ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В РАЙОНАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ БУРЕНИЯ СКВАЖИН В РАЙОНАХ
РАСПРОСТРАНЕНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД
Ковальчук В.С., Певнева А.Г.
E-mails: vlada.1995@inbox.ru, pevnevaa@inbox.ru
Национальный Минерально-Сырьевой Университет «Горный», СанктПетербург, Россия
Бурение скважин в многолетнемерзлых породах связано с рядом
осложнений: оползни и обвалы рыхлых пород, связанные с этим прихваты
инструмента, обсадных труб; низкое качество цементирования; замерзание
промывочной жидкости в скважине, полное ее промерзание при вынужденных
остановках, снижение количества и качества керна. Основная причина этих
явлений - нарушение температурного режима скважины из-за применения
технологии бурения без учета теплообменных процессов между мерзлыми
породами и промывочным агентом в ходе его циркуляции.
Нормализация температурного режима скважины при бурении в мерзлых
породах достигается изменением физических и теплофизических свойств
очистного агента. Поэтому вычислительный эксперимент по исследованию
теплового режима скважины в различных условиях не теряет своей
актуальности.
Целью вычислительного эксперимента является определение начальной
температуры промывочного агента в условиях глубокого бурения (до 1000 м) с
изменением агрегатного состояния породы по глубине скважины. В основе
расчетов
лежит
восходящего
Отличительной
методика
определения
потоков по
особенностью
температуры
нисходящего
и
математической модели, описанной в [1].
данной
модели
является
определение
коэффициента нестационарного теплообмена Kτ, учитывающий изменение
интенсивности теплообмена между циркулирующей в скважине средой и
окружающими породами и определение и определение коэффициента
интенсификации теплообмена Kагр, для учета изменения агрегатного состояния
мерзлых пород на их теплообмен с промывочным агентом. В результате ряда
преобразований и упрощений для определения распределения температур
циркулирующего потока по глубине скважины принимаются формулы, в
которые указанные коэффициенты входят параметрически.
Т 1 = F1( h,τ , V ), Т 1 = F 2( h,τ , V ) ,
где h- глубина скважины, τ- продолжительность циркуляции, V - вектор
параметров, определяемых по эмпирическим формулам – теплофизических
характеристик среды и породы. Этот вектор имеет разные составляющие для
расчета температур Т1 и Т2.
Для определения начальной температуры принимается естественное
условие, что температура восходящего потока промывочного агента в области
агрегатного перехода пород должна изменяться очень слабо вблизи нулевого
значения. Для этого вся расчетная область по глубине скважины разделена на
три расчетных зоны: область мерзлой породы МП, область агрегатного
перехода АГРП и область талой породы ТП. Для каждой из этих областей
применяется
характеристик
отдельная
среды
последовательность
и
очистного
агента,
расчета
а
теплофизических
также
безразмерных
вспомогательных параметров, входящих в математическую модель.
На некотором уровне h0 в зоне АГРП температура восходящего потока
принимается равной нулю:
Т2 (h0,V22)=0.
Из этого условия определяется вектор параметров V22 для расчета
температур Т2н(h,V22) и Т2в(h,V22) восходящего потока на нижней и верхней
границах зоны АГРП. Полученные значения являются условиями сопряжения,
по ним определяются векторы параметров V21 и V23 для расчета распределения
температуры Т2(h,V) восходящего потока в зоне мерзлых пород МП и в зоне
талых пород ТП.
На нижней границе зоны ТП рассчитывается технологический параметр
dз, определяющий прирост температуры на забое. С учетом этого параметра
определяется условие сопряжения температур нисходящего и восходящего
потоков:
Т1(Н, V13)=T2(Н, V23)-dз.
Рассчитав необходимые параметры в векторе V13 из этого условия,
находится распределение температуры нисходящего потока Т1(h, V13) в зоне
ТП. Далее, с учетом аналогичных условий сопряжения рассчитывается
распределение температуры нисходящего потока в зоне АГРП Т1(h,V12) и в
зоне МП Т1(h,V11). Значение Т1(0,V11) на верхней границе зоны МП есть
искомое значение начальной температуры промывочного агента (табл.1).
Таблица 1
Распределение температуры бурящейся скважины по глубине.
h
t1
t2
500
1,610257
1,01642
500
1,01642
1,610257
450
0,315398
0,984032
400
-0,43678
0,251141
350
-1,18393
-0,52352
300
-1,87554
-1,28766
250
-2,45977
-1,99356
200
-2,87699
-2,59148
150
-3,05313
-3,02361
100
-2,89191
-3,21761
50
-2,26512
-3,07915
0
-1
-2,48235
Предварительные расчеты показали допустимые расхождения с данными,
полученными в различных условиях для различных уровней промерзания
породы (рис. 1). Для эффективного использования расчетной схемы построена
методика проведения вычислительного эксперимента.
График распределения
температуры
Т, °
-3,5 -3 -2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2
0
50
100
Глубина скважины, м
150
200
250
300
Нисходящий
поток
Восходящй
поток
350
400
450
500
550
Рис. 1. График распределения температуры
1) Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко В.С. Бурение скважин в условиях
изменения агрегатного состояния горных пород. – Л.: Недра, 1991. – 295 с.