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

дики геотермических измерений и других факторов) ее влияние на процесс бурения будет достаточно велико и его необходимо учитывать при проектировании глубоких буровых скважин.

Конкретными техническими задачами, обусловленными ослож­ няющим влиянием высокой температуры на условия бурения глу­ боких разведочных и эксплуатационных скважин на территории Украины, являются:

1) прогнозирование и контроль температурных условий в ство­ лах бурящихся скважии в зависимости от их глубины, геологиче­ ского разреза и характеристики промывочных растворов;

2)установление величины геотермических градиентов в районах заложения буровых скважин по измерениям температуры промывоч­ ной среды;

3)контроль температурного режима работы забойных агрегатов

иинструмента, в частности электробуров, особенно при бурении скважин с продувкой воздухом;

4)выбор оптимальных по температурным условиям режимов бу­ рения и промывки (схемы циркуляции, расхода промывочной жид­ кости и т. д.).

Основой решения этих задач, как и задач, относящихся к сверх­

глубоким скважинам, бурящимся на верхнюю мантию, должна быть универсальная научно обоснованная методика тепловых расчетов в сочетании с достаточно совершенными методами и устройствами для контроля и регулирования теплового режима при сверхглубоком бурении.

ВЛИЯНИЕ ВЫ СОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕХНОЛОГИЮ БУРЕНИЯ

ИСОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ С КВАЖ И Н Ы

ИБУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

Осложнения, возникающие при сверхглубоком бурении в усло­ виях высокой температуры горных пород, связаны с влиянием темпе­ ратурного фактора на свойства промывочной жидкости и гидравли­ ческие параметры циркуляционной системы, износоустойчивость бурильных труб и рабочей части долот, устойчивость стенок сква­ жины при циклических колебаниях температуры, обусловленных выполнением спуско-подъемных операций, на работоспособность забойных двигателей (турбо- и электробуров) и т. и.

Высокая температура горных пород, наблюдаемая на больших глубинах, отрицательно влияет на материалы, входящие в состав промывочных растворов, используемых при бурении скважин. Как химические реагенты, так и глины, используемые в промывочных растворах, при высоких температурах становятся слабоактивными н нестабильными и не могут достаточно эффективно обеспечивать не­ обходимый режим бурения. При прогреве химически не обработанных глинистых растворов до 140° С происходит термодиснергирование

9

тых химической обработке, при температуре не свыше 140—160° С [46].

В работах Б. И. Есьмана отмечено влияние температуры раствора на гидравлические параметры циркуляционных систем, в частности на давление, возникающее при пуске бурового насоса. Установлено, что изменение структурной вязкости и предельного напряжения сдвнга промывочной жидкости в зависимости от температуры в сква­ жине сильно влияет на величину давления при пуске.

Высокая температура в глубоких скважинах существенно влияет па работоспособность токоподводящего кабеля, мощность и другие параметры электробуров, так как допустимая температура обмотки статора обусловлена теплостойкостью изоляции.

При интенсивной циркуляции промывочной жидкости в бурящихся скважинах происходит охлаждение горного массива в пристволь­ ной зоне. При последовании напряженного состояния и прочности обсадной трубы п цементного камня при действии внутри бурильной колонны пара высоких параметров [10] было установлено, что ве­ личина радиуса нагретой зоны горных пород мало влияет на напря­ жения в обсадной трубе п цементном камне, в то время как в горных породах напряжения значительно зависят от радиуса прогретой зоны. Можно предположить, что аналогично распределяется влияние ве­ личины охлажденной зоны на напряжения в горном массиве, цемент­ ной оболочке и обсадной трубе.

В работах Н. С. Тимофеева с сотрудниками указывается, что при бурении сверхглубоких скважин число рейсов в стволе, не закре­ пленном обсадной колонной, может достигать 400—500 и столько же раз будут возникать и частично сниматься температурные напряже­ ния. Нес.мотря на сравнительно небольшое число циклов, возникно­ вение довольно значительных по абсолютной величине температур­ ных напряжений будет существенно влиять на устойчивость стенок скважины.

Цикличность изменения температурных напряжений может вы­ звать необратимый усталостный процесс (возникновение и развитие микротрещин) как следствие разности напряжений в соседних слоях. Для сохранения приемлемого с точки зрения устойчивости скважины распределения касательных напряжений в приствольной зоне ре­ комендуется поддерживать при глубоком бурении тепловой режим, обеспечивающей перепад температур между промывочной жидкостью и горным массивом 40—60° С в интервале 3000—4000 м и 70—80°С —

винтервале 5000—6000 м.

Р. С. Яремийчук указывает, что температурные напряжения, возникающие при охлаждении скважины, приводят к уменьшению

суммарных напряжений в породах ее стенок, а при нагревании — к увеличению.

10

Как показывает опыт бурения глубоких скважин, при исполь­ зовании промывочной жидкости большого удельного веса и высоком температурном градиенте возникающие напряжения могут быть причиной нарушения циркуляции, т. е. вызвать даже терморазрыв пласта. Поэтому задача выявления факторов термического харак­ тера, приводящих к комплексу осложнений, является весьма ак­ туальной.

Наличие высокотемпературного источника па поверхности забоя скважины при механическом воздействии на него породоразруша­ ющего инструмента оказывает отрицательное влияние на износоустой­ чивость и эффективность работы буровых долот л структурно-ме­ ханические свойства промывочной жидкости. Поэтому получение удо­ влетворительного состава твердосплавных материалов для оснастки буровых долот, предназначенных для проводки глубоких скважин, а также выбор рациональной конструкции таких долот возможны лишь с учетом характера температурного поля, развивающегося в теле долота в процессе бурения. Наряду с этим, выяснение законо­ мерностей формирования искусственного температурного поля в по­ родном массиве на забое скважины в процессе бурения необходимо для уточнения влияния колебаний температуры на состояние и раз­ рушаемомъ горных пород.

Г. П. Гпримовым и другими исследователями рассмотрено влия­ ние температурных условий на работу бурильной колонны из сталь­ ных и легкосплавных труб. Конкретные результаты, полученные для бурящихся скважин Апшеронского полуострова, свидетельствуют о существенной разнице в удлинении стальных и легкосплавных бурильных колонн. Так, изменение удлинения бурильных колони из легкосплавных и стальных труб с учетом изменения модуля упру­ гости под влиянием призабойной температуры для глубины 10 тыс. м составляет соответственно 12 и 2%. При этом температурное удли­ нение легкосплавной бурильной колонны ожидается в 1,83 раза больше, чем стальной.

Существенным является влняние высокотемпературного очага, возникающего на поверхности трения между породоразрушающим инструментом и породным массивом, как на состояние инструмента и разрушаемой породы, так и на эффективность бурения. В работах, посвященных исследованию работоспособности алмазных буровых коронок, указывается, что при бурении глубоких скважин иа по­ верхности контакта долота с забоем возникает высокая температура (450—650° С и выше). При таких условиях материал долота теряет свои прочностные свойства, подвергается ускоренному износу и про­ исходит потеря его алмазных зерен.

Л. А. Алексеев и И. Я. Беркович экспериментально установили, что температура поверхности трения стали по горной породе тем выше, чем больше нагрузка на пару трения и скорость перемещения, и при режимах трения, имеющих место при разрушении горных по­ род, может достигать 1000° С и более. Разогрев поверхности трения породоразрушающего инструмента приводит к изменению его свойств

И

и схемы взаимодействия с породой, что необходимо учитывать при исследовании износа, выборе режима разрушения породы и изго­ товлении породоразрушающего инструмента.

Л. И. Бароном отмечено влияние теплового эффекта при трении различных материалов по горным породам. Ои указывает, что обра-

ЦѴ, кгс/гт2

зующееся в пятнах касания тепло распространяется в глубь обоих трущихся тел. На трущихся поверхностях при сухом трении могут возникать высокие температуры, измеряющиеся сотнями градусов.

Такие тепловые воздействия спо­ собны изменить механические свойства ряда материалов.

На рис. 1 приведена зависи­ мость температуры поверхности трения (при трении стали по горной породе) от температуры промывоч­ ной жидкости при промывке сква­ жины водой и 10%-ным раствором КМЦ. С ростом температуры про­ мывочной жидкости в обоих слу­

чаях температура поверхности тре­ Рис. 3. Зависимость проходки от ния увеличивается по линейному

температуры промывочной жидкости.

1 — 10° С; 2 — 80° С.

закону.

Существенным является также указание на возрастание коэффи­ циента трения при повышении, температуры промывочной жидкости,

что в свою очередь усиливает процесс теплообразования.

На рис. 2 показана зависимость твердости сплава ВК-8 от тем­ пературы. За допустимую температуру принимается та, при которой твердость сплава выше твердости горной породы. Как видно, возра­ стание температуры оказывает существенное влияние на твердость коронки и при прочих равных условиях является фактором, опреде­ ляющим режим бурения. По данным ряда исследователей, темпера­

12

тура поверхности трения зависит от режима бурения, свойств гор­ ной породы н промывочной жидкости, а также интенсивности охла­ ждения.

На рис. 3 показано изменение проходки во времени при разбу­ ривании в лабораторных условиях песчаника коронками типа СМ-2 диаметром 46 мм при нагрузке 250 кгс в зависимости от температуры промывочной жидкости (10 и 80° С). Из рис. 3 видно, что скорость проходки при промывке холодной водой, а следовательно, при по­ ниженной температуре буровых коронок, вдвое выше.

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛООБМЕНА В БУРЯЩ ЕЙ С Я С КВ АЖ И Н Е НА МЕТОДИКУ

И ИНТЕРПРЕТАЦИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

В районах заложения сверхглубоких скважии необходимо про­ водить систематические геотермические исследования для изучения теплового режима районов и выявления промышленных запасов полезных ископаемых по термодинамическим факторам. Наряду с этим, те же исследования необходимы для своевременного устано­ вления величины геотермического градиента данного района и те­ плофизических свойств горных пород и прогнозирования по этим данным температурных условий в стволе скважины при бурении: на больших глубинах.

В зависимости от постановки задачи или характера исследуемых вопросов (геологические, геофизические, технологические), объек­ том измерения в бурящейся или эксплуатационной скважине может являться:

1)температура промывочной жидкости;

2)температура окружающего скважину массива (приствольной! зоны);

В настоящее время температура и теплофизические свойства гор­ ных пород в условиях естественного залегания определяются глав­ ным образом по данным температурных замеров в простаивающих скважинах. При этом принято считать, что при определенном вре­ мени выстойки замеренная температура среды, заполняющей сква­ жину, например глинистого раствора или воды, отвечает естественной температуре горных пород. Интерпретация данных геотермиче­ ских измерений, основанная на этом принципе, приводит, как уста­ новлено, к серьезным погрешностям, источником которых служат по> крайней мере три основных обстоятельства [63]:

13