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

обменник А. Н. Ягельского [91], предназначенный для размещения внутри трубопроводов, по которым транспортируется охлаждаемое рабочее тело (воздух, жидкость).

СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ БУРОВОГО РАСТВОРА БУРЕНИЕМ ДВУМЯ КОЛОННАМИ

Описанные выше циркуляционные системы с искусственным охлаждением промывочной жидкости на поверхности рассчитаны для скважин умеренной глубины (не более 3000 м), когда пере­ пад температуры по глубине скважины является незначительным, что позволяет охлаждать на поверхности закачиваемую в скважину жидкость практически до той температуры, которую необходимо обеспечить на заданной глубине ствола. При бурении глубоких скважин на нефть н газ, а также бурении сверхглубоких разведочных и опорных скважин такая возможность отсутствует. Высокий перепад температур между забоем и устьем скважины и большие количества промывочной жидкости.не позволяют эффективно охлаждать буровой раствор на поверхности при обычных схемах циркуляции. Как по­ казали выполненные расчеты, для снижения температуры глинистого раствора, подаваемого в скважину, на поверхности на 50° G (но не ниже -+1—+ 2° С) необходимая холодопроизводительность холодиль­ ной установки составляет величину порядка 5 млн. ккал/ч, однако при этом температура на забое скважины во время промывки при глу­ бине забоя 6—7 км и геотермической ступени, равной 30 м/°С, снижается только на 20° С (имеется в виду глубокая буровая сква­ жина типовой конструкции). Следовательно, в данном случае для заданной температуры раствора на забое скважины при охлаждении на поверхности необходимо глубокое охлаждение до отрицательных температур, осуществление которого требует значительного уве­ личения холодопроизводительности и возможно лишь для специ­ альных минерализованных или рассольных промывочных жид­ костей.

Из сказанного со всей очевидностью вытекает необходимость в разработке такого способа охлаждения промывочной жидкости, при котором обеспечивается предотвращение ее нагревания в стволе скважины за счет теплообмена с окружающим скважину горным массивом при движении раствора от устья к забою. Это достигается, например, когда бурение скважины ведут двумя основными коаксильно расположенными бурильными колоннами (рис. 66, а). Про­ странство, образованное этими колоннами, отделяют от забоя сква­ жины глухой кольцевой перегородкой 5 и разделяют в вертикальном направлении дополнительной колонной 4, так что ее нижний конец располагается выше перегородки 5. Колонна 4 вместе с основными колоннами образует наружный и внутренний кольцевые каналы. В наружный канал при промывке скважины с прямой циркуляцией раствора закачивается холодоноситель (холодная вода или рассол), поступающий в. скважину от холодильной установки.

221

При обратной циркуляции раствора холодоноситель подают во внутренний кольцевой канал. Изменение направления движения холодоносителя в циркуляционных каналах достигается с помощью кольцевого окна, образуемого нижним срезом колонны и перего­ родкой 5. Выходящий из скважины холодоноситель подают на теп­ лообменник, через который одновременно проходит раствор, по­ даваемый в скважину, а затем — на холодильную установку. Вве­ дением в циркуляционную систему раствора после буровых насосов теплообменника обеспечивают повышение к. п. д. холодильной уста­

новки и предварительное охлаждение раствора, подаваемого в сква­ жину.

Холодоноситело

Холодоноситель

6

Рис. 66. Варианты охлаждения промывочной жидкости в скважине при миогоколонпом бурении:

а — первый: 1 — холодильная установка; 2 — теплообменник; 3 — основные колонны; 4 — разделительная колонна; 5 — кольцевая перегородка, б — вто­ рой: 1 — холодильная установка; 2 — теплообменник; 3 — узел очистки.

Как видно из приведенного выше описания, теплообмен в сква­ жине между холодоносителем и буровым раствором по всей глу­

ной установки 250 тыс. ккал/ч, расходе бурового раствора 30 кг/с, расходе холодоноентеля 5 кг/с, температуре холодоносителя па

конструкции скважины. При охлаждении всего раствора перед подачей в скважину до + 1 ° С его температура ыа забое соста­ вляет 85° G, а холодопроизводительность холодильной установки 1,2 млн. ккал/ч. Таким образом, предлагаемый способ охлаждения раствора является более эффективным и экономичным по сравнению с другими возможными способами. Возможен также другой вариант

222

системы охлаждения бурового раствора непосредственно в скважине, когда бурение скважины ведут двумя бурильными колоннами,

вода или рассол), поступающий в скважину от холодильной уста­ новки через теплообменник. Расход холодоносителя составляет 10—15% от расхода промывочной жидкости и, как и температура, определяется „исходя из необходимого охлаждения стенки наружной бурильной колонны.

Буровой раствор, охлажденный в теплообменнике, поступает во внутреннюю бурильную колонну и смешивается на выходе из забоя с холодоносителем, а образовавшаяся смесь по внутреннему кольцевому каналу поступает на поверхность и через теплообменник и очистиые желоба подается в узел очистки раствора, где рассол отделяется от основной массы глинистого раствора. Отсюда освет­ ленный холодоноситель через фильтр и узел рассолоприготовлеиия поступает на холодильную установку, а раствор подвергается обыч­ ному приготовлению перед закачкой в скважину.

Теплообмен между подаваемым в наружный кольцевой капал холодоносителем и истекающей из скважины но внутреннему каналу смесью происходит в противотоке, что обеспечивает, согласно рас­ четам, эффективное охлаждение восходящего потока. Кроме того, постоянная циркуляция в наружном кольцевом пространстве холо­ доносителя низкой температуры создает вокруг скважины устойчи­ вую охлажденную зону пород, что значительно снижает теплоприток в скважину от горного массива. В свою очередь, поддержание прием­ лемой температуры смеси во внутреннем кольцевом канале обеспе­ чивает предотвращение нагревания бурового раствора в бурильной колонне при теплообмене через стенку бурильной колонны. Преиму­ ществом данного варианта по сравнению с предыдущим является отсутствие разделительной колонны и кольцевой перегородки, что несомненно упрощает конструкцию скважины и снижает энерго­ затраты в циркуляционных системах раствора и холодоносителя. Однако для осуществления такой схемы необходимо решить вопрос об отделении на поверхности рассола от основной массы глинистого раствора.

СПОСОБ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ПРИ БУРЕНИИ СКВАЖИНЫ ИЗ ШАХТНОГО СТВОЛА В УСТАНОВКАХ СВЕРХГЛУБОКОГО БУРЕНИЯ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПРОХОДКОЙ ИЛИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГОТОВОГО ГЛУБОКОГО ШАХТНОГО СТВОЛА

Шахтный ствол глубиной 800—1000 м служит для увеличения длины бурильной «свечи» и сокращения продолжительности спуско­ подъемных операций [65]. При этом в рудничном дворе ствола размещаются отливные насосы, которые откачивают на поверхность

223

буровой раствор через манифольды и циркуляционные трубопро­ воды. Недостатком такой системы являются повышенные энерго­ затраты на откачку промывочной жидкости на поверхности для обработки и охлаждения и закачку ее в скважину. Наряду с ох­ лаждением промывочной жидкости в данном случае возникает

ных холодильных установках применяют теплообменники высокого давления или гидротурбины. В последнем случае охлаждающая вода после турбины при понижен­ ном давлении поступает в конденсатор холодильной установки, где отепляется и после этого откачивается на поверхность. Приме­ нение такой схемы, как и теплообменника высокого давления, для условий бурения из шахтного ствола привело бы к необходимости прокладывать автономную систему трубопроводов для подпитки с поверхности системы раствороприготовлеиия, причем эта система, будучи замкнутой, должна быть рассчитана на высокое гидроста­ тическое давление при соответствующем увеличении ее металло­ емкости, а следовательно — габаритных размеров и стоимости. Подача же части отепленной конденсаторной воды непосредственно вузел раствороприготовлеиия привела бы к существенному повышению температуры раствора, подаваемого в скважину, что не приемлемо.

224