6.5. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ БУРЯЩЕЙСЯ СКВАЖИНЫ

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 сопро­ тивлений трения в бурильных трубах и кольцевом простран­ стве, также рассеивается в виде теплоты и оказывает влияние на температуру циркуляционных потоков.

Дополнительно теплота выделяется за счет трения буриль­ ных труб о стенки скважины.

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

При бурении по многолетнемерзлым породам теплооб­ менные процессы осложняются изменениями фазового со­ стояния воды в породах, очень сильно влияющими на интен­ сивность и направление тепловых потоков.

Температура промывочного агента в любой точке цирку­ ляционной системы скважины в любой момент времени явля­ ется результатом совместного проявления таких факторов, как расход и начальная температура промывочной среды, скорость движения и турбулентность потока, физические и теплофизические свойства промывочной среды и проходи­ мых скважиной горных пород, естественная температура по­ следних и характер ее изменения по глубине, конструктив­ ные особенности, свойства материала бурильной колонны и обсадных труб, скорость бурения и продолжительность рей­ са, мощность, развиваемая на забое породоразрушающим инструментом, и др.

Действие большинства этих факторов различно на разных участках скважины.

Задача определения температурного режима бурящейся скважины сложная, и точное ее решение вызывает значи­ тельные трудности.

К настоящему времени многими исследователями предло­ жен ряд решений задачи о температурном режиме в целях его прогнозирования. Одни из них — прикладные, построен­ ные в целях облегчения технологических расчетов на эмпи­ рических и полуэмпирических зависимостях или крайне уп­ рощенных аналитических положениях, другие в связи с об ­ щей формулировкой условия нестационарности теплообмена циркулирующей среды с окружающим горным массивом и детальным учетом некоторых второстепенных факторов весьма сложны и неудобны для практических расчетов.

теплообмена в стволе скважины и состояние изученности этого процесса на данном этапе применительно к разнооб­ разным технологическим операциям, которыми сопровожда­ ется процесс бурения (принято считать, что бурение включает в себя процессы проводки, промывки, спускоподъемные операции, цементирование, ожидание затвердения тампони­ рующего материала и оборудование устья скважины для оп­ робования и эксплуатации продуктивных горизонтов).

Бурящаяся скважина представляет собой сложную тепло­ обменную систему, для которой основным источником и стоком теплоты является не ограниченный в радиальном на­ правлении массив горных пород. Естественное тепловое со­ стояние горных пород, слагающих проходимый скважиной разрез, определяет температурный режим скважины.

В целом теплообменная система скважина — массив пород характеризуется следующими узлами и показателями (рис. 6.2):

наземной циркуляционной системой А, включающей в се­ бя желоба, устройства для очистки бурового раствора от вы­ буренной породы, приемные емкости, буровые насосы и на­ гнетательные манифольды. Теплообмен в поверхностной циркуляционной системе происходит в результате соприкос­ новения с воздухом;

подземной циркуляционной системой, состоящей из ство­ ла скважины (обсаженного или не обсаженного колонной труб) и колонны бурильных труб. Теплообмен в подземной циркуляционной системе осуществляется путем соприкосно­ вения бурового раствора со стенкой ствола скважины, а также с внутренней и внешней поверхностью колонны бу­

рильных труб; породоразрушающим инструментом, состоящим из долота

изабойного двигателя (последний может отсутствовать).

Внаиболее общем случае, когда имеет место процесс дол­ бления, буровой раствор с некоторой устьевой температурой fly нагнетается в колонну бурильных труб и движется по ней вниз к долоту. Достигнув забоя и нагревшись до температуры f3, поток изменяет направление движения и по кольцевому

зазору между бурильной колонной и стенками скважины ус­ тремляется к устью. С некоторой температурой t^ буровой раствор попадает в поверхностную циркуляционную систему и вновь нагнетается в колонну бурильных труб. Цикл замы­ кается, и дальнейший процесс представляет собой замкнутую

циркуляцию.

Для упрощения физической сущности процесса предста-

а в верхней части ствола — бесконечно мощного стока теп­ лоты. Температурный режим восходящего потока бурового раствора характеризуется термограммой 3.

Породоразрушающий инструмент в период долбления вы­ полняет роль дополнительного локального источника тепло­ ты, которая оценивается “скачком" температуры у забоя.

В результате сравнительно длительного взаимодействия бу­ рящейся скважины и окружающего массива горных пород, температура горных пород в радиальном направлении от скважины будет изменяться. Причем интенсивность перерас­ пределения температуры в массиве будет зависеть от теплофизических свойств пород, от начального перепада темпера­ туры между скважиной и массивом пород, а геометрические размеры ореола теплового влияния скважин ^ определяются длительностью процесса “возмущения" температурного поля. При прочих равных условиях зона теплового влияния сква­ жины (кривая 4' и радиус теплового влияния RJ) будет боль­ ше в породах, сравнительно хорошо проводящих теплоту (кривые 4" и 4Шпо сравнению с кривыми 4' и 4™).

После прекращения процесса долбления и остановки цир­ куляции бурового раствора температура во всей системе стремится к начальному уровню, который характеризуется геотермограммой 1. Длительность и интенсивность процесса восстановления начальной температуры в скважине зависят от длительности и интенсивности предшествующего “возму­ щения" температурного поля, а также от теплофизических свойств веществ рассматриваемой системы.

{Сак правило, очередное долбление и циркуляция бурового раствора начинаются задолго до того, как восстановится естественная температура в скважине. "Возмущения" темпераТУрног° поля накладываются друг на друга и значительно уедожняют общую картину каждого последующего долбле­

нийДругие технологические операции в бурении, такие как

подъем-спуск колонны бурильных труб, наращивание бурйдьной колонны, промежуточные промывки и проработки ствола, цементирование обсадных колонн, ожидание затвер­

источника теплоты переменной мощности в кольцевом про­ странстве скважины, участием в процессах веществ с различ­ ными теплофизическими свойствами, постоянным обновле­ нием циркулирующего агента и т.д.

Следовательно, при бурении скважины в ее стволе и при­ легающем массиве горных пород наблюдается нестационар­ ный процесс теплообмена, осложненный спецификой тепло­ обменной системы и наличием внутренних дополнительных источников теплоты.

Исследование процесса теплопередачи при бурении сква­ жины сводится к изучению пространственно-временного из­ менения температуры по стволу и в прилегающих к нему горных породах, т.е. к нахождению температурного поля системы скважина — массив горных пород.

При этом необходимо учитывать главную особенность процесса бурения — периодическую смену и повторяемость технологических операций: после подъема-спуска бурильной колонны с долотом, как правило, проводят промывку сква­ жины; промывка сменяется подъемом и т.д. В эти сменяю­ щие друг друга массовые операции (количество долблений и спусков-подъемов при бурении глубокой скважины достигает 200 и более) периодически вторгаются операции по крепле­ нию ствола, по исследованию разреза и глубинным измере­ ниям, по испытанию перспективных горизонтов, а также различного рода вспомогательные операции.

Особенности формирования температурного режима в бурящихся скважинах Заполярья

Особенностью геологического строения неко­ торых нефтяных и газовых месторождений Западной Сиби­ ри является наличие в верхней части разреза осадочного чех­ ла мощной толщи многолетнемерзлых пород. К настоящему времени составлены общие представления о строении, рас­ пространении и особенностях этого комплекса пород, хотя такие важные вопросы, как методы выделения их в разрезе скважин, определения естественной температуры и другие, еще далеки от однозначного решения.

Отмечают несколько типов мерзлоты. Однако основным и наиболее четко выраженным в центральной части Западной Сибири является уренгойский тип. Он характеризуется еди­ ной мощной толщей монолитного промерзания с дневной поверхности до глубины 400 —550 м. Значение отрицательной температурной аномалии ("температурный карман") в наибо-

лее промерзшей части разреза составляет 3 —5°С. Ниже мерзлой зоны зачастую на глубину 150 —200 м распространя­ ется участок с нулевым градиентом температуры.

В пределах Тазовского, Медвежьего и Комсомольского ме­ сторождений выделен так называемый тазовский тип вечной мерзлоты. Так же как и уренгойский тип, он характеризует­ ся монолитностью, но в верхней части разреза присутствует талик мощностью до 150 м. “Температурный карман" для это­ го типа мерзлоты, как правило, не превышает 1,5 —2,5 °С, достигая в редких случаях 4 —5 °С.

В литолого-стратиграфическом отношении на территории Медвежьего и Уренгойского поднятий промерзанием охваче­ ны супесчано-глинистые и песчано-глинистые четвертичные отложения, глинисто-песчанистый разрез олигоцена, глинис­ тые и песчано-глинистые отложения эоцена — нижнего оли­ гоцена. На севере месторождений нижняя граница опускается в песчано-глинистые отложения палеоцена.

Исследованиями различных авторов установлено, что мощность вечной мерзлоты и поведение ее нижней границы во многом определяется тектоническим планом.

На Медвежьем месторождении, которое использовалось авторами в качестве полигона исследований, нижняя граница вечной мерзлоты фиксируется на глубинах от 250 —260 до 397 —400 м. Минимальные отметки ее установлены в сводовой части Медвежьего поднятия, а максимальное погружение — на Ныдинском поднятии.

Осредненная геотермограмма, построенная по результатам измерений температуры в четырех длительно простаивающих скважинах, характеризуется наличием безградиентного участ­ ка и отрицательными значениями температур до глубины 360 м (рис. 6.3). В наиболее охлажденной верхней части раз­ реза (ниже зоны сезонных колебаний температуры) значение температуры не опускается ниже минус 4 °С, а с глубиной температура несколько увеличивается, приближаясь к нулевой изотерме, которая приблизительно совпадает с подошвой

мерзлых пород.

С целыо оценки колебаний температуры при бурении и креплении, возможности и перспектив регулирования темпе­ ратурного режима были проведены специальные исследова­ ния в нескольких бурящихся скважинах месторождения Мед­

вежье.

Конструкция скважин и технология бурения в этом райо­ не следующая: 325-мм кондуктором скважина закреплена до глубины 430 м, 219-мм промежуточной колонной - до глуби-

Рис. 6.3. Геотермический разрез Ныдинско-Медвежьего месторождения За­

падной Сибири:

1 - геотермограмма; 2 - результаты измерений в наблюдательных скважи­ нах; 3 - температура продуктивных пластов; 4 - значение геотермического градиента

ны 960 м. 168-мм эксплуатационная колонна опускается до глубины 1200 м. Все колонны цементированы до устья.

Бурение осуществляется роторным и турбинным способа­ ми при замкнутой циркуляции глинистого раствора, нагнета­ емого в скважину насосом БРН-1 с подачей до 30 л/с. В сис­ теме циркуляции имеются вырытый в земле амбар вместимо­

стью 200 м3, желоба, две приемные емкости и гидроциклонная установка для очистки раствора от выбуренной породы.

Измерение температуры циркулирующей жидкости осуще­ ствляли в трех точках циркуляционной системы: 1 — на при­ еме буровых насосов; 2 — в бурильных трубах над долотом;

3— в желобной системе непосредственно у устья скважины. При анализе результатов исследований (рис. 6.4) обращает

на себя внимание тот факт, что на разных глубинах характер колебаний температуры циркулирующей жидкости различен. В связи с этим условно можно выделить три характерных интервала:

интервал вечномерзлых пород (0 —350 м); интервал подмерзлотной зоны (350 —450 м);

удаленный от вечной мерзлоты интервал (900—1200 м). Первый интервал начинается с нулевой отметки и прохо­

дится бурением за одно или два долбления. Бурение осуще­ ствляется либо секционным турбобуром, либо ротором.

Характерной особенностью бурения в этом интервале яв­ ляется то, что длительность непосредственного долбления не­ велика и процесс разрушения пород часто чередуется с оста­ новками циркуляции при наращивании инструмента. Кроме того, объем скважины невелик и цикл циркуляции длится недолго.

График изменения температуры показывает (см. рис. 6.4, I), что в начальный период бурения температура промывоч­ ной жидкости значительно превышает температуру мерзлых горных пород и составляет 10—14°С. До глубины 60 м тем­ пература сохраняется на уровне 11 °С, незначительно повы­ шаясь лишь во время непродолжительных периодов непо­ средственного долбления. В интервале от 60 до 120 м наблю­ дается некоторый рост температуры до 14 °С, особенно в тот период, когда вследствие остановки турбобура бурение про­ должалось ротором. Температура глинистого раствора на приеме насоса составляла 7 —9 °С и отличалась от забойной на 3 —7 °С. В то же время температура выходящего из сква­ жины раствора незначительно отличалась от забойной и со­ ставляла 9 —12 °С.

Диаграмма колебания температуры во время второго долб­ ления в интервале 120—175 м отличается лишь тем, что во время бурения наблюдалось монотонное снижение темпера­ туры на 2 °С. Такая же тенденция отмечена в характере из­ менения температуры у устья.

Как во время первого, так и во время второго долбления наблюдалось резкое повышение температуры в период рабо-

\Бурениё

II

IV

Рис. 6.4. Результаты измерения температуры в бурящихся скважинах мес­ торождения Медвежье (Тюменская область):

/ - бурение в интервале 0-175 м; II - промывка и проработка на глубине 430 м (скв. 211); III - бурение в интервале 943-960 м (скв. 212); IV - промыв­ ка на глубине 1213 м (скв. 207)

1—температура на забое; 2 - температура на устье

ты породоразрушающего инструмента. Но ввиду непродол­ жительности этих периодов и сравнительно большой инер­ ционности глубинного термометра (до 10 мин) истинное зна­ чение температурного скачка зарегистрировать не удалось. Можно лишь предположить, что она достигает нескольких градусов.

Очевидно, что разогрев циркулирующего бурового раство­ ра при бурении мерзлых пород обусловлен главным образом энергией трения в потоке и колонны труб о стенки скважи­ ны, трением в элементах турбобура, энергией разрушения забоя. Эти источники теплоты превалируют над эффектом охлаждения потока стенками скважины и выбуренной мерз­ лой породой.

Исследования показали, что температура в скважине при бурении мерзлых пород определяется в основном температу­ рой нагнетаемого раствора.

Измерения температуры в подмерзлотной зоне на значи­ тельном расстоянии от толщи мерзлых пород (на глубине 350—430 м) проводились на скв. 211 во время бурения под кондуктор роторным способом (см. рис. 6.4, II). Разбуривае­ мые породы в отличие от первого интервала имели положи­ тельную естественную температуру.

На приведенном графике отчетливо видно снижение тем ­ пературы во время спуска бурильного инструмента в интер­ вале мерзлых пород. Затем температура увеличивается и до­ стигает на глубине забоя 20 °С. При циркуляции температура глинистого раствора у забоя незначительно увеличивается (примерно на 2 °С).

Температура выходящего из скважины раствора в момент восстановления циркуляции составляла 10 °С, через 2 ч она уве­ личилась до 15 °С, в дальнейшем стабилизировалась. Разность между забойной и устьевой температурами составляла 2 °С.

Таким образом, в подмерзлотной зоне температура цирку­ лирующей жидкости у забоя, как и в зоне вечной мерзлоты, монотонно увеличивается от некоторого начального уровня. При этом разность между забойной и устьевой температура­ ми незначительна.

В третьем интервале температуру измеряли при разбури­ вании цементной пробки турбобуром на глубине 960 м после цементирования промежуточной колонны в скв. 212 (см. рис. 6.4, III). В качестве промывочной жидкости использовали тех­ ническую воду.

Измерения проводили по истечении 48 ч ОЗЦ при темпе­ ратуре окружающего воздуха (—38) —(—40) °С

На полученной термограмме четко прослеживается участок пониженной температуры при спуске бурильного инструмен­ та в интервале мерзлых пород. Затем температура возрастает и составляет на забое 25 °С. В момент восстановления цирку­ ляции она резко падает и по истечении некоторого времени (около 2 ч) стабилизируется. Во время остановок температура повышается.

Температура на приеме насосов оставалась примерно на одном уровне в течение всего периода циркуляции и состав­ ляла плюс 5 °С. Температура выходящей из скважины жидко­ сти в начальный момент была минус 2 °С, затем быстро воз­ росла до плюс 2,5 °С и оставалась на этом уровне в течение всего периода циркуляции.

Обращает на себя внимание большая разность между при­ забойной и устьевой температурами циркулирующей жидкос­ ти (14 °С). Это говорит о том, что при промывке водой срав­ нительно глубоких скважин в условиях низкой температуры окружающей среды имеют место огромные потери теплоты в циркуляционной системе.

Термограмма (см. рис. 6.4, IV) характеризует промывку скв. 207 глинистым раствором на глубине 1213 м. Нетрудно заметить, что разность устьевой и забойной стабилизирован­ ной температур составляет всего лишь 1,5 °С при абсолютном их значении около 17 °С.

Таким образом, температурные режимы бурящихся сква­ жин Заполярья отражают геотермические особенности этого района, главной из которых является наличие в разрезе мощной толщи многолетнемерзлых пород. Определенную роль при этом играют условия теплообмена в поверхностной циркуляционной системе и физические свойства промывоч­ ной жидкости.

Динамика растепления прискважинной зоны мерзлых пород

Наблюдения за процессом растепления мерз­ лых пород выполнены при различной температуре массива и циркулирующей жидкости. В качестве массива использовали замороженные до температуры (—10) и ( —5) °С пласты песка льдистостью 7,8 и 23 % и глины льдистостью 3,6 и 61 %.

На рис. 6.5 приведены кривые, характеризующие измене­ ние положения нулевой изотермии при растеплении пластов песка 1 и глины 2 в период теплового "возмущения" массива циркулирующим буровым раствором, а на рис. 6.6 — в пе-

риод восстановления естественного поля температур. В зави­ симости от соотношения абсолютных значений температуры циркулирующего флюида и массива пород, теплофизических свойств пластов в мерзлом и талом состояниях, их льдистости и влажности радиус ореола протаивания будет распрост­ раняться в глубь массива глин и песка либо с одинаковой, либо с разной скоростью. Причем опережающее растепление может происходить как в глинах 2, так и в песках 1.

Скорость продвижения границы протаивания пород зави­ сит не только от рода и свойств пластов, но и от времени. После 25 —30 ч теплового воздействия на пласты с низким коэффициентом льдистости наблюдалась сравнительная ста­ билизация скорости растепления околоствольной зоны по­ род, и спустя 165—170 ч непрерывного теплового воздействия радиус ореола растепления составил 48 см в глине и 55 см в песке. При дальнейшем тепловом "возмущении" размеры растепленной зоны в глине и песке сблизились и по истече­ нии 250—ЭООч оказались практически одинаковыми (около 60 см).

Рис. 6.6. График изменения радиуса г ореола протаива­ ния в породах после прекра­ щения теплового "возмуще­ ния"

Промораживание при восстановлении начальной темпера­ туры глинистых и песчаных пластов с малой льдистостью также происходит по-разному. После прекращения процесса растепления в талом песке отмечается некоторая стабилиза­ ция положения нулевой изотермы, а затем относительно бы ­ строе уменьшение радиуса ореола растепленных пород. В глинах отмечается значительный начальный участок дальней­ шего увеличения размера талой зоны, несмотря на то что процесс теплового "возмущения" скважиной прекращен. И только спустя 100 ч наблюдалась тенденция к уменьшению радиуса протаивания, хотя он достиг значения, зафиксиро­ ванного в момент прекращения "возмущения" лишь через 200 ч.

Весьма примечателен тот факт, что процесс восстановле­ ния естественной температуры и промерзание прискважин­ ного массива происходит в несколько раз медленнее, чем процесс растепления. Спустя 400 ч нулевая изотерма в песке влажностью 7,8 % оказалась на расстоянии 20 см от скважи­ ны, а в глине влажностью 3,6 % на более значительном рас­ стоянии. Вероятно, для полного промораживания возмущен­ ной зоны пород потребуется в 3 —5 раз больше времени, чем длительность предшествующего теплового "возмущения".

Полученные экспериментальные данные были обработаны в критериальной форме и построены графики зависимости безразмерного радиуса протаивания г от критерия Фурье Fo для различных значений критерия Коссовича Ко и темпера­ турного критерия Кт(рис. 6.7). Значения безразмерного ради­ уса г = г /г 0 и критериев Fo, Ко и Ктопределили по форму­ лам:

Значения критериев Fo, Ко и Кг в экспериментах изменя­ лись в следующих пределах:

0 < Fo < 200;

0 ,1 7 < К о < 3;

2 < К т < 7.

Анализируя графики зависимости безразмерного радиуса протаивания (см. рис. 6.7), можно сделать вывод о том, что безразмерный радиус зависит как от рода грунта и его свойств, так и от времени. С увеличением критерия Fo без-

Рис. 6.7. Зависимость безразмерного радиуса г ореола протаивания мерз­

лых пород от определяющих критериев:

размерный радиус г растет, а скорость протаивания умень­ шается.

Увеличение критерия Ко приводит к уменьшению безраз­ мерного радиуса протаивания. Так, для близких критериев Кт и различных Ко (кривые 1 и 3) при Fo = 50 ?, = 10,2, а г2 *= 5,3. Это легко объясняется тем, что изменение крите­ рия Ко вызвано повышением льдистости, а это, безусловно, заМедляет процесс растепления.

влияние температурного критерия Ктна значение безраз­ мерного радиуса протаивания по графикам не прослеживает­

ся.

Среди известных методов расчета радиуса ореола протаи­ вания пород вокруг цилиндрических выработок следует отме­ тить метод И.А. Чарного, формулу И.К. Кравченко, формулу

ф.Я. Новикова, формулу Б.Б. Кудряшова и формулу Ю.П. Коротаева и др.

Метод И.А. Чарного основан на составлении и решении дифференциального уравнения движения границы протаивания. При этом основным допущением является стационарное распределение температуры в талой зоне в любой момент времени. Учитывается расход теплоты на нагревание мерзлой и протаявшей породы и весьма приближенно — утечки ее в мерзлую зону.

Более простая формула Ф.Я. Новикова, которая была по­ лучена путем обработки экспериментальных данных. Эта ф ор ­ мула имеет следующий вид:

г = 1 + K T005( F O / K O )0’43.

Сравнение экспериментальных данных производилось с расчетами по методу И.А. Чарного, как наиболее полно учи­ тывающему сложный процесс теплопередачи от скважины к мерзлым породам, и с расчетами по формуле Ф.Я. Новикова.

По методу И.А. Чарного были получены расчетные кривые для условий эксперимента. Как и следовало ожидать, расчет­ ные значения превышают фактические во всем диапазоне изменения параметров на 10—15%. Причиной завышенных значений, полученных расчетом по методу И.А. Чарного, яв­ ляются те исходные предпосылки, на которых основан ме­ тод. Предположение стационарности распределения темпера­ туры в талой зоне равносильно завышению коэффициента температуропроводности, что должно приводить к система­ тическому завышению расчетного радиуса. Кроме того, при­ ближенный учет теплового потока от границы протаивания в мерзлую зону также будет способствовать увеличению рас­ четного радиуса протаивания.

щественный недостаток метода — необходимость неодно­ кратно решать неявные уравнения — не позволяет рекомен­ довать его для инженерных расчетов.

Экспериментальные кривые также сравнивались с расчет­ ными, полученными по явной формуле Ф.Я. Новикова. При расчетах по этой формуле расхождение с экспериментом оказалось несколько большим и составило в среднем 20 — 30% (см. рис. 6.7). Причиной завышения расчетных значений безразмерного радиуса протаивания, полученных из формулы Ф.Я. Новикова, является то, что она выведена для другого ди­

апазона критерия Коссовича 4 < Ко < 25, когда температура на стенке скважины невысокая (fCKB = 2,0-^6,0 °С). В этом слу­ чае процесс растепления пород вокруг скважины будет мало­ интенсивным.

Формула Новикова имеет простой вид, учитывает все ф ак­ торы, от которых зависит процесс, и дает возможность не­ посредственно определять значения радиуса протаивания за любой промежуток времени, поэтому критериальная обра­ ботка экспериментальных данных была проведена в виде

г = 1 + AK°'0S(Fo/Ko)0'43.

Методом наименьших квадратов получено критериальное уравнение для безразмерного радиуса ореола протаивания

г = 1 + 0, 8 K ° ,05(F O / K O )°'43.

Было проведено сравнение экспериментальных данных (см. рис. 6.7) с расчетами по полученному уравнению. Рас­ хождение значений г, полученных по улучшенной формуле Ф.Я. Новикова, с экспериментальными составляет не более 10 %, что вполне допустимо.

Динамика изменения размера ореола растепленной поро­ ды вокруг скважины в период восстановления естественной температуры (рис. 6.8) весьма сложная и определяется не только длительностью процесса восстановления (Fo), крите­ риями Ко и Кт, но и длительностью предшествующего воз­ мущения Fo0: при прочих равных условиях, чем больше Fo0, тем более продолжительное время отмечается дальнейшее увеличение ореола протаивания в период восстановления ес­ тественной температуры, так как в этих случаях в массиве пород аккумулируются большие количества энергии.

Процесс многоциклического теплового взаимодействия скважины с массивом мерзлых пород ни теоретически, ни экспериментально не исследован для диапазона определяю­ щих критериев, соответствующего условиям бурения в запо­ лярных районах.

Ю.М. Проселковым и др. исследована динамика изменения радиуса ореола протаивания мерзлых пород при многоцик­ личном тепловом воздействии теплоносителя, циркулирующе­ го внутри обсадной колонны.

Были проведены два эксперимента: первый эксперимент длился непрерывно в течение 140 ч, а общее число циклов равнялось 4; длительность второго эксперимента составила 150 ч, а общее число циклов равнялось 3.

Рис. 6.8. Динамика изменения радиуса г ореола протаивания мерзлых по­ род вокруг скважины в период восстановления "естественной" температуры:

также о предельной температуре циркулирующей в скважине воды.

Обработка полученных результатов выполнена в критери­ альной форме и построены графические зависимости без­

б

Рис. 6.9. Зависимость безразмерного радиуса г ореола протаивания от пара­

метра Fo:

а - первый опыт; б - второй опыт; / - эксперимент; II - расчет

Анализируя график изменения безразмерного радиуса протаивания при многоциклическом тепловом воздействии на мерзлые породы, убеждаемся, что он зависит как от рода грунта и его свойств, так и от соотношения Fo/Fo0. Если в песчаном пласте во втором эксперименте в конце процесса теплового возмущения во втором цикле безразмерный радиус равен 7,3, то в первом эксперименте для этих же условий г = 6,6; общая длительность теплового возмущения в пер­ вых двух циклах составила 20 ч (Fo0 = 14), в то время как во втором эксперименте она была равной 30 ч (Fo0 = 21).

При более детальном анализе результатов исследования можно заметить, что процесс растепления околоствольной зоны мерзлых пород происходит так, как если бы осущест­ вилось их постоянное возмущение скважиной, на стенке к о ­ торой поддерживается некоторая средняя температура, свой­ ственная как периодам возмущения, так и периодам восста­ новления.

При многоциклическом тепловом взаимодействии мерзлых пород со скважиной оценить радиус ореола протаивания можно по формуле

-|0l43

Здесь t — средневзвешенное, по времени значение средне­ интегральной температуры на стенке скважины:

tcр =.

1СИ

х, — длительность периода возмущения в каждом цикле; — длительность периода восстановления в каждом цикле; Г, — функция температуры на стенке скважины от х,; 7} — то же, от х;; п — общее число периодов возмущения; к — общее число периодов восстановления;

Fo’ = а/с, /г 02; FoJ = atxj /г02.

При сравнении расчетных значений радиуса ореола прота­ ивания с опытными при многоцикличном тепловом взаимо­ действии мерзлых пород со скважиной (см. рис. 6.9) видно, что расчетные значения отличаются от опытных на 10—15% для глины и на 10—30 % для песка. С увеличением числа цик­ лов ошибка уменьшается.