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

Коэффициент теплопередачи бурильной колонны при отсутствии на ией тепло- и гидроизоляционных покрытий определяется по формуле [44]

Критериальные зависимости ИТТФ АН УССР для расчета тепло­ отдачи глинистых растворов приведены ниже.

Суммарные тепловыделения линейных и местных (технологиче­ ских) источников зависят от конструкции скважины, способа буре­ ния и промывки, графика бурения и цементирования скважины и других факторов.

Так, например, при электробурении в бурильной колонне имеют место тепловыделения от кабеля электробура.

Температурные поля, вознпкающие в рабочей части бурильного инструмента при его работе, подробно рассмотрены в гл. 7. Из осталь­ ных технологических источников тепловыделений наиболее суще­ ственными являются тепловыделения при работе циркуляционных насосов и тепловыделения при затвердевании цемента после цементи­ рования скважины.

Тепловыделения, обусловленные работой циркуляционных насосов

и влияющие на изменение температуры промывочпой жидкости, происходят в самих насосах и по всей длине циркуляционного кон­ тура в скважпне. Тепловыделения в сампх пасосах обусловлены расходом энергии, сообщаемой буровому раствору па преодоление местных сопротивлений в насосе, и трением в насосе. Далее из энергетического баланса системы циркуляции промывочной жид­ кости следует, что вся избыточная энергия, сообщенная потоку промывочной жидкости в буровом насосе, при турбинном бурении расходуется этим потоком в скважпне на приведение во вращение вала турбобура, на преодоление местных сопротивлений в резуль­ тате трения частиц раствора одной о другую и о стенки бурильных

иобсадных труб, на разрушение горного массива в результате гидромониторного эффекта при истечении раствора из отверстий буровых долот и на создание упругих микродеформаций в бурильных

иобсадных трубах и приствольной зоне горного массива. В послед­ нем случае механическая энергия потока переходит в потенциальную энергию деформированных частей конструкции и стенок скважины.

Во всех остальных случаях (в том числе в первом, так как меха­ ническая энергия турбобура подводится к забою и расходуется иа разрушение горного массива) она переходит в тепловую энергию, сообщаемую в определенном соотношении всем объектам данной термодинамической системы (потоку, жидкости, конструкции сква-

64

жпиы, бурильному инструменту, горному массиву). Поскольку бурильная колонна и бурильный инструмент и с внутренней и с на­ ружной стороны омываются потоком промывочной жидкости, а вы­ буренная порода, аккумулирующая часть тепла, выделяемого при разрушении массива, выносится потоком иа поверхность, можно допустить с достаточной точностью, пренебрегая при этом расходом энергии потока иа упругие деформации конструкции и массива, что вся энергия потока промывочной жидкости при циркуляции ее в скважине переходит в тепловую, идущую на нагревание промывоч­ ной жидкости. Сделав еще одно допущение о том, что полезный иапор, развиваемый буровым насосом, равен общим потерям напора Н во всасывающем и нагнетательном трубопроводах, получим выра­ жение для определения полезной мощности в виде

Общая величина потери напора Н представляет собой сумму потерь напора на каждом расчетном участке скважины, под которым будем понимать участок, в пределах которого гидравлический диаметр является неизменным

Н — АЬг Ahn -{- Аhi -f- Ahjf. (3.25)

Очевидно, что на всех расчетных участках, кроме призабойного, где необходимо при тепловых расчетах учитывать как тепловой эквивалент полезной мощности забойного двигателя, так и тепло­ выделения при трении и гидравлических потерях в турбобуре, потери напора при турбинном бурении будут определяться соотно­ шением [57]

Здесь %і — коэффициент гидравлического сопротивления; Zt- — длина г-того участка; di — гидравлический диаметр; е£ — коэффи­ циент шероховатости і-того участка.

Тепловыделения при циркуляции раствора на і-том участке можно определить из известного соотношения

где Pt — полезная мощность, сообщенная потоку промывочной жидкости для преодоления линейных и местных гидравлических сопротивлений иа г-том участке.

Расчетную зависимость для определения тепловыделений в буро­ вом насосе можно получить, исходя из той части разности действи­ тельной мощности Р'л, потребляемой насосом, и полезной мощности Р, которой эквивалентна тепловая энергия, сообщаемая промывоч­ ной жидкости в насосе

видно, что от величины объемного к. п. д. тепловыделения в насосе не зависят. Тогда

При выборе величин Ло и Л Для расчета следует иметь в виду, что

66

Тепловыделения при затвердевании цемента зависят главным образом от сорта цемента п соотношения компонентов в растворе. Цементы различных сортов отличаются величинами максимальных температур, возникающих в процессе экзотермической реакции затвердевания (схватывания), а также промежутками времени,

времени показано на рис. 16, из которого видно, что для различных сортов цемента максимальная температура наблюдается в проме­

между цементной оболочкой, массивом и промывочной жидкостью не учитывается.

В результате решения дифференциального уравнения, описы­ вающего теплообмен между горным массивом и промывочной жид­ костью при соответствующих краевых условиях, получена следу­ ющая формула для определения удельного тепловыделения при

(3.39)

где ^раств — температура раствора в призабойтгоіі зоне; ta — макси­ мальная температура экзотермической реакции свежеуложештого бетона;-:к\ «« 1 — коэффициент нестационарного теплообмена между цементом н горным массивом; а — коэффициент теплоотдачи от цементной оболочки к жидкости; Я — теплопроводность цемента; а — температуропроводность; т — время с момента развития экзотерми­ ческой реакции; R — толщина цементной оболочки.

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОМЫВОЧНОЙ Ж ИД КОСТИ

ВБУРЯЩ ИХСЯ С К В АЖ И Н АХ

Всоответствии с изложенным в предыдущем разделе, описание процессов теплообмена в бурящихся скважинах различных типов для прямой схемы промывки можно свести к следующим двум систе­ мам уравнений теплового баланса промывочной жидкости в буриль­

2) при отсутствии контакта между бурильной колонной и стен­ ками скважины (концентричное расположение бурильной колонны)

(3.42)

Левая часть уравнений (3.40)—(3.43) есть приращение теплосо­ держания промывочной жидкости на элементарном отрезке сква­ жины dh. В правой части представлено распределение тепла в соот-

68

ветствіш с уравнениями теплового баланса (3.7)—(3.18). При этом естественная температура горных пород t n является функцией текущей глубины h .

Известна линейная гипотеза о возрастании температуры гор­ ных пород с увеличением глубины по закону

(3.44)

где <п„ — температура слоя постоянной температуры (нейтральной зоны пород); ст — геотермический градиент.

Формула (3.44) широко применяется в теории прогноза и регу­ лирования теплового режима глубоких шахт, где расчетные глубины, как известно, не превышают в настоящее время 2 км.

В общем случае Е. А. Любимовой получено выражение для опре­ деления температурного градиента внутри слоя для среды, состоя­ щей из п слоев,

где Q — поверхностный тепловой поток; Іг — расстояние нижней границы і-того слоя от поверхности; Д-, tn р { — теплопроводность, температура и генерация тепла г-того слоя. Последняя принималась по данным Берга, Булларда и Джекобса.

Согласно расчетам Е. А. Любимовой, величину геотермического градиента в гранитном слое, т. е. до глубины Іг = 10 000 м, можно определить по формуле

где о о — геотермический градиент верхнего слоя земной коры.

69