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

В результате расчетов установлено, что время выравнивания температуры среды, заполняющей скважину, и естественной темпе­ ратуры горных пород для скважины диаметром 0,16 м составляет

естественной температуры пород на стенке любой горной выработки

Балансовый метод с использованием коэффициента нестационар­ ного теплообмена может быть применен для расчета естественной температуры горных пород tn по известной температуре t раствора

Уравнение (5.14) составлено для ограниченного объема с поверх­ ностью теплообмена F, в пределах которого находится G кг раствора с теплоемкостью ср. Решение уравнения (5.14) для температуры горных пород имеет вид

г — г0е Ах

(5.15)

А ( і- е ~ лх) ’

ИТ

Ah ( 1 - е “'4т)

При этом под теплопроводностью раствора понимается эффектив­ ная теплопроводность, определяемая с учетом конвективного пере­ носа тепла в ограниченном объеме [44], а также коэффициента по­

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЕСТЕСТВЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПРОИЗВОЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ВЫСТОЙКИ

Изложенное выше относится к скважинам, простаивающим

.длительное время, когда достоверность информации зависит факти­ чески лишь от времепп выстойки. Если для таких скважин, как показано выше, в принципе возможно при известном времени вы­ стойки или циркуляции определить температуру горных пород на заданном расстоянии от стенки по измеренной на данной глубине температуре бурового раствора, то выполнению таких измерений непосредственно после прекращения бурения или в процессе кратко­ временной выстойки препятствуют, как указывалось в гл. 1, нару­ шения устаиовившегося при, циркуляции промывочной жидкости температурного режима скважины при подъеме инструмента и в ре­

туры горных пород на забое скважины посредством «протыкания» забоя шпуром сразу же после прекращения бурения, когда охла­ жденная зона впереди забоя скважины практически отсутствует. Температуру в шпуре, равную, как предполагается, температуре горных пород, предлагается рассчитывать по известным зависимо­ стям Д. Егера для определения температуры стержня при граничных условиях IV рода на поверхности теплообмена.

Метод О. Ф. Пушкова, являющийся теоретически вполне обо­ снованным, применительно к глубоким скважинам неудобен из-за больших технических трудностей при его осуществлении.

118

Авторами предложен способ определеиия температуры горных пород по результатам температурных измерений в скважинах, заполненных буровым раствором. Сущность способа заключается в том, что раствор, температура которого измеряется, изолируют на участке измерения (например, на забое скважины) от остальной пачки и нагревают равномерно по всему объему, например, электри­ ческим нагревателем до температуры, заведомо превышающей тем­ пературу горных пород па данной глубине. Изоляция нагреваемого раствора и равномерность нагрева позволяют исключить явление свободной конвекции. После достижения необходимой температуры, величина которой контролируется с помощью датчиков, помещенных в нагреваемый раствор и связанных с пока­ зывающими приборами иа поверхности, на­ греватель отключается, а изменение темпера­ туры раствора регистрируется вплоть до наступления температурной инверсии, т. е.

до того момента, когда остывание раствора сменяется возрастанием его температуры, обусловленным притоком тепла из горного массива. Зафиксированная в этот момент температура раствора служит исходной для вычисления естественной температуры гор­ ных пород.

Справедливость изложенного выше по­ ясняется графиком, приведенным на рис. 24. Здесь в координатах t (температура) — R (расстояние от оси скважины) показано изменение температуры внутри скважины ра­ диуса R о и в горном массиве при ее определе­

нии по предлагаемому способу. Кривая 1 и горизонтальная прямая Іа представляют собой распределение температуры в массиве и внутри скважины после подъема инструмента (очевидно, что температура, соответствующая прямой Іа, может быть выше или ниже температуры стенки). Температура, соответствующая кривой 1, есть температура в момент включения нагревателя. Остывание нагретого раствора в скважине приводит к некоторому нагреванию пород в радиусе R от оси скважины (горизонтальная прямая и кривые 2). При даль­ нейшем остывании раствора и одновременном восстановлении есте­ ственного температурного поля в массиве температура внутри сква­ жины становится равной температуре пород на стенке (кривая 3). Начиная с этого момента, температура в скважине• начинает воз­ растать вместе с повышением температуры пород приствольной зоны за счет притока тепла из горного массива, в результате чего температурный график при достаточно большом времени

когда оно не будет нарушено в скважине конвективным переносом тепла.

119'

Как видно из рассмотрения графиков (кривая 3), существует возможность перехода от температуры, измеренной внутри скважины, к температуре горных пород tn, благодаря тому, что температуры горных пород на стенке скважины и внутри ее в этот момент строго равны друг другу. Для осуществления указанного перехода можно, например, воспользоваться формулой

где іраств — температура раствора в период циркуляции; t2 — тем­ пература раствора в момент температурной инверсии; ?72пр ст— безразмерная температура пород на стенке скважины в период простоя, рассчитываемая по формуле (2.112).

Как видно из изложенного, отличительной особенностью пред­ лагаемого способа является возможность определения естественной температуры горных пород по измерению температуры бурового раствора при сокращении времени выстойки и обеспечении точного равенства температур раствора и горных пород на стенке скважины.

РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД И ГЕОТЕРМИЧЕСКОГО ГРАДИЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ТЕМПЕРАТУРЫ

ПРОМЫВОЧНОЙ Ж ИД КОСТИ В ПРОЦЕССЕ ЦИРКУЛЯЦИИ

Определение геотермических градиентов по данным температур­ ных измерений в бурящихся скважинах непосредственно в процессе циркуляции промывочной среды избавляет от необходимости под­ вергать законченные бурением скважины длительной выстойке. До настоящего времени измерения температурных градиентов по данным исследований бурящихся скважин не производились, так как отсутствовала аппаратура для выполнения термических иссле­ дований непосредственно в процессе бурения. С появлением такой аппаратуры, например созданного при участии авторов автономного регистратора температуры типа ГАРТ (см. гл. 10), становится возможным, имея графики установившихся зпачеиий температуры промывочной жидкости в бурильной колонне или межтрубном пространстве, вычислять геотермический градиент, пользуясь урав­ нениями теплового баланса данной скважины. В общем случае,

исходя из выражений (3.146), (3.147), (3.157), (3.158), для вычисле­ ния геотермической ступени по замерам температуры циркулирующего раствора предлагаются следующие расчетные зависимости:

120