книги / Теплопередача в скважинах

Вулканы л реликтовые температуры магматических излияний. Существенные нарушения нормального температурного поля массива горных пород возникают в районах современной вулканической дея­ тельности. Вулканические извержения выносят из Земли (3 -г- 20) X X 1024 эрг/год тепла, что составляет в масштабе всей Земли около 2% величины кондуктивных потерь тепла [137]. Расчеты показывают, что прогревающее влияние промежуточной магматической камеры Авачинского вулкана на Камчатке только за счет теплопроводности сказывается в радиусе 25 км. Конвективная составляющая фонового теплового потока на Камчатке также выше средней величины.

Температурные аномалии формируются не только непосредственно у вулканического очага под влиянием изливающейся магмы, но и на значительном расстоянии от него. При этом большую роль играют подземные воды, переносящие тепло от очага к породам. Коли­ чество тепла, переносимое подземными водами от магматического очага, может оказаться в десятки и сотни раз больше теплового потока, обусловленного молекулярной теплопроводностью.

В нормальное геотемпературное поле могут внести некоторые искажения реликтовые температуры, обусловленные глубинными излияниями в начале четвертичного времени. Что касается влияния магматической деятельности в дочетвертичный период, то расчеты показали [134], что ими можно пренебречь.

Необходимо заметить, что наряду с высокими аномалиями в тер­ мическом поле вблизи вулканических очагов площадь их развития обычно незначительная.

Физико-химические глубинные процессы. Температурные анома­ лии могут возникнуть также в разрезах, где в породах происходят различные физико-химические процессы с выделением и поглощением тепла (подземное горение газа или угля, окисление рудных залежей, растворение соляных осадков в воде и т. д.). Аномалии геотемпературного поля, связанные с экзогенными глубинными процессами, обычно крайне локальны и захватывают небольшие площади и объ­ емы горных пород. На значительно больших площадях могут рас­ пространяться слабые экзогенные процессы, обусловленные жизне­ деятельностью анаэробных бактерий, восстанавливающих сульфаты в подземных водах. Восстановление сульфатов с образованием серо­ водорода под влиянием некоторых бактерий происходит за счет окисления молекулярного водорода или органических веществ кисло­ родом сульфатов. Именно поэтому в ряде водоносных горизонтов наблюдают постепенный переход сульфатных вод в бессульфатные сероводородные воды.

Расчеты показывают, что тепло, генерируемое при восстановле­ нии сульфатов в подземных водах, составляет ничтожно малую долю от общего теплового потока Земли. Когда процесс восстановления сульфатов происходит на малых расстояниях циркуляции подземных вод, тепловые аномалии могут оказаться заметными.

Некоторое влияние на термический режим горных пород могут оказать другие геологические факторы (например, современные

31

тектонические перемещения). Однако их роль в формировании стацио­ нарной температуры ничтожно мала [134].

Таким образом, геологические факторы оказывают существенное влияние на распределение температуры в стволе скважины.

§ 3. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Тепловые потоки, наблюдаемые у земной поверхности, являются суммарным проявлением многих источников тепловой энергии и,

впервую очередь, солнца и глубинных радиоактивных веществ.

Втермическом режиме поверхностных слоев земной коры глав­ ную роль играет солнечная радиация, в то время как температурное состояние глубинных слоев определяется, главным образом, количе­ ством тепловой энергии, выделяющейся при естественных радиоактив­ ных превращениях.

Поток тепловой энергии, идущий из земных недр, в несколько тысяч раз меньше энергии, получаемой Землей от Солнца. Являясь таким мощным источником тепла, Солнце принимает весьма активное участие в формировании геотемпературного поля земной коры.

Количество тепла, получаемое от Солнца земной поверхностью, определяется ее географическим положением, интенсивностью сол­ нечной радиации и величиной альбедо. Последнее зависит от рельефа

местности, растительного и снежного покрова, соотношения суши и воды, воздушных и водных течений и т. д.

Климатические условия разных частей земного шара различные. В силу этого температура поверхности Земли, являясь мерой погло­ щаемой солнечной энергии, существенно изменяется в направлении от экватора к полюсам. Так, среднегодовая температура у поверх­ ности Земли в районе г. Верхоянска составляет (—16)° С, в г. Ново­ сибирске она достигает 0° С, а в г. Сочи ее величина соответствует +14,5е С. Вблизи экватора (г. Калькутта) среднегодовая темпера­ тура составляет +26° С. Очевидно, что температура пласта, залега­ ющего на одной и той же глубине, но в разных районах земного шара, не останется постоянной, если земная кора представляет собой изотропный слой равной мощности, пронизываемый одинаковым тепловым потоком. Неоднородность в данном случае вносится разной среднегодовой температурой участков земной поверхности, причем различие это весьма заметное, чтобы им можно было пренебречь при рассмотрении температуры даже сверхглубокой скважины.

Представим идеализированный случай распределения темпера­ туры в земной коре (рис. 7). Будем считать, что рассматриваемая среда изотропна и глубинный источник тепла с постоянной темпера­ турой То сосредоточен на определенной глубине. При этом возможны два варианта: первый — глубинный источник тепла меняет глубину в зависимости от географического положения района (точки А и В на глубине Н х и Н 2)т, второй — глубина положения источника тепла остается постоянной (точка А или точка В). Отметим, что наиболее вероятен второй случай, причем в районах с низкой среднегодовой

32

температурой поверхности Земли глубину положения источника тепла с температурой Т о разумно считать наибольшей.

Как видно из приведенной схемы, заметная разность температур, обусловленная климатическими условиями, может сохраниться и на большой глубине (в отличие от кратковременных сезонных колебаний температуры, затухающих вблизи поверхности Земли).

Заметим, что климат влияет активно на распределение динамиче­ ской температуры в стволе скважины через промывочную жидкость, так как температура и физические свойства жидкости зависят от температуры дневной поверхности.

Вприбрежной зоне материка тепловые поля осложнены нали­ чием водных бассейнов, в которых наблюдаются сильные термокон­ вективные потоки и региональ­ ные течения с огромным теплопереносом. Некоторое искажение наблюдается вблизи рек и озер, особенно при наличии вертикаль­ ной нисходящей фильтрации воды.

Вгорных районах некоторое влияние на геотермический гра­ диент оказывает рельеф местности. Так, под дном долин геотермиче­ ский градиент в три раза может превышать нормальный, причем

влияние рельефа ощущается до глубин, значительно превыша­ ющих величину эрозионного сре­ за [135].

В последние годы наблюдает­ ся тенденция к бурению скважин

на морях. Наряду с технологическими особенностями проходки морские и океанические скважины имеют иную геотермическую ха­ рактеристику. Среднегодовая температура у дна моря близка к 4° С и практически не подвержена сезонным колебаниям. Более того, она остается примерно одинаковой для любых районов земного шара, независимо от среднегодовой температуры воздуха. Поэтому водное покрытие поверхности Земли накладывает своеобразный отпечаток на распределение температуры в верхних участках земной коры: в северных районах этот фактор вызывает положительную, а в юж­ ных районах — отрицательную аномалию температуры.

Особо следует подчеркнуть роль зоны вечной мерзлоты в форми­ ровании температурных условий в скважине.

До последнего времени считалось, что зона вечномерзлых пород распространена на небольшую глубину даже в районах Крайнего Севера. Однако в связи с интенсивной разведкой богатейших нефтегазовых месторождений Сибири, Заполярья СССР и Аляски

установлено, что мощность вечномерзлых пород достигает сотен метров (250—600 м). Так, в скважинах газового месторождения Уренгой (рис. 8) на глубине 450 м температура горных пород около 0° С и только на глубине 800 м повышается до 17° (^(заметим для сравне­

Стационарное температурное поле скважины может быть нару п его под влиянием различных технологических операций. В процессе

бурения, промывки, спуско-подъемных операций, фонтанирования нефти и газа, нагнетания воды и пара в пласт происходит перерас­ пределение температуры вдоль ствола в результате переноса массы и теплообмена внутри системы. Определенную роль при этом играют вертикальные тепловые потоки, локализованные в теле обсадных колонн, конвективный перенос тепла в жидкости, заполняющей скважину, и местные источники и стоки тепла в виде электрических нагревателей, цементного раствора, хладагентов и т. д.

Бурение и промывка. Во время бурения и промывок циркули­ рующая промывочная жидкость в значительной мере возмущает

2) спуско-подъемные операции, осуще­ ствляемые при отсутствии промывки скважины буровым раствором.

По мере углубления скважины температура горных пород растет, поэтому с глубиной увеличивается температура циркулирующего бурового раствора. Однако градиенты динамической и статической температур (рис. 9) существенно отличаются друг от друга. График распределения температуры в бурящейся скважине круче относи­ тельно оси температур, чем геотерма. Перепад температуры на забое и устье между динамической и статической температурами может достигать в глубоких скважинах десятков градусов.

Впроцессе разрушения горных пород выделяется тепло, которое

вопределенной мере нагревает призабойную зону скважины и харак­ теризуется на приведенной термограмме некоторой аномалией забой­ ной динамической температуры. Вследствие медленного распростра­ нения тепла в горных породах и малой поверхности их охлаждения

на забое циркулирующим буровым раствором, аномалия динамиче ской температуры на забое может сохраняться длительное врем) после прекращения процесса бурения.

В период спуско-подъемных операций, необходимых для замень отработавшего долота или забойного двигателя, циркуляция буро Borcf раствора отсутствует и температура в стволе скважины начинает восстанавливаться, стремясь к уровню стационарной. Чем длитель­ нее ^процесс спуско-подъема бурового инструмента, тем меньше ста­ новится перепад температуры между стволом скважины и окружа­ ющими горными породами. Особенно быстрое восстановление стацио­ нарной температуры в скважине наблюдается вскоре после прекра­

148], колебания динамической температуры на забое и устье сква­ жины глубиной 3500 м, пробуренной в условиях Северного Кавказа, могут достичь 50—70° С.

Крепление скважин. На заключительном этапе сооружения скважины осуществляют ее крепление обсадными трубами и тампо­ нирующим материалом для обеспечения нормальной эксплуатации.

Спуск колонны обсадных труб в скважину, как правило, сопро­ вождается множеством промежуточных промывок, приводящих к ис­ кажению стационарного температурного поля окружающих ствол горных пород. Более того, обсадные трубы с определенной сравни­ тельно низкой температурой, попадая в скважину, выполняют замет­ ную роль поглотителя тепловой энергии.

В процессе цементирования глубокой скважины в нее закачивают большие объемы сравнительно холодного цементного раствора, вызы­ вающего дополнительное охлаждение ствола. Измерения в скважи­ нах показали, что закачка цементного раствора приводит к дополни­ тельному заметному снижению температуры на забое по сравнению

30

собычной замкнутой промывкой прогретым глинистым раствором.

Впериод ожидания твердения цемента (ОЗЦ) динамика изменения температуры в незацементированном участке ствола аналогична про­ цессу, происходящему после прекращения циркуляции в бурящейся скважине. В зацементированном участке процесс изменения темпе­ ратуры существенно усложняется из-за наличия в кольцевом про­

странстве тампонирующего материала, обладающего способностью к тепловыделению при гидратации. Это явление может существенно

сгидратацией цемента, сохраняются

вскважине длительное время (де­ сятки часов). Продолжительность

нием скважины, приводят к значительным изменениям стационарного температурного ноля скважины.

Процесс эксплуатации. В зависимости от назначения скважины целью эксплуатации может быть извлечение пластового флюида на дневную поверхность или нагнетание рабочего агента в пласт.

Распределение температуры по стволу эксплуатирующейся сква­ жины обусловлено переносом тепла агентом при движении его от забоя к устью (или от устья к забою) и зависит в основном от произ­ водительности скважины, ее конструкции, физического состояния агента, депрессии на пласт, литологической характеристики разреза.

37.

увеличения глубины в осевом направлении скважины могут возник­ нуть конвективные токи за счет разности плотностей заполня­ ющего ствол агента. В резуль­ тате осевой конвекции проис­ ходит процесс выравнивания температуры вдоль ствола сква­ жины и искажение значений геотермического градиента. Ис­ кажение стационарного темпе­ ратурного поля конвекцией про­ порционально величине геотер­ мического градиента.

Наибольшие искажения ста­ ционарных полей за счет кон­ векции наблюдаются в скважи­ нах, заполненных газом и воз­ духом (рис. 13). Конвективные потоки тепла сильно уменьша­ ются, если скважина запол­

нена водой и особенно глинистым раствором, имеющим высо­ кую плотность и вязкость. Практикой установлено, что при исследо­ вании глубоких скважин, заполненных жидкостью, конвекция не вносит существенных искажений в стационарное температурное

38

Г Л А В А III

СТАЦИОНАРНОЕ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ В ПРОСТАИВАЮЩИХ СКВАЖИНАХ

Стационарное температурное поле скважины определяется гео­ термическими условиями земной коры, а последние зависят, прежде всего, от теплового состояния Земли в целом и степени ее теплового взаимодействия с Солнцем.

Одной из основных величин, непосредственно характеризующих тепловое состояние земного шара, является градиент температуры в верхних слоях гелиотермозоны, с помощью которого можно при­ ближенно оценить распределение температуры в земной коре. Од­ нако при этом имеется в виду только распределение температуры в земной коре в данную эпоху, но не ее тепловой режим в течение длительного времени.

§1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ОТЕПЛОВОЙ ИСТОРИИ ЗЕМЛИ

Земля, как и любое другое тело в мировом пространстве, в любой момент времени имеет вполне определенное тепловое состояние, мерой которого является температура. В природе непрерывно проис­ ходят такие процессы, что температура Земли, строго говоря, с тече­ нием времени изменяется. Это положение отражено в различных гипотезах происхождения и развития Земли.

В период господства гипотез, предполагавших первоначально расплавленное состояние Земли, рассматривался вопрос о ее остыва­ нии. При этом оказалось, что остывание Земного шара должно было происходить слишком быстро, а оцененный возраст Земли оказался намного меньше геологического. Такое противоречие не могли раз­ решить до тех пор, пока не были открыты внутренние источники тепла Земли. В 1906 г. Стретт путем измерений установил наличке радия во всех горных породах и показал, что глубинное радиогенное тепло является достаточно мощным, чтобы замедлить остывание Земли.

Из гипотезы о постоянном охлаждении Земли вытекало, что ра­ диоактивные элементы сосредоточены только в поверхностном тонком слое земной коры. Но современными исследованиями установлено,

40