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

И. М. Астрахан и В. И. Марой выполнили анализ изменения температуры промывочной жидкости п массива в процессе промывки, в результате которого пришли к выводу о возможности использова­ ния для тепловых расчетов бурящейся скважины методики И. А. Чарного, как достаточно удобной для инженерных расчетов. Не подвер­ гая последнее обстоятельство сомнению, следует, однако, отметить, что использование этой методики, как и методики А. А. Афа­ насьева, в значительной мере (при прочих равных условиях) лими­ тируется недостатками, на которые указывалось выше.

Б. Б. Кудряшов составил и решил систему дифференциальных уравнений теплового баланса бурящейся скважины, в которой теплообмен между промывочной жидкостью и горным массивом учтен по формуле (2.4), т. е. с помощью коэффициента нестационар­ ного теплообмена. Постановка и решение задачи, выполненные Б. Б. Кудряшовым, являются наиболее близкими к нашим, изложен­ ным ниже и полученным приблизительно одновременно с Б. Б. Куд­ ряшовым и независимо от него. В связи с этим отметим следующие основные отлпчпя наших зависимостей от зависимостей, приведен­ ных в работах Б. Б. Кудряшова.

1. Система исходных уравнений составлена Б. Б. Кудряшовым для случая концентричного расположения бурильной колонны относительно стенок скважины без учета тепловыделений технологи­ ческих источников и от трения промывочной жидкости о стенки труб.

2.Методика тепловых расчетов Б. Б. Кудряшова ие позволяет учесть влияние изменения диаметра скважины и бурильной колонны на характеристики теплообмена и применима лишь при прямой схеме циркуляции.

3.При разработке методики тепловых расчетов Б. Б. Кудря­ шов исходил лишь из гипотезы о линейном изменении температуры горных пород с глубиной.

Последние два замечания относятся и ко всем остальным рассмот­ ренным выше работам, посвященным методам тепловых расчетов промывочной жидкости.

Следует, однако, отметить, что методика Б. Б. Кудряшова, ■будучи вполне удовлетворительной математической моделью темпе­ ратурного режима бурящейся скважины для частного случая (бурильпая колонна коицентрпчна по отношению к обсадной, а диаметр бурильной колонны и ствола скважины является неизменным по всей ее глубине), позволила ему выполнить весьма полезный расчет­ ный анализ, давший материал как для собственных выводов, так и для объяснения с теоретических позиций экспериментальных наблюдений ученых, работающих в данной области (И. А. Карманов, Г. Г. Поляков, Г. Г. Габузов). Некоторые из этих выводов привлека­ лись выше и будут в дальнейшем привлекаться в данной работе для обоснования отдельных положений теории и практики изучаемого вопроса.

Таким образом, необходимость в разработке аналитических методов тепловых расчетов промывочной жидкости, пригодных для

60

надежного прогнозирования теплового режима в скважине при сверхглубоком бурении с учетом конструкции скважины, схемы промывки, характера происходящих в пей теплообмениых процессов и всех возможных источников тепловыделений, является достаточно очевидной.

Перейдем к рассмотрению основных составляющих теплового баланса бурящейся скважины.

Как указывалось в гл. 2, в процессе проводки скважины после­ довательно чередуются периоды промывки скважины, бурения и простоя, связанного с выполнением спуско-подъемных операций, которые условно разделены па периоды циркуляции и простоя. При циркуляции промывочной жидкости изменение температуры происходит в результате теплообмена с окружающим скважину горным массивом и теплообмена через стенки бурильной колонны между нисходящим и восходящим потоками жидкости; нагревания

впризабойной зоне под воздействием тепловыделений при разру­ шении породы и теплоты гидратации цемента; тепловыделений при трении бурильной колонны о стенку скважины (при роторном способе бурения); тепловыделений, обусловленных превращением кинети­ ческой энергии потока жидкости, сообщенной ему буровым насосом,

втепловую при совершении потоком трения и преодоления гидрав­ лического сопротивления циркуляционной системы; тепловыделений от кабеля электробура и других, менее значительных источников. Необходимо также учитывать, что температура бурового раствора, прошедшего желобпую систему и закачиваемого в скважину, опре­ деленным образом возрастает при прохождении через циркуляцион­ ный насос.

Впоследнем случае приращение температуры раствора опреде­ ляется из выражения

(3.6)

где t 0 — температура промывочной жидкости на входе в буровой насос; Qa — тепловыделения при работе насосов.

Дифференциальные уравнения теплового баланса при прямой схеме циркуляции промывочной жидкости в бурящейся скважине, составленные для элементарного участка скважины dh (см. рис. 4, а), при эксцентричном расположении бурильной колонны в скважине (колонна соприкасается со стенками скважины или обсадными

61

риода промывки скважины после спуска инструмента. Во время бурения основное влияние на изменение температуры промывочной жидкости на забое оказывают тепловыделения, развивающиеся при разрушении массива долотом. Во время промывки раствор на забое нагревается в результате теплообмена с горным массивом, разогретым в процессе бурения. В соответствии с этим уравнения теплового баланса на забое скважины имеют вид:

для периода бурения

В выражениях (3.10)—(3.16) Н — глубина скважины; <?заб — количество тепла, выделяемое в единицу времени на забое скважины

пород на глубине забоя.

Уравнения (3.6) и (3.12) представляют собой граничные условия для решения задачи о температуре глинистого раствора в бурящейся скважине.

62

При обратной схеме циркуляции промывочной жидкости (см. рис. 4, б) дифференциальные уравнения теплового баланса для элементарного участка межтрубиого пространства и бурильной колонны имеют соответственно вид

Уравнение теплового баланса призабойной зоны при обратной схеме циркуляции имеет тот же вид, что и при прямой схеме, т. е. (3.9).

В уравнениях (3.7)—(3.9) и (3.17), (3.18) слагаемые dQTp, d(7„, dQÜ представляют собой элементарное количество тепла, поступа­ ющее соответственно через стенку бурильной колонны (в результате теплообмена между восходящим и нисходящим потоками промывоч­ ной жидкости), из горного массива в межтрубное пространство и из горного массива в бурильную колонну через прилегающую к стенке скважины (обсадной трубе) часть поверхности бурильной колонны.

Очевидно, что для случая концентричного расположения буриль­ ной колонны в скважине система уравнений теплового баланса будет отличаться отсутствием слагаемого dQ'n в правой части рассмотрен­

1 м ствола скважины соответственно в бурильной колонне и меж-

Количество тепла, поступающего через стенку бурильной ко­ лонны, разделяющую восходящий и нисходящий потоки промывоч­ ной жидкости, рассчитывается по формулам:

при концентричном расположении бурильной колонны

при эксцентричном расположении

где k — коэффициент теплопередачи.

63