книги / Теплопередача в скважинах

Б. Б. Кудряшовым для условной скважины при следующих исходных данных: Do = 0,25 м; Н = 3000 м; dx = 0,123 м; d2 = 0,141 м;

стым раствором в течение 2 ч разновременно при производительности буровых растворов 20 и 40 л/с. Приведенные в табл. 10 исходные расчетные данные показывают, что с увеличением вдвое производи­ тельности буровых насосов коэффициент теплопередачи между во­ сходящим и нисходящим потоками увеличился в 1,6 раза. Изменение темпа промывки существенно повлияло и на другие характеристики тепломассообмена.

Обращает на себя внимание тот факт, что влияние диссипации энергии за счет механической работы долота, характеризующееся величиной Лгг, для случая промывки скважины жидкостью ничтожно мало. Однако в случае продувки скважины воздухом или газом с малой теплоемкостью и удельным весом роль этого фактора может оказаться существенной и величина Д/г может возрасти до десятков градусов.

Вычисленные значения температуры в кольцевом (t 2) и трубном (^х) пространствах (табл. 11) убеждают, что превышение максималь­ ной динамической температуры над динамической призабойной температурой незначительно и определено лишь точными измере­ ниями. В то же время максимальный перепад температуры между восходящим и нисходящим потоками, приуроченный к средней части ствола скважины (глубина 1000—2000 м), достигает в при­ веденном случае 6—6,5° С. В реальных условиях величина указан­ ного перепада может оказаться еще больше.

В табл. 12 приведены результаты расчетов устьевой и забойной температур в кольцевом пространстве в зависимости от продолжи­ тельности промывки. При псевдостационарном теплообмене эта зависимость определяется, главным образом, коэффициентом неста­ ционарного теплообмена К х, который сам является функцией времени.

Если считать процесс теплообмена нестационарным, то зависи­ мость температуры от длительности циркуляции оказывается более существенной, чем в случае псевдостационарного теплообмена. Изменение температуры особенно интенсивно для приведенной сква­ жины в течение первых двух часов. Через три-четыре часа циркуля­ ции темп изменения температуры стабилизируется и для устья становится едва заметным.

Заметим, что даже весьма условные расчеты применительно к упрощенной физической модели бурящейся скважины приводят к важному выводу: роль темпа циркуляции в теплообмене велика, но значительно меньше в перераспределении температуры вдоль стволя бурящейся скважины.

Приведенные расчеты показывают, что на теплообмен и распре­ деление температуры в стволе бурящейся скважины большое влияние оказывают такие параметры, как диаметр скважины и бурильных труб, наличие обсадных колонн, продолжительность циркуляции, длительность спуско-подъемных операций, расход бурового рас­ твора, теплофизические свойства окружающих ствол скважины горных пород и промывочной жидкости. Оценить расчетными мето-

8 2

дами влияние каждого из указанных факторов на распределение температуры в бурящейся скважине трудно по причине их связи не только с‘величиной температуры, но и с величинами характеристик теплообмена. Поэтому оценим их роль по данным промысловых

исследований, предварительно рассмотрев общие закономерности, полученные при комплексных измерениях температуры в бурящихся скважинах.

при температуре окружающего воздуха 24—27° С. Промывку осу­ ществляли через 146-мм колонну бурильных труб естественным глинистым раствором, имевшим следующие показатели; удельный вес 1230—1250 кгс/м3; условная вязкость по СПВ-5 25—30 с;

водоотдача на ВМ-6 за 30 мин 6—8 см3; содержание леска —7 %; пре­ дельное статическое напряжение сдвига через 1 мин 30—40 мгс/см2, через 10 мин 90—120 мгс/см2. Производительность буровых насосов

температур циркулирующего бурового раствора показали, что опи­ санные теоретические зависимости отражают в общих чертах истин­

системе по сравнению с объемом скважины.

Отметим тот факт, что при значительной длине поверхностной циркуляционной системы, оснащенной очистными устройствами (виброситами, конвейерами, отстойниками), потери тепла в ней заметны. Так, при промывке скважины на глубине 3600 м разность между стабилизировавшимися устьевыми температурами в восходя­ щем и нисходящем потоках достигала 10—12° С, несмотря на то, что исследования проводили летом. Можно предположить, что в зим­ ний период потери тепла могут быть большими.

Изменение забойной температуры в процессе промывки скважины (см. рис. 33) характеризуется тремя периодами: 1) интенсивное сни­

84

жение температуры, соответствующее времени первого полуцикла циркуляции; 2) переходный период, соответствующий времени второго полуцикла циркуляции; 3) стабилизация забойной темпера­ туры, наступающая в течение второго цикла циркуляции. Период между восстановлением циркуляции и стабилизацией забойной температуры зависит в основном от производительности буровых насосов и от объемов циркуляционной системы на поверхности.

Охлаждение забоя при достаточно интенсивной промывке сква­ жины глинистым раствором значительно и в данном эксперименте достигало 40% по отношению к естественной температуре пород. Это обстоятельство следует учитывать при проектировании режимов бурения, выборе погружного оборудования и двигателей, подбора рецептур буровых и тампонирующих растворов.

На рис. 34 приведены графики изменения температуры пластов, температуры на забое в процессе промывки, температуры восходя­ щего и нисходящего потоков глинистого раствора на устье в зависи­ мости от глубины скважины. С ростом глубины скважины темпера­ тура циркулирующего раствора на забое и температура восходящего и нисходящего потоков на устье увеличиваются. Приближенно закон изменения температуры с глубиной можно выразить прямо­ линейной зависимостью вида

Т (Ji) = CL-j- Ь Н у

где a — температура горных пород на глубине 150—200 м; b — угло­ вой коэффициент; h — текущая глубина.

Однако угловые коэффициенты для линий 2, 3 и 4 различны, что вполне соответствует физической сущности процесса теплопередачи в скважине. С углублением ствола повышается температура пластов, а следовательно, и температура циркулирующего раствора на забое и устье. В результате роста температуры теплоносителя и увеличения температурного перепада между ним, горными породами и воздухом процесс теплообмена между буровым раствором и окружающими ствол скважины горными породами, равно как и между глинистым раствором и окружающим воздухом на поверхности (в мерниках и желобной системе), интенсифицируется. По этой причине рост температуры циркулирующего раствора на устье. с углублением скважины при прочих равных условиях отстает от роста темпера­ туры на забое. Прямолинейность графиков нарушается в интервале глубин от 0 до 500 м, вероятно, в результате влияния температуры воздуха и наличия кондуктора.

Распределение стабилизированной температуры вдоль оси полости бурильной колонны (рис. 35) приближенно подчиняется закону пря­ мой, которая расположена значительно круче линии стационарной температуры и пересекает ее так, что ниже точки пересечения тем-* пература раствора значительно ниже температуры пластов, а выше точки пересечения — значительно превышает стационарную темпе­ ратуру.

8Г>

С увеличением глубины скважины график, характеризующий температуру нисходящего потока бурового раствора, как бы пере­ мещается вправо параллельно самому себе. Значит, для скважин, находящихся в одинаковых условиях, но имеющих различную глубину;, температура циркулирующего раствора на одной и той же глубине* будет различной. Эта разница тем больше, чем больше глубина скважины, причем количественно она приблизительно равна разности устьевой температуры циркулирующего раствора.

скорость течения теплоносителя. Специфичность скважины как теплообменного аппарата состоит в том, что интенсификация пере­ носа массы вещества не всегда приводит к перераспределению тем­ пературы внутри скважины. Подтверждением этого могут служить результаты исследований, проведенных в скв. 12-РХС.

Скв. 12-РХС была подвергнута исследованию в процессе бурения 243-мм долотом при глубине забоя 3000 м (ствол не обсажен колонной в интервале 500—3000 м, до глубины 500 м спущен и зацементиро­ ван кондуктор). После спуска 141-мм бурильных труб до глубины 995 м провели термокаротаж малоинерционным термометром (кри-

£6

вал А Б на рис. 36), затем восстановили циркуляцию и промывали* скважины в течение 25 мин при расходе глинистого раствора 30 л/с Ч Сразу после окончания промывки зарегистрировали изменение тем­ пературы в бурильной колонне в зависимости от глубины (кривая 1 на рис. 36). После извлечения термометра на поверхность вновь восстановили циркуляцию и промывали скважину глинистым раство­ ром в течение 25 мин при расходе промывочной жидкости 50 л/с. Прекратив циркуляцию, осуществили запись термограммы в буриль­ ных трубах, уменьшенная копия которой представлена кривой 2' на рис. 36.

Операции, аналогичные описанным выше, были проведены при длине колонны бурильных труб 2000 и 3000 м. Режим промывки был следующим: на глубине 2000 м в течение 45 мин при расходе 30 л/с с последующей регистрацией температуры (кривая 3 на рис. 36) и затем в течение 35 мин с расходом 50 л/с (термограмма 4 на рис. 36);. на глубине 3000 м при расходах 30 и 50 л/с в течение 50 и 40 мин соответственно (термограммы 5 и б на рис. 36).

Температурные условия внутри колонны бурильных труб перед восстановлением циркуляции на глубинах 2000 и 3000 м характери­ зуются кривыми ВГ и Д Е .

Описанный эксперимент показал, что изменение расхода глини­ стого раствора с 30 до 50 л/с существенно не отразилось на дина­ мической забойной температуре в скв. 12-РХС. Сравнение факти­ ческих данных с аналитическими зависимостями убеждает, что кажущееся несоответствие вполне объяснимо. Действительно с уве­ личением производительности происходит более интенсивный массообмен между забоем и устьем, что способствует снижению темпера­ туры на забое и повышению ее на устье. Одновременно интенсифи­ цируется конвективный теплообмен между потоками бурового раствора и горными породами, проявлением которого служит умень­ шение разности температур между циркулирующей в скважине жидкостью и массивом горных пород. Оба явления взаимодействуют таким образом, что с точки зрения перераспределения температуры в стволе скважины при определенных условиях компенсируют друг друга. Подобные обстоятельства наблюдаются при определенных соотношениях производительности, физических свойств бурового раствора, геометрических размеров скважины и свойств горных пород, слагающих вскрываемый разрез.

Как отмечают некоторые исследователи, в общем случае при увеличении производительности наблюдается некоторое дополни­ тельное снижение температуры на забое и увеличение на устье. Так, в скв. 169 Карабаглы при расходе глинистого раствора 10 л/с была определена стабилизированная температура на устье. Затем производительность буровых насосов увеличили до 20 л/с, и при этом наблюдали дополнительное приращение устьевой температуры

1 Параметры раствора: удельный вес 1240 кгс/м3, условная вязкость по СПВ-5 28—30 с, статическое напряжение сдвига 28/72 мгс/см12.

87

выходящего из скважины раствора на 2,5° С. Дальнейшее увеличение темпа промывки до 40 л/с привело к дополнительному повышению

Такйм образом, увеличение скорости течения бурового раствора в скважине интенсифицирует теплообменные процессы и способствует некоторому (порою незначительному) снижению забойной и повыше­ нию устьевой температур.

Не последнюю роль в перераспределении температуры в буря­ щейся скважине играют физические свойства бурового раствора.

изменения концентраций твердой фазы, что способствует увеличению вязкости раствора. В то же время указанные параметры могут оказывать противоположное влияние на интенсивность теплопере­ дачи в бурящейся скважине.

Так, увеличение плотности бурового раствора неизбежно влечет за собой снижение его теплоемкости. Из пропорциональной связи вида

Кп Дг dh GC

88

следует, что темп роста температуры в нисходящем потоке тем выше, чем ниже теплоемкость раствора. Последняя, как известно, может изменяться в довольно широких пределах.

С другой стороны, обусловленное утяжелением бурового раствора увеличение его вязкости ведет к снижению турбулентности потока и интенсивности конвективного теплообмена. Поэтому, при прочих равных условиях, с повышением вязкости бурового раствора следует ожидать возрастания устьевой и снижения забойной температур.

В то же время повышение плотности и вязкости бурового раствора является прежде всего результатом увеличения концентрации твер­ дой фазы. Известно, что с увеличением концентрации твердой фазы отвод тепла от омываемой поверхности интенсифицируется в резуль­ тате роста коэффициента теплоотдачи. Поэтому увеличение кон­ центрации твердой фазы должно способствовать повышению забой­ ной динамической температуры.

Обобщением термометрических измерений в скважинах место­ рождения Карабаглы (рис. 37) установлено, что с увеличением условной вязкости глинистого раствора устьевая температура цир­ кулирующего раствора повышается [93]. Нет сомнения, что при этом забойная температура понижается.

Вскв. 23-РХС, пробуренной 214-мм долотом до глубины 3400 м

иобсаженной 140-мм колонной, были проведены исследования повыявлению влияния физических свойств промывочной жидкости,, способа и темпа промывки на температурные условия в призабойной: зоне скважины (рис. 38). С этой целью до глубины 3363 м в скважину спустили колонну насосно-компрессорных труб, обсадную колонну заполнили водой и через 10 сут покоя промывали скважину водой

методом прямой циркуляции при расходе 12 л/с в течение 4 ч. В этот период температура на глубине 3363 м понизилась на 5,2% (с 133,5* до 126° С).

Через сутки, убедившись в сравнительно полном восстановлении стационарной температуры, восстановили обратную циркуляцию

Т а б л и ц а 13 Результаты измерения температуры в бурящихся скважинах

89

и промыли скважину водой при расходе 14 л/с. Термометр зареги­ стрировал понижение температуры на 4,5% (с 133,5 до 127° С).

Спустя еще сутки, скважину вновь промыли при прямой цирку­ ляции водой при расходе 6 л/с, после чего в скважине заменили воду глинистым раствором с удельным весом 1160 кгс/м3 и условной вязкостью 25 с. В результате последней промывки водой температура понизилась на 3% (с 134 до 130° С).

4ejie3 несколько дней скважину вновь промыли, но уже не водой, а глинистым раствором с указанными выше параметрами при расходе раствора 6 л/с. При этом изменение температуры на глубине 3363 м составило 9% (с 134 до 122° С).

Сравнивая прямой и обратный способы циркуляции, устанавли­ ваем, что для целей охлаждения забоя более рационален способ прямой промывки: несмотря на меньший расход жидкости, охлажде­ ние забоя при прямой циркуляции не хуже, чем при обратной.

Наибольшие изменения температуры на забое отмечены при промывке скважины глинистым раствором. Оказывается, что даже незначительное увеличение вязкости промывочной жидкости при­ водит к значительным изменениям интенсивности теплообмена с омы­ ваемой поверхностью. В описанном эксперименте охлаждение забоя при промывке глинистым раствором втрое больше, чем при промывке водой, и на 40% больше, чем при промывке водой с удвоенным рас­ ходом.

По свидетельству Раймонда [217] градиент динамической темпера­ туры в бурящейся скважине больше при промывке растворами на неф­ тяной основе, чем обычными глинистыми растворами на водной основе.

Исследования, проведенные в скважинах Краснодарского края, примерно одинаковых по глубине, конструкции и геотермической характеристике разреза горных пород (табл. 13) подтвердили роль вязкости бурового раствора в теплообмене бурящейся скважины. Сравнивая данные по скв. 1 Платнировская и 6 Юбилейная, убе­ ждаемся, что при сравнимых удельных весах бурового раствора снижение забойной температуры более существенное в скв. 6 Юби­ лейная, в которой условная вязкость бурового раствора больше 460 против 45 с).

Растворы с большей плотностью имеют меньшую теплоемкость, поэтому снижение температуры в скв. 6 Юбилейная больше, чем в скв. 1000 Глубокий Яр, а в скв. 2 Мирская — больше, чем скв. 1 Платнировская.

Таким образом, охлаждение призабойной зоны скважины более эффективно при промывке высоковязкими растворами с малыми вели­ чинами плотности и концентрации твердой фазы. Это является до­ полнительным резервом при оптимизации ряда технологических операций (цементирование, установка цементных мостов, охлаждение забоя перед перфорацией).

Следовательно, используя промывочные жидкости с различными физическими свойствами, можно достичь разной степени охлаждения забоя скважины без дополнительных энергетических затрат.

50