2. Роль температуры и свойств промывочной среды в процессе бурения.

Высокая чувствительность сцементированных льдом рыхлых отло­жений и разрушенных коренных скальных пород к нарушению их температурного и агрегатного состояния, влияние аккумулиро­ванного горными породами холода на ствол скважины и проте­кающие в нем процессы - причины частых, разнообразных по своей природе и тяжелых по последствиям осложнений.

Главная причина этих осложнений - недоучет температурного фактора, нарушение нормального температурного режима сква­жины, при котором интенсивность теплообменных процессов ме­жду мерзлыми породами и циркулирующей в скважине промы­вочной средой остается в допустимых пределах, не вызывающих нарушение их фазового состояния.

Необходимо постоянно учитывать тепловое взаимодействие промывочной среды и мерзлых пород. Примерами неверного под­хода являются известные в практике попытки применять нагре­тую воду или глинистый раствор в целях борьбы с замерзанием, что приводило к нарушению связности сцементированных льдом пород и их обрушению, обвалам и тяжелым авариям. Эффектив­нее оказалось применение солевых и подсоленных глинистых рас­творов, но и в этих случаях осложнения не устранялись пол­ностью из-за недоучета необходимости поддерживать темпера­туру раствора в должных пределах и растворяющего действия соли на лед.

Возможность искусственного регулирования температуры в стволе бурящейся скважины зависит от теплофизических свойств промывочной среды. Замена замерзающей при 0 °С воды незамерзающим концентрированным раствором NаСl и СаСl₂, беспарафинным дизельным топливом или воздухом еще не решает задачи, не обеспечивает нормального температурного режима скважины при бурении в мерзлоте. Охлаждение той или иной незамерзающей промывочной среды на поверхности вслед­ствие теплообмена с атмосферным воздухом или мерзлыми по­родами не гарантирует от осложнений и аварий без знания теплообменных процессов в стволе бурящейся скважины, характера распределения температуры по глубине. Температура жидкой или газообразной промывочной среды различна в каждой точке цир­куляционной системы скважины, является результатом нестацио­нарного (зависящего от времени, продолжительности процесса) теплообмена между окружающим скважину массивом мерзлых или «морозных» пород и циркулирующей в скважине промывоч­ной среды и зависит от физических и теплофизических свойств по­следней. Знание этих свойств для обеспечения нормальной техно­логии бурения в мерзлых породах недостаточно без знания и учета основных закономерностей теплообмена в бурящейся скважине.

3. Температурный режим бурящейся скважины.

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.

Нисходящий поток промывочной среды в бурильных трубах находится в состоянии непрерывного теплообмена с восходящим по кольцевому каналу потоком, который, в свою очередь, контак­тируя с окружающими породами, непрерывно изменяет свою температуру не только по глубине, но и во времени.

Естественная температура горных пород - не постоянная ве­личина, она непрерывно изменяется по глубине, как правило, бо­лее или менее закономерно возрастая. В результате теплообмена с циркулирующей в скважине промывочной средой тепловой ба­ланс в массиве горных пород нарушается, отток тепла из ствола скважины в окружающий массив (или наоборот) зависит от про­должительности циркуляции и непрерывно изменяется во вре­мени. При этом изменяется и температура самих пород.

В призабойной зоне скважины промывочная среда воспри­нимает тепло, выделяющееся в результате механической работы породоразрушающего инструмента. Местный источник тепла в зоне забоя осложняет картину теплообмена в скважине, влияя не только на температуру восходящего потока, но и вследствие теплообмена через стенки бурильных труб на температуру нисхо­дящего потока.

Энергия, затрачиваемая потоком на преодоление сопротивле­ний трения в бурильных трубах и кольцевом пространстве, также рассеивается в виде тепла, оказывающего влияние на температуру среды.

Самостоятельный источник тепла -трение бурильных труб о стенки скважины.

При бурении с продувкой воздухом или газом наряду с про­цессами теплообмена происходят процессы массообмена, выра­жающиеся в изменении влажности воздуха или газа, что суще­ственно влияет на их температуру.

При бурении по многолетнемерзлым породам теплообменные процессы осложняются изменениями фазового состояния воды в породах, очень сильно влияющими на интенсивность и направ­ление тепловых потоков.

Температура промывочной среды в любой точке циркуляцион­ной системы скважины в любой момент времени является резуль­татом совместного проявления таких факторов, как расход и на­чальная температура промывочной среды, скорость движения и турбулентность раствора, физические и теплофизические свойства промывочной среды и проходимых скважиной горных пород, естественная температура последних и характер ее изменения по глубине, конструктивные особенности, свойства материала бу­рильной колонны и обсадных труб, скорость бурения и продол­жительность рейса, мощность, развиваемая на забое породоразрушающим инструментом, и др.

Действие большинства этих факторов различно на разных участках скважины, часто противоположно по знаку и изменя­ется со временем.

Задача температурного режима бурящейся скважины весьма сложна, и точное ее решение вызывает значительные трудности.

К настоящему времени многими исследователями предложен ряд решений задачи о температурном режиме в целях его прогно­зирования. Одни из них - прикладные, построенные в целях об­легчения технологических расчетов на эмпирических и полуэмпи­рических зависимостях или крайне упрощенных аналитических положениях, другие в связи с общей формулировкой условия не­стационарности теплообмена циркулирующей среды с окружаю­щим горным массивом и детальным учетом некоторых второсте­пенных факторов весьма сложны и неудобны для практических расчетов.

Одним из наиболее простых и достаточно полных по учету оп­ределяющих факторов является решение, применимое в случае бурения скважин и мерзлых породах. Простота ре­шения достигнута в результате использования известного в гор­ной теплофизике понятия «коэффициент нестационарного тепло­обмена к», а также введенного Ю. Д. Дядькиным «коэффициента интенсификации теплообмена при агрегатном переходе со­держащейся в породах влаги. В этом случае задача сводится к решению неоднородного линейного дифференциального урав­нения второго порядка с постоянными коэффициентами для тем­пературы в нисходящем по бурильным трубам потоке, функцио­нально связанной с температурой в кольцевом канале. Окончательные аналитические выражения для температуры на любой глубине к при конечной в данный момент глубине скважины Н (для простоты - без учета выделения тепла за счет гидравличе­ской работы трения) имеют вид:

для нисходящего потока в бурильной колонке

, (3.1)

где ; (3.2)

; (3.3)

для восходящего потока в кольцевом канале

, (3.4)

где ; (3.5)

. (3.6)

В этих выражениях А, В, Е – сокращающие обозначения:

, (3.7)

, (3.8)

, (3.9)

где и - корни характеристического уравнения,

; (3.10)

- температура промывочной среды, нагнетаемой в бурильные трубы, °С; Т₀ - условная постоянная температура поверхности (температура нейтрального слоя), °С; - геотермический гра­диент, °С/м; h, Н, D - глубина (текущая координата), конечная

глубина и диаметр скважины, м; G - массовый расход промывочной среды, кг/с; с - удельная теплоемкость той же среды, Дж/(кг*°С); - прирост температуры промывочной среды у забоя за счет охлаждения работающего породоразрушающего инструмента, °С; к - коэффициент теплопередачи через стенку бурильной ко­лонны, отнесенной к единице длины трубы, Вт/(м²*°С); - ко­эффициент нестационарного теплообмена, Вт/(м² • °С).

Если конечную глубину скважины Н в момент от начала циркуляции рассматривать как результат бурения в течение дан­ного рейса, то

, (3.11)

где Н₀-исходная глубина скважины, м; - механическая ско­рость бурения, м/с; - продолжительность бурения, совпадаю­щая с продолжительностью циркуляции, с.

Аналитические выражения (3.1) и (3.4) с учетом (3.11) - вполне удовлетворительная математическая модель температур­ного режима бурящейся скважины. Они позволяют определить температуру в любой точке системы бурильные трубы — затрубное пространство в любой момент времени от начала циркуляции при известной конечной глубине скважины Н или некотором ее относительном изменении в течение одного рейса и применимы при любом виде промывочной среды (глинистые и другие раст­воры, вода, воздух, пена) как в случае ее охлаждения при буре­нии по многолетнемерзлым породам, так и в случае нагрева, на­пример, при глубоком бурении.