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

Миж ^ еж ('Чж/Цѵі} '

Рнс. 51. Теплоотдача при структурном течении глишістых растворов в круглой трубе:

1 — раствор Л? 1; 2 — раствор JA 2; 3 — раствор № 4.

б. Концентрический канал кольцевого сечения.

Обработка опытных данных, полученных в результате иссле­ дований, дала возможность вывести зависимость1

Рис. 52. Теплоотдача при структурном течении глинистых растворов в кольцевых каналах:

1 9 4

в. Эксцентрический канал кольцевого сечения.

Как указывалось выше, в данном случае опыты проведены в одном

Опытные данные по теплоотдаче в каналах кольцевого сечения представлены на общем графике рис. 52.

При сравнении зависимостей (9.39) и (9.40) видно, что они отли­ чаются только числовым коэффициентом. Следовательно, их можно объединить обобщенной зависимостью с включением относительного эксцентриситета е согласно уравнению подобия (9.33). В результате была получена зависимость

N^« = 4,7 (Реж^ ) 0’31 R e r '1 (1 -е )° -4В (Лж/Ът)0-17. (9.41)

Ввиду того, что зависимость (9.41) получена лишь при двух значениях е, равных соответственно 0 и 0,77, показатель степени при (1 — е) нуждается в уточнении при дальнейших эксперименталь­ ных исследованиях для широкого диапазона изменений е.

13*

Г Л А В А 10

СПОСОБЫ КОНТРОЛЯ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОКИХ СКВАЖ ИН

ПРИМЕНЯЕМЫЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В БУРЯ Щ И ХС Я С К В А Ж И Н А Х

Измерения температуры в бурящихся скважинах в условиях высоких температур выполняются с исследовательскими и производ­

температурных аномалий по разрезу скважины и выявления таким образом продуктивных пластов и т. п ., а также измерения геотерми­ ческого градиента;

б) измерения, выполняемые с целью установления температур­ ного режима бурящейся скважины, обнаружения закономерностей его формирования и разработки и уточнения на этой основе методов расчета теплового режима бурящейся скважины.

Ко второй группе относятся измерения, выполняемые с целью корректировки технологического режима проводки скважины с уче­ том влияния температурного фактора на состояние скважин, бу­ рильных труб, инструмента и свойства и режим циркуляции промы­ вочной жидкости, а также для разработки системы регулирования теплового режима скважины.

Температура в буровых скважинах измерялась различными исследователями с помощью ртутных термометров, термометров Шлюмберже, маслонаполненного и герметического цилиндрического (ЭС-16, ЭС-17), стержневого типа ЭС-СБ, малоинерционных тер­ мометров на трехжильном кабеле ЭТМИ-55 и ЭТМИ-58, термисторного термометра; ЭТС-2 и ЭТС-3 (ТЭГ-2).

С 1964 г. начал применяться дифференциальный электронный термометр ДЭТО-48 и ДЭТО-70 для работы на одножильном кабеле конструкции Ю. А. Воробьева и В. М. Фалькова.

196

Известен термометр на термисторах конструкции Ф. Н. Фо­ менко (ТПФ), который использовался им и другими исследователями для измерения температуры в скважинах, бурящихся электробуром.

Помимо этого, существуют глубинные самопишущие термометры манометрического (геликсного) типа, плунжерные, биметаллические (ТГТ-1, ТГГ-150/160, ТГБ), электротермограф с контактным дат­ чиком ТГК.

В работе [32] отмечены следующие недостатки, присущие указан­ нымвыше скважинным термометрам.

1. Работа с максимальными ртутными термометрами затрудня­ ется, если температура иа поверхности выше температуры, заме­ ряемой в скважине. При этом возможны значительные ошибки в показаниях, даже если и приняты специальные меры предосторож­ ности. Серьезным недостатком ртутных максимальных термометров является то, что они позволяют замерять температуру только в одной заданной точке скважины.

2. Применение термометра ТПФ ограничивается электробуре­ нием, для которого его использование осложняется необходимостью тщательно тарировать термисторы и соблюдать самые строгие меры по технике безопасности.

3.Применение для регистрации температуры термисторных дат­ чиков в сочетании с каротажной станцией затрудняется необходи­ мостью в специальном оборудовании скважины (каротажная станция, лубрикатор ит. п.)и возможными технологическими осложнениями.

4.Глубинные самозаписывающие термометры требуют для своего применения кабель или тросик для связи с поверхностью или для спуска в скважину. Поэтому такие термометры не могут использо­ ваться для измерений непосредственно в процессе турбинного или роторного бурения.

По мнению авторов [32], имеющих большой опыт термометри­ ческих исследований бурящихся скважин, проблему регистрации температур в скважинах, бурящихся турбинным и роторным спосо­ бами, без помех следует решить созданием глубинного самопишу­ щего термометра, не нуждающегося в тросике или кабеле и защищен­ ного от ударов и сотрясений. В связи с этим ими был разработан и при-г менеи на практике глубинный самопишущий ртутный термометр

ГСРТ-2.

Этот прибор полностью автономен, все элементы его в виде еди­ ного блока (датчик, ртутный термометр; приемник — фотооптическое дискретно включаемое устройство; источник питания и др.) уста­ навливаются над турбобуром или долотом при роторном бурении. Принцип работы прибора заключается в периодическом фотографи­ ровании (при соответствующем периодическом включении лампы-под­ светки) уровня ртутного столба в капилляре термометра на пленку, перематываемую с определенной скоростью часовым механизмом.

Приведенное решение дало возможность обеспечить непрерывную регистрацию температуры промывочной жидкости в процессе бу­ рения скважины, полностью исключив магистральный кабель.

197

На основании анализа факторов, влияющих на работу геофи­ зических приборов в сверхглубоких скважинах, В. И. РогозиискимТеряевьш и Р. С. Челокьяном сформулированы некоторые требо­ вания и рекомендации по разработке приборов [53]. Они полагают, что наиболее эффективными в сверхглубоких скважинах могли бы быть приборы, обеспечивающие проведение геофизических измерений с передачей информации по беспроводной линии связи в процессе бурения или с накоплением ее. Использование этой информации не требует специального времени на исследования и резко повышает достоверность результатов измерений. При разработке для сверх­ глубоких скважин приборов, использующих в качестве линии связи каротажный кабель, необходимо учитывать особенности, связанные с использованием каротажного кабеля большой длины, поскольку с увеличением длины кабеля увеличивается погрешность в определе­ нии истинной глубины нахождения датчиков, значительно возрастает п пзменяется сопротивление жил кабеля, величина их емкости и индуктивности, увеличиваются потери электрической энергии, передаваемой к скважинным датчикам, и происходит искажение информации, передаваемой из скважины.

В связи с изложенным выше, разработка приемлемых способов контроля и регистрации температуры промывочной жидкости в буря­ щихся скважинах выполнялась по двум направлениям, имея в виду:

1) создание надежных телеметрических систем контроля и ре­ гистрации температуры на базе малонмерциони ых стабильных и ком­ пактных датчиков, располагаемых в неограниченном числе точек по периметру или глубине скважины при их селективном эпизоди­ ческом или непрерывном опросе с поверхности при электробурении или простое скважины;

2) создание глубинного автономного регистратора температуры повышенной надежности для регистрации температуры в нескольких точках по периметру бурильной колонны внутри ее и в межтрубиом пространстве непосредственно в процессе бурения независимо от его способа.

Ниже изложены результаты разработок по этим двум направле­ ниям.

ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОМЫВОЧНОЙ Ж ИД КО СТИ

ГЛУБИННЫЙ РЕЛЕЙНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ТЕРМОМЕТР НА БАЗЕ ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА И ТЕРМОСОПРОТИВЛЕНИЯ

Для температурных измерений в бурящихся скважинах глубиной свыше 5 км с помощью телеметрических систем требуются датчики, отличающиеся компактностью, простотой схемно-конструктивного решения, незначительным потреблением электроэнергии, высокой надежностью, линейностью и стабильностью градуировочной харак­

198

теристики, высокими пределами измеряемых температур и незави­ симостью точности измерения от качественного состояния канала связи и изменения его параметров.

При непрерывном измерении температуры промывочной жидкости ее аналогом в системе измерения может служить частота электро­ магнитных колебаний, изменяющаяся пропорционально измеряемой температуре. В настоящее время для преобразования температуры в частоту применяются схемы на основе мультивибратора, частота колебаний которого определяется активным сопротивлением полу­ проводникового термистора.

С учетом перечисленных выше требований более совершенной является схема на основе датчика температуры в виде тонкой нити чистого металла. Такой датчик может работать при более высоких температурах, обладать малой инерцией, минимальным поглощением тепловых лучей, высокой стабильностью и воспроизводимостью характеристик при массовом изготовлении, но иметь сравнительно низкое сопротивление (порядка десятков Ом). Измерительный ток датчика ограничивается допустимой мощностью по условиям само­ подогрева, а напряжение обычно не превышает десятые доли вольта.

С учетом требований, предъявляемых к точности измерений, особенно при увеличении верхнего предела контролируемого диапа­ зона температур, в ИТТФ АН УССР разработано устройство, выполненное в виде термозондов эпизодического и непрерывного действия. В первом случае аналогом температуры является про­ порциональный ей постоянный ток питания термозонда, релейно­ импульсно фиксируемый в желаемой точке отсчета; во-втором — частота электромагнитных колебаний, пропорционально изменя­ ющаяся с увеличением измеряемой температуры. Принципиальная схема датчика (Д1 — і?т) глубинного термометра эпизодического действия и блока его питания и измерения изображены на рис. 53.

ристика туннельного диода (например, типа ЭИ301Б) отличается ярко выраженным релейным изломом, стабильность которого может быть обеспечена в весьма широком диапазоне измеряемых температур: для арсенидгаллиевых туннельных диодов — до 400° С, алмазных — до 650° С, фосфоридоборовых — до 1000° С.

Угол наклона вольт-амперной характеристики термосопротивле­ ния к оси абсцисс уменьшается с возрастанием измеряемых темпе­ ратур.

Таким образом, падение напряжения датчика вынесенной на­ грузки канала связи КС будет изменяться релейно для данной температуры при строго определенном Токе в нем, т. е. независимо от состояния линии.

С изменением окружающей датчик температуры положение его суммарной вольт-амперной характеристики изменится в соответ­ ствии с новым положением характеристики термосопротивления

1 9 9

і?т, следовательно, изменится и значение релейных токов прямого и обратного скачка напряжений на нем.

Предельно минимальная температура, которая может быть из­ мерена датчиком, определяется таким наклоном характеристики термосопротивления (і?т3), при котором опа составит с падающей частью в реальной точке пересечения равный угол, при этом реальный излом суммарной характеристики полностью вырождается; все

Дневная поверхность

последующие более низкие (чем Я73) температуры не фиксируются устройством, так как будут давать однозначную, безрелейную сум­ марную характеристику датчика.

С ростом измеряемых температур от предельно минимальных (Дт3) будет уменьшаться наклон вольт-амперной характеристики термосопротивления к оси абсцисс, а следовательно, и снижаться значение релейных токов; таким образом, величины последних строго соответствуют определенным значениям измеряемой температуры.

В связи с более значительной разницей токов смещения для двух соседних суммарных характеристик датчика во втором релейном изломе их по сравнению с первым изломом, с целью повышения чувствительности устройства, температурная шкала его показыва­ ющего прибора (ИП) градуируется по току возвратной релейной точки. Следовательно, в соответствии с избирательностью релейно­

200