промывочной жидкости в бурящейся скважине приближенно учтен нестационарный теплообмен между промывочной жидкостью и горным массивом, исходя из аналогии между процес­ сами теплообмена и фильтрации жидкости в пористой среде. Такая аналогия сама по себе является далеко не абсолютной. Кроме того, полученное в теории фильтрации решение относится только к пло­ скому случаю.

5»