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

Г Л А В А 11

СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В ГЛУБОКИХ СКВАЖИНАХ

О Б Щ И Е СВЕДЕНИЯ О РЕГУЛИРОВАНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ГЛИНИСТЫХ РАСТВОРОВ И С Ж АТО ГО ВОЗДУХА ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОКИХ С КВАЖ И Н

Разработанные методы тепловых расчетов применительно к пря­ мой II обратной схемам промывки бурящейся скважины при бурении с использованием в качестве промывочной жидкости глинистого раствора п сжатого воздуха могут быть использованы как для рас­ чета необходимой холодопропзводительпости установок для регули­ рования температурного режима при искусственном охлаждении промывочной жидкости, так и для анализа влияния режимов, схем и способов промывки на распределение температуры по стволу скважины с целью обеспечения оптимального температурного режима при бурении па больших глубинах путем предупреждения прираще­ ния температуры промывочной жидкости с увеличением глубины скважины.

К числу мероприятий, связанных с изменением режима, схемы или способа промывки для выполнения последней задачи, относятся:

1) изменение схемы или способа промывки при достижении предельной, по температурному фактору, глубины скважины;

2)периодическое реверсирование схемы промывки скважины;

3)выбор рационального по тепловому фактору расхода и скорости промывочной жидкости в циркуляционном контуре скважины;

4)теплоизоляция бурильной колонны или применение буриль­ ных труб из малотеплопроводных материалов по методу Б. Б. Куд­ ряшова.

Начиная с соответствующей глубины, определяемой расчетным

путем, благоприятный для проводки скважины температурныйрежим может быть обеспечен только при искусственном регулиро­

216

вании (снижении) температуры промывочной жидкости с помощью специальных установок и устройств.

При обычной технологии бурения возможны следующие варианты систем охлаждения промывочной жидкости в зависимости от места охлаждения и вида промывочного агента;

1)при охлаждении промывочной жидкости и сжатого воздуха на поверхности — с помощью холодильных установок парокомпрес­ сионного или абсорбционного типа;

2)при охлаждении промывочной жидкости в скважине — с по­ мощью термоэлектрических батарей или теплообменников, раз­ мещаемых в скважине и снабжаемых соответственно электроэнергией

ихолодоносителем с поверхности;

3)при охлаждении сжатого воздуха в скважине — с помощью дроссельных охладителей и вихревых труб;

4)при охлаждении сжатого воздуха на поверхности (на выходе из компрессора) — с помощью теплообменников-холодильников или внутреннее (рубашечное охлаждение).

Первый из указанных выше вариантов охлаждения промывочной

жидкости наиболее перспективен для практического осуществления. Однако конструкции установок или устройств для охлаждения раствора при бурении скважин, в том числе и на базе парокомпрес­ сионных холодильных машин, являются весьма немногочисленными. Можно упомянуть, например, о патенте Д. Бардилла на способ бурения с замораживанием горных пород при немонолитном разрезе скважины, например в карстовых формациях с пустотами, заполнен­ ными грунтовыми водами. Для замораживания этих вод, а также для предохранения необсаженного ствола скважины от обвалов предложено использовать в качестве промывочной жидкости керосин, охлажденный до —50° С, который не смешивается с грунтовой водой. Для охлаждения керосина на поверхности сооружается холодильная установка.

Следует отметить, что вопросы искусственного охлаждения промывочных жидкостей, в частности глинистых растворов, при­ меняемых при бурении, в настоящее время практически не исследо­ ваны. К числу этих вопросов относится технико-экономическое обоснование к выбору способов и средств охлаждения растворов для различных условий, разработка теплообмеиной аппаратуры для вязко-пластичных жидкостей, изучение закономерностей изменения структурно-механических, теплофизических и других свойств бу­ ровых растворов как при постепенном изменении их температуры в широком диапазоне, так и при охлаждении с высокими перепадами температур и создание криостойких буровых растворов, обеспечит вающих необходимое качество проводки скважины при низких температурах. Частично эти вопросы рассмотрены лишь в работе В. А. Серпеиского, В. И. Рябченко и С. С. Сухарева, -где указы­ вается, что охлаждение пресных растворов возможно без потери ими подвижности дотемпературы +2-^0° С, а при использовании минерализованных растворов :до температуры -^10—15° С.д-- т

2 1 7

Основным недостатком принудительного охлаждения является необходимость непрерывной циркуляции раствора. Прн остановках циркуляции забойные пачки раствора могут претерпевать изме­ нения, а резкий перепад температур при возобновлении циркуляции может сказаться на целостности стенок скважины. Одиако, как справедливо указывают авторы работы [54], резкое изменение тем­ ператур по стволу скважины после восстановления циркуляции наблюдается и при современном методе бурения без применения холода, что, вероятно, нередко является, как они пишут, одной из причин различных осложнений — прихватов, обвалов и т. п. По­ этому охлаждение раствора на поверхности должно сочетаться с рациональной технологией ведения буровых работ, обеспечивающей постепенное изменение температур и регенерацию «испорченной» пачки раствора.

Авторами работы [54] выполнены исследования, которые показа­ ли, что удельный вес и водоотдача глинистых растворов при дли­ тельном хранении на холоде (0° С) и в обычных условиях практически не изменяются. Условная вязкость и статическое напряжение сдвига глинистых растворов, хранившихся на холоде, изменяются меньше, чем у растворов, хранившихся при комнатной температуре. Таким образом, длительное охлаждение растворов, обработанных различ­ ными реагентами, до 0° С не ухудшает их свойств.

Описание устройств для охлаждения сжатого воздуха на выходе из компрессора, как и для охлаждения воздуха, засасываемого компрессорами, и теоретический анализ их рабочих процессов даны в специальных руководствах, например, в монографии А. И. Кара­ бина [22]. Производительность этих установок должна быть доста­ точной для охлаждения промывочной жидкости до такой темпера­ туры, при которой обеспечивается устойчивое поддержание заданной температуры жидкости в процессе ее циркуляции в любой точке по глубине скважины, в том числе на забое при работе буровых долот.

Ниже рассмотрены схемы и способы централизованного и местного охлаждения применительно к глубоким бурящимся скважинам, в том числе разработанные авторами.

СХЕМЫ ЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОМЫВОЧНЫХ СРЕД

Принципиальная схема парокомпрессионной установки для ох­ лаждения нромывочиой жидкости на поверхности показана на рис. 64.

Раствор, прошедший механическую и гидравлическую очистку, а также предварительное охлаждение в желобе 3, поступает в тепло­ обменник-охладитель 4.

При значительном удалении холодильной установки от буровой (что может иметь место при наличии одной холодильной станции на группу буровых, рассредоточенных по площади) в секции тепло­

218

обменника-охладителя 4 поступает промежуточный холодоноситель (холодная вода или рассол), охлаждаемый в свою очередь в испари­ телях холодильной установки 6 в результате испарения хладагента в секциях испарителя (цикл хладагента abed, цикл раствора klmnpq, цикл хладоносителя zufruz). В зимнее время, а в районах умеренного и холодного климата — в течение всего года вода может охлаждаться

доиосителя zyhiruz). При незначительном расстоянии от холо­ дильной установки до скважины испаритель встраивается в емкость 4

в описанной системе целесообразно использование вращающегося теплообменника, разработанного в ИТТФ АН УССР. В таком теплообменнике благодаря вращению трубного пучка предотвра­ щается замазывание стенок змеевиков глиной и одновременно, наряду с охлаждением, обеспечивается перемешивание раствора (предотвращение оседания тяжелого компонента).

Схема устройства показана на рис. 65. Теплообменник состоит из корпуса, в крышках которого имеются подшипниковые опоры.

219

с уплотнениями. В опорах свободно вращается вал, на который насажены коробки с разделительными перегородками, образующие вместе с валом циркуляционную систему холодоносителя. Коробки расположены на поворотном валу эксцентрично таким образом, что часть боковой поверхности коробки при ее вращении вплотную

прилегает к стейке корпуса, причем каждые две соседние коробки развернуты прилегающими к корпусу выступами в про­ тивоположные стороны. Охлаждаемый рас­ твор подается на верхнюю охлаждаемую плоскость и растекается по ней при ее вращении, поступая затем через зазор между коробкой и стенкой корпуса на нижнюю коробку и т. д. Таким образом, циркуляция раствора происходит по мно­ гоходовой схеме. Непрерывное изменение направления движения раствора в радиальпом направлении, происходящее при вращении охлаждаемых плоскостей, обе­ спечивает интенсивное перемешивание раствора в процессе его циркуляции и полностью исключает возможность оседа­ ния глины п тяжелых компонентов внутри корпуса, в том числе и на нижней его крышке, так как при указанном располо­ жении охлаждаемых плоскостей эти ком­ поненты будут отбрасываться центробеж­ ными силами в сторону сливного па­ трубка .

Для интенсификации теплообмена при охлаждении раствора образующие охла­ ждаемые плоскости коробки соединяются между собой пучком параллельных пово­ ротному валу труб 6, в которых цирку­ лирует холодоноситель.

Таким образом, отличительными осо­ бенностями предложенного теплообмен­ ника является возможность осуществления

в нем эффективного охлаждения в многоходовой схеме с одно­ временным интенсивным перемешиванием вязко-пластичнои жид­ кости (глинистого бурового раствора).

Возможны системы охлаждения, при которых промежуточный холодоноситель охлаждается на поверхности и транспортируется затем в скважину для охлаждения промывочной жидкости в тепло­ обменнике, расположенном в бурильной колонне или межтрубном пространстве, или нескольких таких теплообменниках, рассредо­ точенных по глубине скважины. Для этой цели достаточно перспектив­ ным .может оказаться, в частности, спирально-змеевиковый тепло-

220