книги из ГПНТБ / Щербань, А. Н. Прогноз и регулирование теплового режима при бурении глубоких скважин

А. Н. ЩЕРБАНЬ, В. П. ЧЕРНЯК

ПРОГНОЗ И РЕГУЛИРОВАНИЕ

ТЕПЛОВОГО

РЕЖИМА ПРИ БУРЕНИИ ГЛУБОНИХ СНВАЖИН

ИЗДАТЕЛЬСТВО „ Н Е Д Р А "

М о с к в а 1974

УДК 622.241.8

Гоо. пуе. іняя

научно-теѵх ѳская библиотека i. с’cp

ЭКЗЕМПЛЯР ЧИТАЛЬНОГО з д ЛА

Щербань А. Н ., Черняк В. П. Прогноз п регулирование теплового ре­ жима при бурении глубоких скважин. М., «Недра», 1974, 248 с.

В книге изложены научные основы и практические методы расчета темпе­ ратуры внутри бурящейся скважины для различных технологических процессов

и стадий бурения, освещена іюль температурного фактора в возникновении осложнений при проходке, обобщены и проанализированы результаты отече­ ственных и зарубежных экспериментальных и теоретических работ по изучению температурного режима бурящихся скважин, приведены методика и результаты исследования температурных полей приствольной и призабойной зоны и ра­ бочей части бурильного инструмента и труб при турбинном и роторном бурении.

Описываются уравнения подобия для расчета теплообмена промывочных жидкостей в кольцевых капалах и трубах и теплофнзнческне свойства глини­ стых растворов в широком диапазоне температур. Предложены способы кон­ троля и регулирования теплового режима при сверхглубоком бурении, в том числе на основе оригинальных приборов и систем.

Книга рассчитана на научных работников и специалистов в области горной теплофизики, техники и технологии сверхглубокого бурения и геофизических последований.

Таблиц 122, иллюстраций 71, список литературы — 100 назв.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Решения X X IV съезда КПСС предусматривают всемерное развитие фунда­ ментальных и прикладных научных исследований по проблемам более широкого и рационального использования естественных ресурсов и поисков новых видов анергии. В числе таких проблем важное место занимает изучение недр Земли и верхней мантии с помощью сверхглубоких скважин, бурящихся в различных районах СССР и имеющих первостепенное значение для установления закономер­ ностей распределения нефти, газа, коксующихся углей, руд черных, цветных и редких металлов и вывода на поверхность высокопотенциалъного подземного

кого бурения на верхнюю мантию с помощью опорных скважин глубиной 15 км. Помимо этого, на территории Советского Союза, и в частности на Украине, бурится большое число скважин глубиной от 3500 до 7000 м где по геологическим прогнозам находятся большие запасы нефти и газа [48].

В большинстве геологических регионов в СССР температура горных пород на глубинах 7—15 км достигает 200— 400° С, что вызывает необходимость

в создании термостойких буровых растворов, их искусственном охлаждении, обеспечении необходимой прочности бурильного инструмента, обсадных и бу­ рильных труб, ослаблении термических напряжений на стенках скважин и пре­ дупреждении других осложнений, вызванных влиянием высокой температуры и препятствующих нормальному ведению работ по бурению, промывке и обсадке скважин.

Влиянию температуры на технологию ведения горных работ и теплообмену в глубоких выработках, в том числе в бурящихся скважинах, посвящены фундамен­ тальные работы А. Ф. Воропаева, Г. В. Дуганова, Ю. Д . Дядькина, Б. И. Есъ-

выше технических задач применительно к сверхглубокому бурению потребовались:

Т

Г Л А В А 1

ПРОБЛЕМА ГЛУБИННОГО БУРЕНИЯ И ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВОГО ФАКТОРА

НА ПРОВЕДЕНИЕСВЕРХГЛУБОКИХ СКВАЖИН

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ БУРЕНИЯ НА ВЕРХНЮЮ МАНТИЮ И БУРЕНИЯ ГЛУБОКИХ

РАЗВЕДОЧНЫ Х С КВ АЖ И Н В СССР

В настоящее время в ряде стран (главным образом в СССР и США) выполняются крупные геологические, геофизические и теплофизические исследования по изучению внешнего слоя земной коры с целью дальнейшего познания закономерностей протекания глубинных про­ цессов в недрах Землн, исследования строения верхней мантии, механизма очагов землетрясений, природы границы Мохоровичича, выявления новых запасов полезных ископаемых, оценки ресурсов

ииспользования тепла Земли.

Всвязи с программой этих работ в Советском Союзе проекти­

руется и производится механическое бурение серии скважин глуби­ ной 15—18 км в различных районах. Такие скважины, пробуренные в условиях материковой коры, дадут возможность получить пред­ ставление о составе и строении всего гранитного слоя коры и верхних частей базальтового слоя, изучить процессы, протекающие на глу­ бинах, где развивается гранитизация и металлофизация, происходит оформление магматических интрузий и зарождение горючих раство­ ров и газов, несущих оруденение, возникают перемещения, вызыва­ ющие тектонические деформации на поверхности. В результате исследований с помощью сверхглубоких скважин будут существенно уточнены закономерности скопления полезных ископаемых в глу­ бинных слоях земной коры и значительно ускорено решение про­ блемы использования тепла Земли для крупной энергетики и в дру­ гих народнохозяйственных целях [7].

В целом сверхглубокое бурение, сопровождаемое широким ком­ плексом координированных исследований, должно привести к подъе­ му наук о Земле на принципиально новый уровень.

5

Исходя из этих задач, в нашей стране намечены следующие районы заложения сверхглубоких скважин [66, 74].

I. Глубокие впадины — с целью изучения на полную мощность осадочных пород в пределах гравитационных максимумов и нахо­ ждения нижней границы нефтегазоносности.

II. Области палеозойских геосинклиналей — для вскрытия иа

вскрытия поверхности Мохоровпчича.

Необходимо отметить, что уже на глубинах 3000—7000 м, вскры­ ваемых в настоящее время разведочными скважинами, температура горных пород достигает 150—200° С. При этом наиболее высокие температуры наблюдаются при буренип в вулканических областях,

измеренным при бурении глубоких скважин в различных районах

СССР и США, по данным Д. И. Дьяконова и Б. А. Яковлева. Экстра­ поляция этих данных показывает, что при бурении сверхглубоких скважин на глубинах 15—18 км температура массива может дости­ гать 400—600° С, а в зонах разломов и впутрикоровых очагов лавы— превышать 1000° С.

Таким образом, пробуренные сверхглубокие скважины, прони­ кая в зону высоких температур, расширят возможности использо­ вания богатств земной коры и будут представлять собой после окон-

6

чаиня бурения уникальные устройства для вывода на поверхность подземной тепловой энергии. Вместе с тем, высокая температура вскрываемых горных пород, отрицательное влияние которой на процесс бурения обнаружено уже на значительно меньших глубинах, должна быть тем более учтена при разработке технических средств технологии и режима сверхглубокого бурения.

В связи с этим бурящиеся в СССР скважины глубиной до 15 тыс. м делятся на четыре категории, причем для всех четырех категорий программа научных исследований включает в себя изучение условий теплообмена в бурящейся скважине при температурах до 200, 300 и 450° С в осадочной и гранитно-базальтовой толще [7, 58].

Осуществление в возрастающих масштабах геологических работ

сцелью обнаружения новых месторождений полезных ископаемых,

втом числе не имеющих выхода на поверхность и залегающих на глубинах 5—7 км, и с целью вывода на поверхность и использования геотермической энергии также тесно связано с решением задачи прогноза и регулирования теплового режима в разведочных сква­ жинах.

Такие скважины в настоящее время бурятся в Азербайджане, Прикаспийской впадине, на Украине и в других районах. На Укра­

ровско-Донецкой впадине), а также большое количество скважин глубиной 3500—4000 м.

При бурении скважин на глубину 7000 м на территории Укра­ инской ССР в пределах осадочного чехла Днепровско-Донецкой

7

впадины ставится задача совершенствования технологии бурения в ус­ ловиях высоких глубинных температур н горного давления. Как показали исследования, но мере продвижения к Донецкой миогеоспиклннали температура горных пород на глубине 1000 м повы­ шается до 43° С (в районе Донецка). На этом фоне имеется ряд гео­ термических аномалий, где температура на абсолютной отметке 1000 м возрастает до 52° С (Маигусско-Губкииский и БарановическоАстраханский глубинные разломы). Соответственно на глубине 7 км

онах бурения глубоких скважин па Украине составляют: для Дне­

3,5° С/100 м.

Фактические и расчетные данные по отдельным скважипам при­ ведены в табл. 3.

Таблица 3

* Расчетные значения температуры.

Как видно из данных табл. 3, в Закарпатье, Предкарпатье, Дне­ провско-Донецкой и Причерноморской впадинах температура пород на глубинах 2000—4000 м превышает 100° С. Ожидаемые темпера­ туры на глубинах 5000 и 7000 м для площадей, указанных в табл. 2, составляют соответственно от 100 до 236° С и от 160 до 270° С. Со­ вершенно очевидно, что даже при некотором завышении ожидаемых значений температуры горных пород (за счет несовершенства мето­

8

дики геотермических измерений и других факторов) ее влияние на процесс бурения будет достаточно велико и его необходимо учитывать при проектировании глубоких буровых скважин.

Конкретными техническими задачами, обусловленными ослож­ няющим влиянием высокой температуры на условия бурения глу­ боких разведочных и эксплуатационных скважин на территории Украины, являются:

1) прогнозирование и контроль температурных условий в ство­ лах бурящихся скважии в зависимости от их глубины, геологиче­ ского разреза и характеристики промывочных растворов;

2)установление величины геотермических градиентов в районах заложения буровых скважин по измерениям температуры промывоч­ ной среды;

3)контроль температурного режима работы забойных агрегатов

иинструмента, в частности электробуров, особенно при бурении скважин с продувкой воздухом;

4)выбор оптимальных по температурным условиям режимов бу­ рения и промывки (схемы циркуляции, расхода промывочной жид­ кости и т. д.).

Основой решения этих задач, как и задач, относящихся к сверх­

глубоким скважинам, бурящимся на верхнюю мантию, должна быть универсальная научно обоснованная методика тепловых расчетов в сочетании с достаточно совершенными методами и устройствами для контроля и регулирования теплового режима при сверхглубоком бурении.

ВЛИЯНИЕ ВЫ СОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ТЕХНОЛОГИЮ БУРЕНИЯ

ИСОСТОЯНИЕ КОНСТРУКЦИИ С КВАЖ И Н Ы

ИБУРИЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА

Осложнения, возникающие при сверхглубоком бурении в усло­ виях высокой температуры горных пород, связаны с влиянием темпе­ ратурного фактора на свойства промывочной жидкости и гидравли­ ческие параметры циркуляционной системы, износоустойчивость бурильных труб и рабочей части долот, устойчивость стенок сква­ жины при циклических колебаниях температуры, обусловленных выполнением спуско-подъемных операций, на работоспособность забойных двигателей (турбо- и электробуров) и т. и.

Высокая температура горных пород, наблюдаемая на больших глубинах, отрицательно влияет на материалы, входящие в состав промывочных растворов, используемых при бурении скважин. Как химические реагенты, так и глины, используемые в промывочных растворах, при высоких температурах становятся слабоактивными н нестабильными и не могут достаточно эффективно обеспечивать не­ обходимый режим бурения. При прогреве химически не обработанных глинистых растворов до 140° С происходит термодиснергирование

9