Нормализация температурного режима скважин при бурении в многолетнемерзлых породах
Бурение скважин в многолетнемерзлых породах связано с целым рядом осложнений: оползни и обвалы рыхлых пород, связанные с этим прихваты инструмента и обсадных труб; снижение выхода и качества керна, происходящее в результате растепления пород за счет тепла, вносимого в скважину циркулирующим промы
вочным агентом, а также выделяющегося в процессе работы породоразрушающего инструмента; замерзание промывочной жидкости в скважине и полное ее промерзание при вынужденных остановках, затяжки и прихваты бурильных труб, прихваты и смятие колонн обсадных труб, низкое качество цементирования, происходящие в результате теплообмена промывочного агента с окружающими мерзлыми породами.
Главной причиной тех и других осложнений является нарушение температурного режима скважины, возникшее как результат применения технологии бурения без учета теплообменных процессов между мерзлыми породами и циркулирующим промывочным агентом.
Нормальным температурным режимом скважины при бурении в многолетнемерзлых породах является такой режим, при котором интенсивность теплообменных процессов между мерзлыми породами и циркулирующим промывочным агентом по всей глубине скважины в процессе ее бурения остается в допустимых пределах, не вызывающих изменения их фазового состояния.
Смысл нормализации температурного режима скважины при бурении в мерзлых породах заключается в регулировании теплообменных процессов за счет изменения физических и теплофизических свойств промывочного агента с целью предотвращения ос
ложнений, связанных как с растеплением пород и потерей их связности и устойчивости, так и с замерзанием промывочной жидкости в скважине.
Многочисленными исследованиями [16, 17, 43] установлено, что в наибольшей мере условиям бурения в многолетнемерзлых породах отвечает технология бурения с применением продувки воздухом, охлажденным до отрицательных температур. Установлено также [16], что важнейшими параметрами, характеризующими температурный режим скважины при бурении в многолетнемерзлых породах, являются значения температуры воздуха в. кольцевом пространстве у забоя и устья скважины, величина максимально допустимой температуры воздуха и необходимая температура нагнетаемого в бурильные трубы охлажденного воздуха.
На основании общих зависимостей (VII.1) и (VII.2) Б. Б. Кудряшовым были получены следующие формулы для расчета температуры воздуха, удобные для практических расчетов:
для температуры в кольцевом пространстве скважины у забоя
(VII. 17)
GCp тg
для температуры в кольцевом пространстве скважины у устья
*т“Й.-*1н) — + *ш (VII. 18)
1 |
Г
для максимально допустимой температуры воздуха, при которой не наступает потеря связности слагающих стенки скважины мерзлых пород,
<VIM9)
для необходимой температуры воздуха, нагнетаемого в бурильные трубы,
/» ■= + (ta — т1 • — ) —. (VII.20)
@ср т% / тч ri
где tn — средняя естественная температура окружающих скважину мерзлых пород, °С; остальные обозначения те же, что в формулах (VIIЛ) и (VII.2). Расчет входящих в формулы коэффициентов и других величин производится по формулам (VII.7), (VII.8), (VII.10), (VII. 11), (VII.13), (VII.15) — (VII.18).
Все приведенные формулы могут быть использованы для прогнозирования температурного режима бурящейся скважины, а также для проектирования режимов бурения с продувкой охлажденным сжатым воздухом при бурении в многолетнемерзлых породах.
Пример 2. Рассчитать необходимую температуру воздуха, нагнетаемого в скважину, при бурении в многолетнемерзлых порюдах с tn=— 5°С, а также максимально допустимую температуру воздуха.
Исходные данные: глубина бурения Я=300 м; диаметр скважины D=
=0,076 м; т=*3600 с; ^0=2,5 м*/мин; породы типа мерзлых песчаников; Ы= =2500 Вт. Бурильные трубы СБТ 50МЗ.
Решение. По прил. 12, 17, 18 находим теплофизические свойства воздуха и мерзлой горной породы. Для воздуха р= 1,317 кг/м3, ср — 1 * 103 Дж/(кг*°С); для породы — сп=2*103 (Дж/(кг*градус); Хп=2,21 Вт/(м*градус); УРп=*25%.
1. Массовый расход воздуха составит
С=2,5Х 1,317/60 = 0,055 кг/с.
2. Прирост температуры на забое за счет работы коронки, формула {УІІ.7)
2500
д<8 = — “ 2.8’ 10* X 0,0009 = 42,9° С.
0,055
3. По формулам (VII.10) и (VII.1!) находим значения коэффициентов теплоотдачи,
2 5°»8
а = 0,163 ———————————————————— = 65,4;
(0,076 + 0,05)°-8 (0,076 — 0,05)
«! = 0,163 х 2,5°’8/0,039°’8 = 4,54.
4. По формуле (VI 1.8) рассчитаем коэффициент теплопередачи
6=————— ——————— ——- —— —:——————- ———— =0,168.
1 1п 4-
4,54 X 0,039 + 2 Х 45,5 ° 0,039 + 65,4 X 0,05
5. По формуле (VII.13) рассчитываем коэффициент нестационарного теплообмена
Ш=6МХМ18 =
1, 35-10-« х 3600 „ , 65,4
Ро = ———— —————— =3,360; кт =—————————— ——- —————— =26.
0,038 1 + 1,12 /3,360
6. По формуле (VII.16) находим коэффициент интенсификации теплообмена
1 + м! ЛІгТ-»те-
7. Рассчитаем сокращающие обозначения л и Гг, входящие в формулу (VI 1.20):
3,14 /1,003 X 26 X 0,076
Гх’ Гг~ 0,055-103 2 ±
, //1,003 X 26 х 0,0762
±1/ (—————————————- ) + 1,003 x 0,168 x 26 x 0,076];
ги г3 = 0,057(0,99 ± 1,14); ^ = 0,121; га = —0,0085.
8. По формуле (VII.19) получаем максимально допустимую температуру
26 х (—5)
9. По формуле (УП.20) рассчитаем необходимую температуру воздуха, нагнетаемого в бурильные трубы при бурении по мерзлым породам, для предот* вращения растепления стенок скважины
( 0.168 X 3,14 42,9 ^ 0.121 X е“0*0085х30°
^1н = —5+^ —5— 0 055 х 110з X _о, оо85) —0,0085 — 0,121 =
= — 8,3° С.