Файл: Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 19.10.2024
Просмотров: 62
Скачиваний: 0
1) при подъеме инструмента движение бурильной колонны при водит к перемешиванию раствора и нарушению распределения температуры внутри скважины в момент окончания циркуляции раствора;
2)температура раствора в остановленной скважине часто заме ряется при необоснованно коротком времени выстойки, когда тем пература пород приствольной зоны, охлажденных в процессе циркуляции раствора при бурении, существенно отличается от естественной температуры пород на той же глубине;
3)иа температурный режим простаивающей скважины оказы
вает влияние перенос тепла в результате свободной конвекции, спо собствующей образованию в стволе скважины температурного гра диента, отличного от градиента температуры в горном масспве.
Помимо этого, факторами, снижающими качество гидрогеотер мической информации, получаемой в простаивающих скважинах, являются фонтанироваиие и затрубная циркуляция вод, поступа ющих в скважину из вскрываемых ею водоносных горизонтов, а так же экзотермические и эндотермические процессы, происходящие при снижении давления в стволе ц расширении газов, поступающих в скважину из продуктивных горизонтов.
По данным теоретических и экспериментальных исследований [36], время выстойки скважины, обеспечивающее приемлемую точ ность определения естественной температуры массива по измерению температуры раствора иа данной глубине, представляет собой весьма большую величину, превышающую время бурения скважины в 10— 20 раз. Вполне очевидно, что соблюдение столь продолжительного времени выстойки скважины для выполнения геотермических иссле дований с учетом экономических и технических факторов практи чески мало вероятно- В связи с этим представляет практический ин терес разработка методики исследований, позволяющей при любом известном времени выстойки или циркуляции определить темпера туру горных пород на любом расстоянии от стенки скважины по измеренной иа данной глубине температуре бурового раствора. Необходимо отметить, что скважинная геофизическая аппаратура, предназначенная для исследования скважин глубиной 7000 м и бо лее, должна работать при максимально возможной температуре
иобеспечивать при этом одинаковую точность измерения во всем диапазоне температур. Для удовлетворения этих требований необ ходима разработка измерительных систем, основанных на электрон ных элементах с высокой стабильностью и высоким классом точности
иснабженных системами автономного термостатирования.
Г Л А В А 2
НЕСТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛООБМЕН МЕЖДУ ГОРНЫМ МАССИВОМ И ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТЬЮ В БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЕ
ОСОБЕННОСТИ И СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ НЕСТАЦИОНАРНОГО ТЕПЛООБМЕНА ПРИ ЦИРКУЛЯЦИИ ПРОМЫВОЧНОЙ Ж ИД КОСТИ В БУР Я Щ ЕЙ С Я С КВ АЖ И Н Е
При проходке и эксплуатации горных выработок, в том числе глубоких скважин, основным фактором, оказывающим влияние на формирование температурного режима, является сложный и неста ционарный теплообмен между потоком жидкости или воздуха и бес конечным горным массивом, обусловленный перепадом температур потока и горного массива. Величина этого перепада в свою очередь зависит в основном от начальных термодинамических параметров потока (температуры, давления, плотности, влажности) и интенсив ности тепловыделений, связанных с технологией бурения или об условленных гидравлическим сопротивлением циркуляционной си стемы скважины.
Изучение основных характеристик нестационарного теплообмена между горным массивом и потоком промывочной жидкости в буря щейся скважине необходимо для решения следующих важных прак
тических задач, возникающих при сверхглубоком |
бурении в связи |
с высокой температурой окружающих скважину |
горных пород: |
1)расчет тепловыделений горных пород при прогнозе темпера туры промывочной жидкости;
2)расчет термических напряжений в окружающем скважину
массиве с целью обеспечения устойчивости ствола скважины; 3) определение времени, необходимого для заданного снижения
или восстановления температуры в любой точке горного массива при циркуляции промывочной жидкости или простаивании сква жины;
15
4)определение режима промывки скважины (расхода, скорости движения, теплофизических свойств промывочной жидкости), не обходимого для обеспечения задапиого снижения температуры или тепловыделения породного массива;
5)определение величины геотермического градиента вскрывае мого скважиной массива (вычисление естественной температуры гор ных пород на дайной глубине) по температуре промывочной жидкости.
Процесс бурения состоит из постоянно чередующихся «рейсов», каждый из которых состоит в свою очередь из периодов промывки, бурения (или собственно бурения) и простоя скважины. В течение первых двух периодов с помощью буровых насосов осуществляется вынужденное движение промывочной жидкости в циркуляционном контуре бурильная колонна — забой — межтрубиое пространство при прямой схеме циркуляции (рис. 4, а) и межтрубное простран ство — забой — бурильная колонна — при обратной схеме (рис. 4, б). Под промывочной жидкостью в данном случае понимаются все жид кие и газообразные рабочие тела, применяемые при бурении сква жины, из которых в дальнейшем будут рассматриваться главным образом глинистый раствор и сжатый воздух.
По сравнению с другими горными выработками, например шахт ными стволами или эксплуатационными скважинами, на протекание нестационарного теплообмена в бурящихся скважинах при циркуля ции в них промывочной жидкости оказывают влияние следующие основные факторы.
1. Периодические перерывы п возобновления циркуляции, об условленные выполнением спуско-подъемов для смены бурильного инструмента, цементпровапия, ремонтных и других операций.
2.Одновременное протекание теплообмена между потоком жидко сти в межтрубном пространстве п потоком жидкости в бурильной колопие, с одной стороны, п горным массивом — с другой, и обусло вленный этим знакопеременный по глубине скважины характер направления теплового потока между массивом и промывочной жид костью.
3.Эксцентриситет конструкции скважины, связанный с осо
бенностями поведения бурильной колонны в глубоких скважинах, и вызванный им прямой тепловой контакт между бурильной колон ной и горным массивом.
4.Постоянное увеличение глубины скважины и температуры горных пород при бурении и промывке.
5.' Переменная по глубине скважины величина теплоотдачи п стейках скважины и бурильной колонны, обусловленная изменением
их диаметра и поперечного сечения, и переменная по глубине ствола величина теплопередачи от массива к промывочной жидкости, об
условленная различием в конструкции |
скважины иа разных глу |
|
бинах |
(наличие и ■толщина цементного |
камня, наличие обсадных |
труб |
и т. и.). |
|
Независимо от схемы и способа промывки забоя при циркуляции промывочной жидкости во время бурения и промывки происходит
к г ;' 7 ' ’ :■
теплообмен между ней п горным массивом, который протекает в меж трубном пространстве, а при контакте бурильной колонны с горным массивом — также и в бурильной колонне. Прн этом, с одной сто роны, изменяется температура потока жидкости, с другой — на рушается естественное температурное поле окружающих скважину горных пород и вокруг скважины, за исключением призабойной зоны, образуется охлажденная зона. При этом во время собственно бурения на температуру промывочной жидкости, а следовательно, и на ин тенсивность образования охлажденной зоны оказывают влияние нагревание горных пород в окрестности скважины при трении ко лонны бурильных труб о стенку скважины (роторное бурение),
Рис. 4. К тепловому расчету бурящейся скважины.
При схеме промыпки: а — прямой; б — обратной.
нагревание горных пород на забое скважины при работе бурильного инструмента и изменение пластового давления и, как следствие, — температуры в пересекаемых скважпной проницаемых пластах-кол лекторах газожидкостной фазы и другие, менее существенные источ ники тепловыделений. При промывке забоя после спуска бурильной колонны перечисленные выше источники тепловыделений в скважине отсутствуют, а теплообмен между промывочной жидкостью и горным массивом в призабойной зоне и остальной части скважины, обусло
вленный разностью температур массива и жидкости, |
происходит |
в соответствии с общими законами нестационарного |
теплообмена |
в горных выработках. Частным случаем, представляющим опреде ленный практический интерес, является выделение во время промывки после цементирования в нижней части ствола скважины теплоты гидратации затвердевающей цементной оболочки, воздействующей на температуру промывочной жидкости и горных пород.
Гидравлические режимы бурения и промывки могут быть различ ными, так как расход жидкости во время промывки, как правило, ниже. Одиако для упрощения постановки краевой задачи о темпера турном поле вокруг бурящейся скважины оба периода, во время
2 Занял 600
которых происходит циркуляция промывочной жидкости — соб ственно бурение и промывка, могут быть для каждого рейса объеди нены в одни период циркуляции, которому всегда (кроме периода циркуляции первого рейса) будет предшествовать период простоя.
В соответствии с теорией нестационарного теплообмена в горных выработках [11, 17, 27, 81], по мере увеличения ширины охлажден ной зоны температура поверхности стенок ствола скважины в одном и том же его сечении понижается, вызывая тем самым уменьшение температурного напора между стенкой и циркулирующей в сква жине жидкостью. В связи с этим уменьшаются тепловыделения из породного массива и приращение температуры потока жидкости на данном элементарном участке dh (рис. 4). В свою очередь будет уве личиваться температурный напор между жидкостью и горным мас сивом (и соответственно будет увеличиваться нагревание жидкости) в той части скважины, где охлажденная зона имеет меньшую ширину. При большой продолжительности циркуляции теплоотдача горных пород, уменьшаясь с течением времени, будет асимптотически при ближаться к некоторой величине, которую для любого расчетного участка, достаточно удаленного от забоя скважины, условно можно считать постоянной и отвечающей минимальному значению теплоот дачи горного массива в конце периода циркуляции. Следовательно, в общем случае при постановке и решении краевой задачи необхо димо считаться с изменением во времени как температуры массива, так и температуры циркулирующей в скважине жидкости.
Таким образом, для получения расчетных зависимостей, позво ляющих рассчитать величину тепловыделения горного массива и тем пературное поле массива в окрестности скважины, необходимо решать сопряженную нестационарную задачу, представляющую собой систему уравнений переноса тепла между телом и движущейся жид костью. Решение такой системы, состоящей из уравнений гидроди намики, уравнения конвективного переноса тепла в жидкости и урав нения теплопроводности для массива, даже если опустить уравнения гидродинамики, считая процесс в жидкости квазистационарным (в том смысле, что изменение температуры жидкости во времени будет обусловлено лишь изменением условий — температуры и теплового потока — на поверхности раздела) встречает серьезные математи ческие трудности и достигается, как правило, при существенных упрощениях [35].
Большинство известных в литературе теоретических работ, по священных теплообмену в скважинах, относится к эксплуатацион ным нефтяным и газовым скважинам, в то время как аналитические решения краевой задачи о температурном поле в горном массиве вокруг бурящейся скважины весьма немногочисленны. Все эти ра боты можно условно разделить на две группы. В первой из них ре шается, с теми или иными упрощающими допущениями, сопряжен ная краевая задача, о которой говорилось выше. Во второй группе для определения температуры потока в скважинах решается урав нение теплового баланса, составленное для потока, теплообмен кото-
18
рого с горным массивом на элементарном отрезке скважины dh учитывается слагаемым вида
|
qn = kU Atdh. |
|
(2.1) |
В частном случае |
|
|
|
|
qn = aU{tCT —tB)dh. |
(2.2) |
|
Здесь к — коэффициент теплообмена между потоком и массивом, |
|||
имеющий размерность коэффициента теплоотдачи; |
U — периметр; |
||
At — разность |
температур потока и |
массива; а |
— коэффициент |
теплоотдачи; |
іст— температура стенки |
выработки; |
tB — темпера |
тура потока.
Как будет показано ниже, принципиальные различия между рас четными зависимостями, предложенными авторами работ второй группы, заключаются главным образом в способах определения коэффициента к, который в общелі случае представляет собой слож
ную функцию вида |
|
|
|
k = f( т, |
R, h, а, X, |
су, а), |
(2.3) |
где г — время; R — радиус |
скважины; |
h — глубина; |
X, су, а — |
коэффициенты теплопроводности, удельной теплоемкости п темпера туропроводности массива.
Решения краевой задачи, полученные в работах первой группы, посвященных в основном температурному режиму фонтанирующих скважин (Ван-Хеерден, Э. Мундры, Д. Сквайер и др), отличаются громоздкостью и являются, несмотря на наличие в отдельных слу чаях табулированных функций, практически неприемлемыми для тепловых расчетов. При этом оригиналы операционных изображений искомых функций во всех без исключения работах этой группы най дены только для температуры потока. Попытка И. А. Авдонина и А. А. Буйкиса создать упрощенный метод расчета не дала удовлет ворительных результатов, так как, согласно их данным, расхожде ние значений температуры потока, вычисленных по предложенной ими упрощенной зависимости и более точной зависимости Д. Сквайера, является весьма заметным.
Температура жидкости и массива при промывке скважины оты
скивалась И. М. |
Астрахан и В. И. Мароном в |
результате решения |
||
краевой задачи |
при |
следующих |
предположениях: |
|
1) теплофизические |
свойства |
горных пород |
постоянны; |
|
2)движение жидкости в бурильной колонне и межтрубном пространстве равномерно;
3)тепловым потоком, обусловленным теплопроводностью в осе- *|
вом |
направлении, можно пренебречь; |
4) |
тепловой поток в горном массиве является плоско-радиаль |
ным; |
1 |
5) |
температура жидкости одинакова для всех точек поперечного |
сечения скважины соответственно в бурильной трубе имежтрубном ' пространстве.
2* |
19 |