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

г) расхода промывочного раствора при отдельных операция (бурение, промывка).

5. Последовательность и продолжительность технологических операций (бурение, спуско-подъемные операции, промывка, цемен­ тирование) по стадиям проводки, скорость бурения.

6.Геологический разрез скважины в укрупненных диапазонах глубин.

7.Значение геотермического градиента для района заложения

тости труб и стенок скважины по каждому расчетному участку. Исходя из перечисленных выше данных, определяются коэффи­

циенты теплопередачи п нестационарного теплообмена и местные тепловыделения на каждом расчетном участке и выполняется тепло­ вой расчет.

В указанной последовательности определены исходные расчетные данные и выполнен прогноз температуры промывочной жидкости при бурении Аралсорской скважины для шести положений забоя

пяти положений забоя (максимальная глубина 9 тыс. м) при гипотезе

ной методике [формулы (3.166), (3.167) и (3.172), (3.173)], а при гипотезе Е. А. Любимовой для прямой схемы — с помощью ЭВМ «Мир» по стандартной программе, отвечающей решению задачи

Для расчета температуры промывочной жидкости были выбраны две группы пород (песчаник и известняк), из которых по предполо­ жению слагается разрез скважины, и два наиболее вероятных типа промывочной жидкости (раствор утяжеленный с плотностью 1,4 и 1,6 г/см3). Для всех возможных сочетаний теплофизических свойств горных пород и жидкости по формуле (2.151) определялись значения коэффициента теплоусвоеиия /с, из которых для расчета были вы­ браны его наименьшие и наибольшие значения, равные соответ­ ственно 0,777 и 1,385 и определяющие собой диапазон изменения коэффициента нестационарного теплообмена.

Для удобства сопоставления значения температур промывочной жидкости и горных пород на забое скважины при всех вариантах расчета приведены в табл. 8, из которой видно, что изменение схемы циркуляции промывочной жидкости в условиях этой скважины не меняет существенно распределения температуры по стволу скважииы.

92

и 7000 м при изменении схемы циркуляции составляет соответствен­

= 0,777). С увеличением глубины бурения реверсирование схемы промывки скважины глинистым раствором практически не приносит более заметного эффекта с точки зрения температурного режима.

93

Г Л А В А 4

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУШНОЙ СТРУИ ПРИ ПРОДУВКЕ БУРЯЩ ЕЙСЯ СКВАЖИНЫ

СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮ Щ ИЕ НА ИЗМЕНЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СЖ АТО ГО ВОЗДУХА

Применение сжатого воздуха для продувки скважин при сверх­ глубоком бурении, а также при бурении в многолетнемерзлых породах, безводных районах и в других специфических условиях является достаточно перспективным. Температурнвій режим сква­ жины при бурении с продувкой, как и при бурении с использованием глинистых и других растворов, играет важную роль, поскольку от температуры воздушной струи зависит расчет гидравлических пара­ метров циркуляционной системы, устойчивость стенок скважины, режим работы и работоспособность бурильного инструмента и забой­ ных агрегатов.

Так, например, А. М. Магурдумов указывает, что температура нагнетаемого в скважину воздуха не должна превышать 30° С, так как при ее повышении снижается весовой расход воздуха, что ведет к уменьшению выноса шлама.

Необходимость в направленном регулировании термовлажност­ ных параметров воздушной струи при бурении с продувкой показана

вработе И. П. Елманова [181.

Тепловой баланс циркуляционной среды скважины при бурении с продувкой воздухом рассматривался Л. К. Горшковым. Процесс теплообмена между воздухом в межтрубиом пространстве и потоком воздуха внутри бурильной колонны рассматривался им при некото­ рых допущениях, наиболее существенными из которых являются следующие.

1. Процесс теплообмена и гидродинамический режим стацио­ нарны.

95

2. Расход воздуха внутри колонны равен расходу в межтрубно пространстве.

Кроме того, предложенная Л. К. Горшковым методика расчета температуры воздуха при продувке бурящейся скважины разрабо­ тана без учета таких важных факторов, как увлажнение воздушной струи в затрубном пространстве и расширение струи на забое. Про­ цесс теплообмена между воздушной струей в межтрубном простран­ стве п окружающим скважину горным массивом также принят ста­ ционарным.

Де Брааф [94] решал систему уравнений теплового баланса для случая движения воздуха по плотному трубопроводу с целью проветривания тупиковой выработки. Поскольку им рассматривался тепловой режим в горизонтальной выработке, полученное решение представляет интерес лишь с точки зрения методики определения конечной величины влагосодержания воздушной струи на выходе из выработки, т. е. в интересующем нас случае из кольцевого про­ странства скважины (при прямой схеме продувки) или на входе в бурильную колонну (при обратной схеме). Для определения ука­ занной величины влагосодержания Де Брааф рекомендует формулу

Е — давление насыщенного воздуха при температуре стенки выра­ ботки; qо — влагосодержаиие воздуха в начале движения по выра­ ботке или (прп прямой схеме продувки) влагосодержаиие воздуха в бурильной колонне; ß — коэффициент массообмена, определенный по формуле

газовые постоянные соответственно для воздуха и водяного пара,

меняя к этим работам с точки зрения постановки задачи классифи­ кацию, принятую в главе 2 при анализе работ по теплообмену в гор­ ных выработках, работы первых двух авторов можно отнести к пер­ вой группе (решение сопряженной задачи), а работу Б. Б. Кудря-

96

шова — ко второй (учет теплообмена с горным массивом с помощью коэффициента нестационарного теплообмена).

Точное решение задачи (поставленной с определенными допуще­ ниями), полученное М. А. Пудовкиным и В. А. Чугуновым, являет­

пригодны для больших значений числа Fo, однако данные о преде­ лах изменения этого числа в указанных выше работах этих авторов не приводятся.

Работы Б. Б. Кудряшова содержат решение системы дифферен­ циальных уравнений теплового баланса для бурильной колонны и межтрубного пространства, составленной в силу специфики тех­ нического вопроса, которому подчинены исследования автора (буре­ ние с продувкой охлажденным воздухом в многолетнемерзлых породах), без учета изменения влажности воздушной струи и тем­ пературы горных пород по стволу скважины.

Кроме того, Б. Б. Кудряшовым впервые дано описание термо­ динамического процесса истечения сжатого воздуха через каналы долота на забое скважин.

Ниже приводятся исходные предпосылки и аналитические реше­ ния для определения температуры воздушной струи при продувке бурящейся скважины, полученные авторами.

Для составления теплового баланса продувочной воздушной струи в бурящейся скважине рассмотрим происходящие при нрр7 дувке скважины сжатым воздухом рабочие процессы по ходу движе­ ния воздушной струи и технологическим периодам (бурение, про­ дувка, простой скважины).

1. Период собственно бурения. При движении воздуха в буриль­ ной колонне — работа потока в поле сил тяготения, политропиче­ ское расширение воздуха, происходящее без отдачи внешней работы и с отдачей тепла через стенки бурильной колонны. В призабойном пространстве — адиабатическое истечение из каналов долота с тре­ нием и нагревание за счет тепловыделения, возникающего при тре­ нии коронки бурильного инструмента о разрушаемый горный массив. При движении в межтрубном пространстве — политропическое расширение с увлажнением за счет испарения влаги со стенок необсажеиной части ствола и теплообменом между окружающим сква­ жину горным массивом и воздушным потоком в бурильной колонне.

2.Период продувки скважины перед началом бурения с точки зрения теплового режима отличается от периода бурения скважины отсутствием тепловыделения на поверхности контакта между доло­ том и массивом, так как разрушения массива в этот период не про­ исходит. Воздушная струя на забое скважины нагревается в резуль­ тате теплообмена с горным массивом.

3.В период простоя скважины в связи с выполнением спуско­ подъемных операций происходит восстановление естественного тем­ пературного поля в горном массиве вокруг -скважины.и нагрева­ ние заполняющего скважину воздуха, которое сопровождается