Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова

(технический университет)

Кафедра бс курсовой проект

Гидроаэромеханика при бурении

по дисциплине __________________________________________________________

________________________________________________________________________

^{(наименование учебной дисциплины согласно учебному плану)}

Пояснительная записка

Особенности расчета температурного режима скважины в процессе бурения в мерзлых породах

Тема:

________________________________________________________________________

________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________

НБ-08

Хисамутдинов Р.Д .

Автор: студент гр. _____ ____________________ /________________/

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

ОЦЕНКА: _____________

Дата: ___________________

ПРОВЕРИЛ

доц.

Блинов П.А.

Руководитель работы _________ ______________ / ___________/

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2010

Аннотация

Выполнение курсовой работы основывается на особенностях расчета температурного режима скважины в процессе бурения в многолетнемерзлых породах. Она показывает последовательность решения задач для расчета температурного режима.

Объем пояснительной записки включает27 страниц, присутствуют 47 формул и 2 рисунка.

The summary

The execution of this work is based on a certain task, temperature regime of the bore-holes in action of the drill in the many years rocks. The work contains calculations, required for constructing a bore-hole and choosing special equipment and tools.

The course paper consists of 25 pages, 47 formules, 2 pictures.

Содержание Введение

Курсовой проект выполняется по дисциплине “Гидоаэромехоника в бурении ”.

Цель курсовой работы – изучение вопроса об особенностях расчета температурного режима скважины в процессе бурения в мерзлых породах.

Задача работы является определение важнейших факторов входящих в температурный процесс бурящейся скважины и показать влияние их на стенки скважины при бурении в многолетнемерзлых породах.

Под температурным режимом бурящейся скважины понимают распределение температуры циркулирующей промывочной среды во внутреннем канале бурильной колонны и в кольцевом канале, зависящее от большого числа разнородных по своему действию факторов.

Температурный режим один из главных факторов, который надо учитывать при бурении по многолетнемерзлым породам. От расчета температурного режима зависит выбор всех компонентов бурения, включая выбор способа бурения и выбор промывочной жидкости.

1. Влияние физико-химических процессов на устойчивость стенок скважин.

Отдельные вопросы воздействия минерализованных хлористым натрием воды и глинистого раствора на лед показал, что при концентрации NаСl выше 5 % происходит интенсивное разрушение льда, связываю­щего минеральные частицы породы. На скорость разрушения льда существенно влияет разница между температурами промы­вочной жидкости в начале замерзания и жидкости, циркулирую­щей в кольцевом пространстве между стенками скважины и бу­рильными трубами. Чем меньше перепад этих температур, тем меньше возможное разрушение льда. Реакция взаимодействия льда с промывочной жидкостью в скважинных условиях проте­кает на поверхности раздела фаз твердое тело — жидкость, по­этому происходящие процессы определяются состоянием жидкой фазы и размерами омываемых поверхностей льда. В условиях циркуляции жидкости по скважине лед будет разрушаться более интенсивно, чем в статических условиях при прекращении цир­куляции.

Однако кинетика разрушения льда и мерзлой породы весьма сложна и мало изучена. Разработка ее теории представляет боль­шой интерес. В мерзлых породах различают три вида криоген­ной текстуры: массивную, в которой кристаллы льда заполняют поровое пространство (рис.1, а), слоистую, где лед в виде ориентированных в одном направлении линз и прослойков участ­вует в формировании мерзлого грунта (рис.1, б), и сетчатую (рис.1, в). Для скальных пород характерно заполнение льдом трещин (примером этого может служить жильный лед).

Рис. 1. Текстура мерзлых пород: 1- минеральная составляющая породы; 2- лед.

Циркулирующая по скважине промывочная жидкость взаимодействует как с породой, так и со льдом, поскольку химические процессы не прекращаются даже при отрицательных темпера­турах.

В настоящее время доказано наличие осмотических явлений, протекающих в контактирующих парах: порода (лед) - жидкость и триадах: порода (лед) - пленка (корка) на породе - жидкость. Это явление представляет собой одну из общих тенденций есте­ственных процессов самопроизвольного выравнивания темпера­туры, давлений, концентраций и т. д.

В системе порода (лед) - жидкость роль полупроницаемой перегородки может выполнять тонкий пристенный слой той же породы, контактирующей с водой. В составе, как мерзлой породы, так и льда может находиться незамерзающая поровая жидкость с различной степенью минерализации с_м.

Количество незамерзающей воды в мерзлой породе зависит от температуры, вещественного состава, засоленности и может быть рассчитано по эмпирической формуле:

, (1.1)

где - содержание незамерзающей воды, % от массы образца породы; а и b - коэффициенты, зависящие от состава пород (lnа = 0,5519lnS + 0,2618 и ln (-b) =0,2645 + 0,3711; S - удель­ная поверхность породы, м²/г); T - температура пород, °С.

Тонкодисперсные мерзлые глины могут содержать незамерзшую воду даже при температуре -100 °С. При наличии в стволе скважины промывочной, а в мерзлой породе (льде) поровой жид­кости с определенной степенью минерализации наступает процесс самопроизвольного выравнивания концентраций под действием осмотического давления. В результате этого может произойти или некоторая стабилизация пород в стенках скважины, или их разрушение.

Если степень минерализации раствора с_р и поровой жидкости в мерзлой породе с_м равны, то система будет находиться в изо­тоническом равновесии. При прочих равных условиях разрушение мерзлой породы не будет происходить. В условиях равной сте­пени минерализации раствора и льда (с_р = с_л) последний может длительное время сохраняться в растворе при неизменности ос­тальных факторов, в частности температуры. Если промывочная жидкость будет иметь повышенное содержание какой-либо рас­творенной соли, то на границе лед - жидкость начнут происхо­дить фазовые изменения, связанные с понижением температуры плавления льда, и наступит процесс его разрушения. В связи с тем, что обеспечение устойчивости мерзлой породы в стенках скважины в основном зависит ото льда - цемента, свойства про­мывочной жидкости должны быть направлены на его стабилиза­цию. Промывочная жидкость должна быть инертной по отноше­нию ко льду (мерзлой породе) или обладать повышенными гид­рофобными свойствами.

С ростом степени минерализации промывочной жидкости, т. е. при с_р>с_м, появляются условия, при которых поровая жидкость будет перемещаться из породы в скважину. При потере иммоби­лизованной жидкости механическая прочность льда будет сни­жена. Разрушение в пристенной зоне льда - цемента может при­вести к кавернообразованию. Этот процесс, в свою очередь, уси­ливается эрозионным воздействием на пласт циркулирующей по скважине жидкости.

Скорость разрушения льда растет с по­вышением содержания NаСl в жидкости. При содержании в воде 25 и 106 кг/м³ NаС1 скорость разрушения льда при температуре -1 °С составляла соответственно 0,0163 и 0,0882 кг/ч. Поэтому необхо­димо избегать излишнего засорения промывочной жидкости, так как это ведет к обвалам пород, цементирующим материалом ко­торых является лед. На разрушение льда оказывает влияние также длительность воздействия солевого раствора, поэтому многолетнемерзлые породы с открытыми поверхностями льда сле­дует бурить как можно быстрее.

При с„>с_р создаются условия для перетоков жидкости из скважины в пласт, что также может привести к снижению меха­нических свойств породы и к потере ее стабильности. Разрушению льда при этом могут способствовать тепловые воздействия, связанные со смачиванием его поверхности гидрофильной жид­костью, а также плавление льда растворами соли.

Как показали опыты, снизить скорость разрушения льда (породы) можно повышением вязкости промывочной жидкости', в результате чего уменьшается скорость проникновения жидкой фазы в породу (лед).

При переходе от соленой воды к глинистому раствору скорость разрушения льда снижалась в 3,5-4 раза при одинаковой концентрации в них NaС1. Она снижалась еще больше при введении в глинис­тый раствор КМЦ и ССБ, т. е. загустителя и вспенивателя.

При применении глинистого раствора на лед оказывает воз­действие фильтрат, ионный состав которого может быть весьма различным, что определяется минералогическим составом глин, в первую очередь комплексом обменных катионов, содержанием глины в растворе, а также концентрацией в последнем противоморозной добавки.

Получило подтверждение положение о снижении скорости раз­рушения льда с повышением вязкости раствора при вводе в него глинопорошка, КМЦ и смеси гипана с КМЦ. Рост фильтрационных свойств раствора может вызывать интенсивное разрушение льда, цементирующего рыхлые пески, и способствовать кавернообразованию, даже если раствор будет иметь повышенную вязкость.

Из всех известных очистных агентов только осушенный сжа­тый воздух и пена имеют фильтрационные свойства, равные нулю.

Таким образом, для стабилизации мерзлых пород, включая лед, не следует применять жидкости, активные по отношению к ним. Более эффективны инертные ко льду и к водочувствительным породам охлажденные жидкости на органической основе, охлажденный осушенный сжатый воздух, пена. Промывочные жидкости на водной основе должны быть с малым содержанием твердой фазы, иметь повышенную вязкость жидкой фазы, мини­мальную водоотдачу, содержать гидрофобизирующие добавки — ПАВ. Предпочтение во всех возможных случаях следует отдавать аэрированным промывочным жидкостям с повышенной степенью аэрации.