Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Говоря о тепловом состоянии Земли, различают естественные и искусственные тепловые поля. К естественным тепловым полям относятся региональное тепловое поле Земли и местные тепловые поля, которые могут возникнуть в некоторых горных породах в ре­зультате ряда причин (естественное подземное горение газа пли угля, окисление сульфидных рудных залежей и т. п.). ’

К искусственным относятся тепловые поля, которые создаются в результате заполнения скважин какой-либо жидкостью, имеющей температуру, отличную от температуры пород (различные промы­вочные жидкости, вода, закачиваемая в пласт при вторичных мето­дах добычи нефти и т. п.), или в результате местного искусственного подогрева пород на заданной глубине (электропрогрев пластов, термический способ добычи нефти и т. п.).

Изучением тепловых полей занимается наука, которая получила название геотермии.

Основной метод геотермии — изучение геотермической характе­ристики земной коры по результатам исследования температур в скважинах и горных выработках. В результате многочисленных наблюдений было установлено, что по мере углубления в недра Земли темпоратура растет; характер этого увеличения зависит от плотности теплового потока и удельного теплового сопротивления горных пород.

Установлено, что поверхностпые колебания температуры, вызы­ваемые пагревапием в течение дня и охлаждением в течение ночи, не влияют на температуру Земли уже на глубине 1—2 м; в то же время температура первых 10—30 м земной коры подвержена годо­вым колебаниям, связанным с изменением интенсивности солнечного излучения. Слои, в которых амплитуды суточных и годовых коле­баний становятся меньше погрешности наблюдений, т. е, практи­чески равны нулю, называют слоями постоянной суточной и годовой температур; слой постоянной годовой температуры иначе пазывают нейтральным слоем.

На территории СССР глубина нейтрального слоя изменяется от 10 до 40 л, а для Европейской части СССР многими исследователями принимается равной 20—25 м.

Ниже границы нейтрального слоя температура пород остается постоянной во времени и заметно повышается по мере проникнове­ния в глубь Земли, что подтверждено многочисленными наблюде­ниями.

В настоящее время достаточно известно распределение темпе­ратур в земной коре только у поверхности Земли — до глубины 5 км. На больших глубинах температура определяется обычно тео­ретическими расчетами.

Температура, предполагаемая на глубинах, близких к центру Земли (R «=» 6600 км), по данным различных авторов самая различ­ная: 76 000" (Ван-Остранд), 20 000" (Лун), 10 000° (Буллард), 2000е’, 1000° [18].

Как это вытекает из теории О. Ю. Шмидта [18], земная кора в прошлом имела высокую температуру. Так, по расчетам Е. А. Лю­бимовой [541 и Урри, температура теплового потока у поверхности Земли достигла максимума 2—3 млрд. лет назад, после чего начала уменьшаться, а среднее значение температуры земной коры за последние 2 млрд. лет понижается примерно на 100° С на каждый миллиард лет.

При существующей методике проведения геотермических иссле­дований необходимым и обязательным условием является соблю­дение практически установившегося теплового режима в скважинах. Поэтому все подобного рода исследования проводятся, как пра­вило, в простаивающих скважинах, в которых по истечении доста­точно длительного промежутка времени разность между темпера­турой горных пород и температурой жидкости, заполняющей скважину, становится настолько незначительной, что ею можно пренебречь.

В бурящихся же скважинах в процессе углубления скважины температура забоя повышается; в то же время в процессе бурения непрерывно циркулирует промывочная жидкость, что также оказы­вает значительное влияние на изменение теплового режима скважины.

В процессе проводки скважины с точки зрения ее термического состояния можно наметить несколько характерных периодов.

1. Процесс нормального бурения, когда долото совершает работу разрушения породы без каких-либо технологических нарушений, при наличии нормальной циркуляции промывочной жидкости. В этот период забойная температура циркулирующей промывочной жидкости достигает минимума; процесс теплопередачи можно считать установившимся.

2. Период спуско-подъемных операций (смена долота, турбобура и т. п.). Как известно, спуско-подъемные операции проводятся при отсутствии циркуляции промывочной жидкости, что сказы­вается на характере процесса теплопередачи в скважине. Прекра­щение циркуляции промывочной жидкости означает прекращение

G

охлаждающего эффекта, в результате чего температура промывоч­ной жидкости на забое скважины постепенно начинает повышаться.

Совершенно очевидно, что чем дольше будут продолжаться спуско-подъемные операции, тем выше будет становиться забойная температура промывочной жидкости, стремясь приблизиться к тем­пературе пород.

По завершении спуско-подъемных операций и с возобновлением процесса бурения, т. е. циркуляции промывочной жидкости, забой­ная температура последней начнет постепенно уменьшаться, пока снова не достигнет минимального значения.

Таким образом, в процессе бурения температурный режим сква­жины псе время меняется, отсюда вытекает важная задача — уста­новить время, необходимое для перехода не — установившегося процесса теплопередачи в процесс установившийся. Очевидно, что непосредственным показателем окончания та­кого перехода является наступление стабиль­ности температуры промывочной жидкости.

При этом температуру промывочной жидкости удобнее замерять при выходе из скважины.

По окончании спуско-подъемных операций, перед началом непосредственного бурения, скважину обычно промывают. В процессе промывки циркуляция промывочной жидкости осуществляется так же, как и при бурении, однако в этом случае долото не разрушает по­роду. С точки зрения теплового состояния сква­жины процесс промывки отличается от процесса бурения тем, что при этом не выделяется тепло, образующееся от трения долота в процессе раз­рушения породы. Следовательно, температура циркулирующей жидкости должна быть несколько ниже той тем­пературы, которая характерна для процесса бурения.

Важным этапом в процессе проводки скважин является цемен­тирование затрубного пространства скважины.

Очевидно, что спуск обсадной колонны и создание вокруг нее оболочки из цементного камня значительно меняют характер теплообмена между породами и скважиной.

На рис. 1 приведены кривые температурных изменений в различ­ные периоды эксплуатации калифорнийских скважин, полученные Френчем.

Здесь кривая ВБ характеризует распределение температуры по стволу скважины в период длительной ее остановки, когда можно принять, что температура жидкости, заполняющей скважину, равна температуре пород. Изменение температуры промывочной жидкости в процессе бурепня характеризует кривая ГА. В период установившегося режима эксплуатации температура изменяется по кривой ДБ, отличной от кривой ГА.

Таким образом, характер распределеппя температуры в буря­щейся скважине отличается от характера распределения темпера­туры простаивающих или эксплуатирующихся скважин.

Из рассмотрения схемы теплообмена в бурящейся скважине следует, что здесь тепло может передаваться от одной твердой стенки к другой (от цементного кольца к колонне), от твердой стенки к жид­кости (от колонны к восходящему потоку циркулирующей жидкости), от жидкости к твердой стенке (от восходящего потока циркулиру­ющей жидкости к бурильной колонне) и т. д. При этом в каждом случае характер передачи тепла будет различным.

Так, процесс передачи тепла между непосредственно соприка­сающимися частицами, имеющими различную температуру, проис­ходит в результате теплопроводности или кондукцин, причем в чистом виде процесс теплопроводности наблюдается в твердых телах и в тонких неподвижных слоях жидкости или газа.

Тепло передается движущимися частицами жидкости или газа вследствие конвекции, причем конвекция всегда сопровождается кондукцией.

Тепло может передаваться и тепловым излучением или луче­испусканием (радиация). При этом тепло от одного тела к другому передается в результате электромагнитных колебаний через проме­жуточную среду, которая оказывается проницаемой для тепловых лучей. При этом тепловые лучи (лучистая энергия), попадая на облучаемое тело, частично снова превращаются в энергию тепло­вого движения.

Чаще всего в передаче тепла участвуют одновременно все виды теплообмена. Однако разграничить их действие не всегда возможно, поэтому один из видов, превалирующий в рассматриваемом случае, принимается за основной, а влияние остальных учитывается соот­ветствующими поправками. В целом процесс передачи тепла от одного теплоносителя к другому через разделяющую их преграду представляет собой сложный процесс, называемый теплопере­дачей.

Распространение тепла может происходить при установившемся (стационарном) или неустановившемся (нестационарном) режиме. При этом под установившимся тепловым режимом понимается такой тепловой процесс, при котором температура t в каждой точке остается во времени т постоянной, т. е. при таком процессе произ­водная dtldx равна нулю. Если дЦдх отлична от нуля, то имеется неустановившийся тепловой режим.

Комментарии запрещены.