Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Как было сказано, коэффициент теплопередачи к., характери­зует передачу тепла от промывочной жидкости, движущейся в коль­цевом пространстве, к стенкам скважины пли обсадной колонны и далее к породе или в обратном направлении.

По аналогии с (V.5) коэффициенты теплопередачи для скважины с необсаженным (кг) и обсаженным стволами (кможно найти из зависимостей

(V.11)

(V.12)

Ф

где а 2 — коэффициент теплоотдачи от промывочной жидкости,

движущейся в кольцевом пространстве, к стенке обсадной колонны; рг — коэффициент отдачи тепла от стенок к породе; йа — толщина цементного кольца; Х, ц — теплопроводность цементного камня.

В печати нет сведений о коэффициенте теплопроводности цемент­ного камня, поэтому ориентировочно Ха я был принят равным 1 ккал/м • ч • °С, исходя из коэффициентов теплопроводности сле­дующих более пли менее родственных материалов:

0,8 0,9 1,0 1,1 1,33

цементно-песчаный раствор.

асфальтобетон………………………….

бетон с кирпичным щебием. бетон с каменным щебнем. . железобетон

Па основе формулы (V.11) в работе [24] показано, что при струк­турном режиме движепия глинистого раствора величина кг зависит от радиуса теплового влияния скважины г0 и изменяется от 1 до 4 ккал/м • ч • °С.

Однако в связи с появлением новых данных о радиусе теплового влияния бурящейся скважины (см. главу IV) этот вопрос нужно несколько дополнить.

Рассматривая тот же пример расчета, который приводится в ра­боте [24], примем, что в скважине диаметром 0,27 м находятся 141 — мм бурильные трубы.

Поскольку в литературе еще нет новых данных о значениях параметра Иуссельта для структурного режима движения глинистых растворов, то величину коэффициента а2 согласно работе [24] при­нимаем равной 15,6 ккал/м • ч • 0С.

Далее примем, что толщина цементного кольца в среднем состав-

I ft

ляет 6Ц = 0,04 м, Лц = 1 ккал/м • ч • с Си, следовательно, =

= 0,04 мг • ч • СС/ккал.

Таким образом, для необсаженнои п обсаженной частей скважин при структурном режиме течения глинистого раствора формулы (V. ll) и (V.12) примут вид:

(V. lla)

15,6(5*

15,вр*

а_ 15,0 + р, *

L’ 1D, Ор*

* 15,6 + 1,624(5*

Для определения коэффициента р2 воспользуемся выражением [49]

2 г0 D

р, i (V.13)

D In

Для Лп имеются самые различные данные.

по называет,

пород зависит от их плотности, влаж- /Ог

Рис. 27. Зависимость коэффициента теплопере­дачи к2 и к’2 от радиуса теплового влияния скважины при различных удвоенных относи­тельных погрешностях измерения температур (X = 0,5 ккал/м ■ ч• °С; X = 1 ккал/м — ч — С).

Большое количество проведенных исследований что тепловое сопротивление ности, проницаемости, неф­тенасыщенно сти, темпера-

туры и структуры. Есте­ственно, что теплопровод­ность пород в различных районах неодинакова.

Используя данные В. Н. Дахнова и Д. И. Дья­конова, можно привести следующие средние значе­ния Хв для пород, наиболее часто встречающихся при бурении скважин на Ап — шероне: пески 0,143—

0,326; глины 0,206; су­глинки 0,284; известняки 1,58—1,81; песчаники 1,56 ккал/м • ч ■ °С.

ИШв!

Приведенные значения А, и довольно ориентиро­вочны, и, по-видимому, за среднюю теплопровод­ность породы можпо при­нять среднеарифметиче­ское значение приведен­ных выше величин, которое равно 0,75 ккал/м ■ ч • °С.

а — обсажепная скважина; б — пеобсаженпая сква­жина; 1 — 2Е = 0.1; 2 — 2Е = 0.2; 3 — 2£ = 0.3; 4 — 2 Е = 0,4; S — 2Е = 0,5.

Последующие расчеты р„ проведепы при двух значениях Яп, равных 1,0 и 0,5 ккал/м-ч-°С. Эти зна­чения дают возможность

установить качественную зависимость fc2 от теплопроводности пород.

Используя данные табл. 19, по формулам (V. lla), (V.12a) и (V.13) были определены значения коэффициента теплопередачи кг для необсаженной и обсаженной скважин при различной точности измерении температур и разных значепиях Ха. Результаты определе­ний приведены в табл. 25.

На рис. 27 представлены серии кривых зависимостей кг от ра­диуса теплового влияния скважины при различных удвоенных

2 Е	Го. м	а, м2/ч	сутки	Необсажениая скважина	Обсаженная скважина
1 >■ Г.	.ч ■ ч • °С	,= = 0,5 к>«2л/.л1«Ч’0С	V*1	>* С I! о О»
а.	А,	р,	А,	А 2	*2
0,1	1	0,008	6,25	3,7	2,99	1,85	1,65	2,67	1,55
	1,7	0,001	150	2,92	2,46	1,46	1,33	2,24	1,27
	2,7	0,008	50	2,47	2,13	1,23	1,14	1,96	1,09
	4,5	0,008	150	2,115	1,87	1,057	0,985	1,73	0,95
	8,4	0,008	500	1,77	1,59	0,88	0,83	1,49	0,805
0,2	0,5	0,008	6,25	5,7	4,17	2,85	2,41	3,57	2,2
	0,8	0,001	150	4,18	3,3	2,09	1,84	2,9	1,71
	1,4	0,008	50	3,18	2,64	1,57	1,39	2,39	1,365
	2,2	0,008	150	2,66	2,27	1,33	1,22	2,08	1,19
	4	0,008	500	2,18	1,94	1,09	1,02	1,77	0,98
0,3	0,25	0,008	6,25	12,3	6,88	6,15	4,57	5,4	3,75
	0,4	0,001	150	6,81	4,72	3,40	2,79	3,97	2,51
	0,65	0,008	50	4,71	3,64	2,35	2,04	3,3	1,89
	1,2	0,008	150	3,39	2.79	1,69	1,49	2,51	1,46
	2	0,008	500	2,75	2,34	1,37	1,24	2,15	1,2
0,4	0,15	0,008	6,25	71,0	‘2,75	35,5	10,8	8,47	7,55
	0,22	0,001	150	15,2	7,7	7,6	7,75	5.9	3,87
	0,35	0,008	50	7,8	5,21	3,9	3,13	4,31	2,78
	0,6	0,008	150	4,95	3,76	2,47	2,13	3,26	1,96
	1,2	0,008	500	3,38	2,77	1,69	1,52	2,5	1,43
0,5	0,075	0,008	6,25	_	_	_	_	_	г
	0,13	0,001	150	—	—	—	—	—	—
	0,2	0,008	50	18,9	8,55	9,45	5,87	6,38	7,76
	0,3	0,008	150	9,37	5,67	4,68	3,48	4,62	3,06
	0,6	0,008	500	4,97	3,76	2,48	2,14	3,27	1,97

относительных погрешностях измерений в нсобсажеиной и обсажен­ной скважинах.

Из рассмотрения кривых вытекает, что величина кг уменьшается при увеличении г0 и чем меньше погрешность измерения темпера­туры, тем меньше пределы изменения кг. При уменьшении тепло­проводности породы величина кг уменьшается н кривые зависимости к2 = / (г0) при Яп = 0,5 лежат ниже аналогичных зависимостей при Яв = 1.

В обсаженной скважине кривые зависимости /с’ = / (г0) имеют тот же характер, что и в необсаженной, с той лишь разницей, что пределы изменения к2 в первом случае несколько ниже, чем во вто­ром.

Совместное рассмотрение кривых па рис. 27 при одинаковых относительных погрешностях измерении и коэффициентах тепло­проводности приводит к выводу, что в обсаженной скважине вели­
чина к’„ при прочих равных условиях несколько мепыпе величины кг в пеобсажениой.

Следовательно, крепление скважины обсадной колонной приво­дит к снижению величины коэффициента теплопередачи (по длине спущенной колонны).

Пределы изменения кг от 1 до 4 ккал/м" • ч • °С, указанные в работе [24], лежат в зоне относительных погрешностей измерения температур от 0,15 до 0,05. Поэтому при сопоставлении теоретиче-

л 1 1 1X1.1.

6,25 50 W0 700 300 400 500 г. сутки 6

625 50 WО 200 300 ЧЮ 500 t, сутки

а

Рнс. 28. Кривые зависимости коэффициента теплопередачи кг л к’, от общего вре­мени промывки скважины т.

а исобсажепиля скважина; б — обсаженная скважина; 1—5 — при теплопроводности

пород Хд « 1 ккпл/м• ч■ °С и 2Е — 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 соответственно; б—10 — при X =■

— 0,5 ккоа/м-ч• °С и 2Е = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5 соответственно»

при циркуляции промывочной жидкости. Несоблюдение этого ус­ловия ириведет к неправильному определению величины к2, что вызовет различие между теоретически вычисленной и замеренной температурами.

На рис. 28, а и б приведены зависимости к2 от времени т [4].

Так как для нашего случая т0 — 0,147 суток (см. табл. 19) и

при промывке скважины в течение нескольких суток тс т,, то величину т можно принять за общее время промывки скважины.

Из рис. 28 следует, что с увеличением общего времени промывки скважины величина к2 уменьшается и при определенных значениях т она стабилизируется.

Приведенные расчеты коэффициента к« для обсаженной сква­жины справедливы, когда коэффициент теплопроводности цемент­ного камня равен Яа = 1 ккал/м ■ ч • °С. Однако по некоторым источникам теплопроводность цементного камня может быть при­близительно в 5 раз больше. Принимая Яц = 5 ккал/м • ч • °С,

6 = 0,04 м, — 0,008, а2 = 15,6 ккал/мг • ч • °С и р2 =

4 " v

= 5,7 ккал/м2 • ч • °С (см. табл. 25), по формуле (V.12) получим /с.’ = 4,19 ккал/мй ■ ч ■ °С.

Вычисленная величина несколько больше, чем в случае, когда теплопроводность цементного камня и пород была принята равной 1 ккал/м • ч — °С (см. табл. 25) при 2Е = 0,2, г0 = 0,5.

Таким образом, увеличение теплопроводности цементного камня вызывает повышение коэффициента теплопередачи при движении жидкости в кольцевом пространстве.

Таким образом, коэффициент теплопередачи кг зависит от*тепло­физических свойств закачиваемых в скважину жидкостей и тепло­проводности цементного камня за обсадной колонной. Кроме того, величина зависит как от радиуса теплового влияния скважины, так и от погрешностей измерения температур, и для бурящейся скважины ориентировочно этот коэффициент может изменяться от 1 до 10 ккал/м’1 ■ ч • °С (см. рис. 28).

Используя известные критериальные зависимости, потрудно подсчитать, что при движении воды в кольцевом пространстве сква­жины между 299-л. н обсадной колонной и 141 — мм бурильными трубами (расход 20 л/сек) при t = 10° С коэффициент а2, = 1740 ккал/м2 • ч • °С.

Таким образом, коэффициент теплоотдачи для воды а2в значи­тельно больше, чем для глинистого раствора сс2р, значение которого выше было принято равным 15,6 ккал/м2 • ч ■ °С.

Полагая, что величина теплопроводности породы Я„ пе зависит от физических свойств циркулирующей промывочной жидкости, можно принять, что коэффициенты отдачи тепла от стенки скважины в пласт при движении воды р2в или глинистого раствора будут равны между собой, т. е.

Ин-h,—%г-р — °>°тг

Тогда выражения для коэффициента А> примут вид:

для глинистого раствора

, а2рР

/и — ■

гр а-2р + Р 1

для воды

и _ “г»р

2*“ OJ.+ P •

Соотношение между этими выражениями таково:

*2р alp«2i + a2pP

^2в а2ра2в "Г u2iP

Так как ав ар, то знаменатель больше числителя и поэтому &2р 4С ^2р-

Следовательно, при одинаковых расходах жидкости и размерах кольцевого пространства коэффициент теплопередачи кг так же, как и к и для воды всегда больше, чем для глиппстых растворов.

Этот вывод дает возможность объяснить явление более активпого снижения температуры циркулирующего глинистого раствора на забое скважины по сравнению с водой, прокачиваемой с тем же рас­ходом (см. табл. 24).

При повышении коэффициентов теплопередачи увеличивается интенсивность теплообмена циркулирующей жидкости с породами. В верхней части скважипы, где температура жидкости больше тем — нературы пород, температура жидкости понизится; в нижней же части скважины жидкость нагревается вследствие более интенсив­ного теплообмена ее с породами, имеющими температуру выше тем­пературы жидкости.

Следовательно, повышение интенсивности теплообмепа ведет к понижению устьевой и повышению забойной температур промывоч­ной жидкости, циркулирующей в бурящейся скважине. В одной и той же скважине коэффициенты теплопередачи можно заметно повысить, уменьшая вязкость жидкости п увеличивая ее расход.

Отсюда ясно, что при одних и тех же расходах жидкости увеличе­ние ее вязкости должно вызвать повышение температуры выходящей пз скважины жидкости, что и наблюдалось авторами при промысло­вых исследованиях (см. главы VIII и IX).

Рассмотрим, как будет изменяться температура па забое и устье скважины при изменении расхода жидкости.

Можно предположить, что при больших расходах жидкости температура на устье скважины будет выше, а на забое ниже, чем при малых расходах, причем при турбулентном режиме потока интенсивность пзменения температур с момента включения насосов, очевидно, будет меньше, чем при ламинарном.

Действительно, если представить себе, что жидкость в скважине прокачивается бесконечно медленно, то каждая элементарная пор­ция прокачиваемой жидкости успеет воспринять температуру пород, следовательно, на забое произойдет бесконечно малый спад темпера­туры, а на устье — ее бесконечно малое приращение.

Явлеппе роста температуры выходящего из скважины раствора при увеличении расхода (при установившемся температурном ре­жиме промывки) отмечено в главе VIII.

Однако при увеличении расхода промывочной жидкости в буря­щейся скважине одновременно повышается интенсивность тепло­обмепа вследствие увеличения коэффициентов теплопередачи. При этом температура выходящей из скважины жидкости должна

соответственно понизиться. Поэтому при увеличении расхода жид­кости температура на устье может в одних случаях повыситься, а в других понизиться.

Как было отмечено, коэффициенты теплопередачи для воды уве­личиваются с увеличением температуры, а следовательно, и глубины скважины. Точных данных об изменении теплофизпческих свойств глинистых растворов с изменением температуры нет, поэтому, по­лагая, что с увеличением температуры коэффициент теплопередачи глинистых растворов (как и воды) растет, можно сказать, что с уве­личением глубины скважины ее забой будет менее интенсивно охла­ждаться и менее интенсивно увеличиваться температура на устье.

Это приведет к тому, что вследствие увеличения интенсивности теплообмена с возрастанием глубины скважины темп роста как устьевых, так и забойных температур циркулирующей промывочной жидкости СНИЗИТСЯ.

Комментарии запрещены.