книги / Теплопередача в скважинах

цемента на протяжении		всего	процесса остается		величиной		по­
стоянной	[54]
	q= ?max{l — [1 н-(m — 1)-Вт_1А:т]			m_1}' ккал/кг,		(V.30)
где qm3X — теоретически		возможное тепловыделение в				ккал/кг;
В — запас	активной воды в		начальный	момент	времени в		кг;

к — константа скорости реакции при данной температуре; т — время гидратации с момента затворения цемента в ч; т — порядок реакции.

Для портландцемента

т = 2,2.

Формула (V.30) отражает зависимость тепловыделения от водо­ цементного отношения (коэффициент 5), от химического состава (величина дтях), от температуры (величина константы к). При про­ чих равных условиях с повышением температуры реакции гидратации интенсифицируются и скорость тепловыделения возрастает. Так, при повышении начальной температуры с 20—40 до 50—70° С (рис. 62) скорость тепловыделения в период схватывания раствора увеличилась в несколько раз.

Экспериментально показано [143], что добавление в тампонаж­ ный раствор бентонитовой глины и кварцевого песка приводит к снижению способности цементного раствора к тепловыделению при гидратации, но количество выделяемого тепла единицей веса сухого цемента изменяется незначительно. Это обстоятельство кос­ венно указывает на то, что бентонитовая глина и кварцевый песок выполняют роль инертного наполнителя.

Отсутствие точных количественных зависимостей между тепло­ выделением гидратирующего цемента и физико-химическими факто­ рами, влияющими на этот процесс, затрудняет получение конкретной аналитической зависимости. Однако известные качественные связи позволяют осуществлять прогнозную оценку влияния экзотермиче­ ского процесса на изменения температуры в скважине при ОЗЦ.

9’

Г Л А В А VI

РЕГУЛИРОВАНИЕ И НОРМАЛИЗАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИИ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ

Температура оказывает существенное влияние на успешность проведения ряда технологических операций в процессе бурения.

Увеличение температуры с ростом глубины скважин приводит к дополнительным термическим нагрузкам на буровое оборудование, инструмент, обсадные колонны, к снижению устойчивости стенок ствола скважины и т. д.

Под влиянием высокой температуры промывочные жидкости пре­ терпевают существенные необратимые изменения в результате усиле­ ния процессов структурообразования и иептизации, термического распада и десорбции реагентов-стабилизаторов, приводящих к ухуд­ шению реологических свойств растворов и процессов физико-хими­ ческого взаимодействия между отдельными компонентами.

При высокой температуре происходит необратимое загустевание или разжижение глинистых растворов, выпадение утяжелителей, потеря коллоидной устойчивости и рабочих свойств растворов, как промывочных жидкостей.

С ростом температуры ухудшаются и свойства цементных раство­ ров, используемых при цементировании колонн в скважинах, значи­ тельно сокращаются сроки загустевания и схватывания, увеличи­ ваются вязкость и проницаемость цементной пульпы, с течением времени падает прочность цементного камня.

Для сохранения свойств промывочных и цементных растворов при высокой температуре в настоящее время применяют дорогостоя­ щие стабилизаторы, замедлители сроков схватывания. Тем не менее, эффективность действия этих стабилизаторов при температуре около 200° С недостаточна и промывочные жидкости теряют стабильность. Кроме того, при проходке «горячих» скважин возникают условия, приводящие к изменению характера действия реагентов, что влечет за собой серьезные последствия (преждевременное схватывание цементного раствора при прокачке, ухудшение реологических свойств

раствора и,	как следствие	этого, прихваты инструмента,	затяжки
и т. п.).	регулирование	глубинной температуры при	бурении
Поэтому

в пределах, допустимых для используемых материалов и оборудова­ ния, на современном этапе развития техники проходки скважин следует считать одной из важнейших задач [21, 25, 26, 214].

132

Искусственное перераспределение температуры в стволе скважины позволит осуществить ее проходку с применением промывочных жидкостей пониженной термостойкости и обеспечит возможность применения тех или иных растворов до глубины, на которой геостатическая температура превышает их термостойкость.

Искусственное снижение температуры в стволе сверхглубоких (10 000—15 000 м) бурящихся скважин позволит сохранить возмож­ ность применения промывочных и цементных растворов на водной основе (напомним, что критическая температура для воды равна 374° С).

Таким образом, регулирование температуры в бурящихся сква­ жинах приобретает большое значение и является одним из целесо­ образных путей совершенствования их проходки.

Уже сейчас разработаны и применяются на практике некоторые методы регулирования температуры в бурящихся скважинах (охла­ ждение промывочных агентов на поверхности, промывка скважин с целью снижения температуры в призабойной зоне перед цементиро­ ванием обсадных колонн).

В настоящей главе делается попытка обобщить имеющийся мате­ риал по существующим методам искусственного регулирования тем­ пературы в скважинах и наметить пути их совершенствования.

§ 1. ОПЫТ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ГЛУБОКИХ СКВАЖИНАХ

Применение методов регулирования температуры пород в горном деле при проходке шахт и в бурении скважин известно давно. В основ­ ном это методы искусственного снижения температуры.

Трудности, возникающие при бурении и креплении скважин в связи с ростом забойных температур, обусловили не только широ­ кое развитие работ, связанных с созданием термостойких промывоч­ ных жидкостей и тампонажных растворов, но и попытки искусствен­ ного охлаждения этих систем для предупреждения различных ослож­ нений при бурении и креплении скважин, а также при проведении геофизических исследований.

Наиболее просты и широко известны методы регулирования тем­ пературы в стволе скважины путем ее длительной и интенсивной промывки буровым раствором. В работе [115] описано охлаждение ствола скважины промывкой для предотвращения самопроизвольных выстрелов перфораторов при высокой температуре. Авторами описан эксперимент, предусматривающий промывку ствола скважины глу­ биной 3300 м водой и глинистым раствором в течение 5 ч с расходом промывочной жидкости 10 л/с. По свидетельству авторов, промывка водой дала общее снижение забойной геостатической температуры на 1,7° С. Промывка глинистым раствором при тех же условиях позволила снизить температуру забоя на 40° С.

В 1966 г. в объединении Ставропольнефтегаз был осуществлен промышленный эксперимент по охлаждению забоя скв. 23 месторо­

133

ждения Русский Хутор методом многоцикличной промывки глини­ стым раствором и водой со скоростью 6 л/с [146]. Несмотря на то, что глинистый раствор по удельному весу и вязкости незначительно отливался от воды, эффект охлаждения забоя при промывке глинистымфаствором оказался в три раза выше, чем при промывке водой.

В 1937 г. в США для предупреждения обвалов стенок скважины, сложенной глинистыми породами, предотвращения загустевания глинистого раствора и вредного влияния температуры на буровое оборудование был применен специальный охладитель глинистого раствора [208]. Охладитель представлял собой горизонтальную пер­ форированную в нижней части трубу, в которую подавали глини­ стый раствор. Разбрызгивавшийся через отверстия трубы глинистый раствор стекал вниз по секции наклонных полок. Интенсификация отбора тепла от раствора достигалась его обдувом воздуха с помощью вентилятора, имеющего привод типа паровой турбины. Охлаждение происходило за счет интенсивного испарения воды из глинистого раствора и его охлаждения потоком воздуха.

Для снижения температуры выходящего из скважины глинистого раствора и предотвращения его термической деструкции на поверх­ ности устанавливали градирню, продуваемую воздухом с расходом

396м3/мин.

Сэтой же целью было осуществлено охлаждение глинистого раствора водой в специальной охлаждающей системе, состоящей из четырех параллельных теплообменников общей площадью охлажде­ ния 242 м2 [205].

Аварии, связанные с преждевременным схватыванием цементных растворов при прокачке в процессе цементирования скважин, яви­ лись причиной ряда мероприятий, направленных на регулирование температуры в стволе скважины перед цементированием, таких, как обычная промывка глинистым раствором непосредственно перед за­ качкой цемента в скважину [115] и промывка специально охлажден­ ным на поверхности глинистым раствором.

При цементировании нефтяных скважин в условиях, когда темпе­ ратура в стволе выше допустимой для цементных растворов, прибе­ гают и к искусственному понижению температуры, прокачивая пере; цементным раствором промывочную жидкость, охлажденную льдод [219].

Взарубежной литературе [214, 219] упоминается о способе це ментирования «горячих» скважин с подачей кусочков льда в циркули рующую промывочную жидкость и в нагнетаемый цементный раствор Закачка в скважину охлажденной льдом воды перед цементирование* описана в работе [214], где приведены исследования ирокачиваемост] цементных растворов на приборе фирмы «Станолинд» в условия: давлений и температур, имеющих место в скважинах.

Анализ проведенных испытаний показывает, что снижение темпе ратуры в стволе скважины перед цементированием позволяет созда вать необходимый резерв времени для безаварийной закачки цемент ного раствора в затрубное пространство.

134

Описанный метод предварительного охлаждения ствола скважины применяли при креплении глубоких скважин в Луизиане, Техасе, а несколько позднее — в Саудовской Аравии.

Как следует из работы [205], промывка скважины охлажденной на поверхности промывочной жидкостью позволила успешно провести исследовательские операции в глубокой высокотемпературной сква­ жине обычными глубинными приборами.

Известны и различные способы проходки скважин в вечномерзлых породах с использованием «холода». При бурении таких скважин промывочный агент (воздух, промывочная жидкость), имеющий тем­ пературу от 10 до 20° С, растепляет при циркуляции мерзлые породы. Первоначальная монолитность мерзлых горных пород, сцементиро­ ванных кристаллами льда, нарушается. Занимавшая ранее пустоты и поры замерзшая вода, переходя в жидкую фазу, уменьшается в объеме. Освободившийся объем пустот заполняется промывочной жидкостью, что ускоряет растепление пород и приводит к обвалам скважин. Часто наблюдающаяся при этом потеря циркуляции про­ мывочной жидкости еще более осложняет проходку вследствие интен­ сификации процесса растепления [112].

В результате растепления и оползания мерзлых пород постоянно увеличивается диаметр скважины и существенно ухудшается очистка ствола от выбуренной поро'ды.

Кроме того, при бурении скважин с продувкой воздухом в данных условиях возможен также ряд осложнений, связанных с выпадением конденсата, что приводит к прихватам инструмента [21, 26, 112].

По упомянутым причинам при бурении скважин в вечномерзлых породах оказалось целесообразным использование искусственно охла­ жденных промывочных агентов. Специальные меры по их охлажде­ нию в зимнее время, как правило, не требуются, так как агенты, имеющие температуру, близкую к 0° С, могут с успехом применяться при разбуривании многолетнемерзлых пород. При этом, однако, необходим подбор соответствующей промывочной жидкости, имеющей низкую температуру замерзания, или регулирование ее температуры с целью предотвращения замерзания в скважине в результате тепло­ обмена с проходимыми мерзлыми породами.

В летний период в зоне вечной мерзлоты для охлаждения промы­ вочных жидкостей сооружают специальные охладительные амбары, в которых используют принцип естественного теплообмена с мерзлым грунтом [112]. При бурении с продувкой воздухом в данных усло­ виях воздух охлаждают в заглубленном в мерзлом грунте батарейном холодильнике.

По опытным данным [ИЗ], таяние льда, содержащегося в вечно­ мерзлых породах, не происходит, если температура продувочного воздуха на забое при нормальной продолжительности рейса не превышает -(-5 -г- +10° С.

Известно применение в качестве промывочной жидкости дизель­ ного топлива [214], охлажденного в процессе циркуляции до темпе­ ратуры мерзлых пород и не замерзающего при этой температуре,

135

а также глинистых растворов с отрицательной температурой замер­ зания. Для снижения температуры замерзания к глинистым раство­ рам добавляют специальные реагенты (СаС12, MgCl2 и др. [111]).

При разведке урановых месторождений в США для обеспечения высокого выхода керна в сильно обводненных рыхлых песках также с успехом было применено в качестве промывочной жидкости охла­ жденное беспарафинистое дизельное топливо [218].

Известны примеры успешного применения искусственно охлажден­ ного воздуха путем отбора его тепловой энергии в виде механической работы в турбодетандере при бурении с продувкой воздухом в моно­ литных льдах Антарктиды. Эффективно использовали в качестве промывочной жидкости для бурения во льдах искусственно охла­ жденный керосин.

§ 2. ОХЛАЖДЕНИЕ ПРОМЫВОЧНЫХ АГЕНТОВ В ПОВЕРХНОСТНОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННОЙ СИСТЕМЕ

Выбор места регулирования температуры в скважине и техниче­ ских средств для его осуществления определяется в основном кон­ кретными климатическими и геолого-техническими условиями буре­ ния. Однако, при прочих равных условиях, в зависимости от поста­ вленной технологической задачи необходимо дать оценку эффектив­ ности и экономической целесообразности того или иного метода.

Сущность метода охлаждения промывочных агентов в поверхност­ ной циркуляционной системе состоит в постоянном снижении его температуры с помощью следующих охлаждающих устройств:

1)разбрызгивающих, продуваемых воздухом вентиляторных гра­

дирен;

2)теплообменников, охлаждаемых водой;

3)амбаров в многолетнемерзлом грунте;

4)заглубленных батарейных холодильников в многолетнемерзлом грунте;

5)холодильных машин.

Отличительной особенностью вентиляторных градирен или уста­ новок подобного типа является их большая экономичность и компакт­ ность. Минимально возможная температура охлаждаемой воды в уста­ новках такого типа может иметь значение на 1,5—2° С выше темпе­ ратуры окружающего воздуха по смоченному термометру. Напри­ мер, в районах с температурой воздуха по смоченному термометру летом 4-28° С минимальная температура охлаждаемой в градирне воды составит +30° С. В зимний период принудительная продувка градирни воздухом, в зависимости от конкретных условий, может быть исключена вследствие низкой температуры самого атмосферного воздуха.

Процесс охлаждения глинистого раствора в градирнях подлежит исследованию. Вызывает опасения возможная аэрация промывочного раствора в градирнях, снижение эффекта охлаждения за счет боль­ шой вязкости раствора и его тиксотропии. Недостатком градирен

136

следует считать потерю воды из раствора в результате испарения и механического уноса. При уносе воды неизбежно загустевание гли­ нистого раствора, что вызывает необходимость постоянной «подпитки» водой циркуляционной системы в объеме, равном объему испарив­ шейся в градирне воды, и создания специального контролирующего перемешивающего устройства для доведения промывочного раствора до необходимой кондиции после разбавления водой. Унос воды из раствора может достигнуть 3—5% от производительности системы (по данным для охлаждения воды в градирнях). Подлежит изучению и вопрос о влиянии атмосферного воздуха на свойства горячих про­ мывочных растворов при охлаждении в градирнях.

Теплообменники как охладительные устройства имеют ряд преи­ муществ по сравнению с вентиляторными градирнями. Унос воды и аэрация промывочного раствора, охлаждаемого в теплообменниках (кожухотрубчатых, оросительных, «труба в трубе» и других) исклю­ чены. При использовании теилообменных устройств в циркуляцион­ ной системе скважины сведена к минимуму площадь контакта горя­ чего глинистого раствора с атмосферным воздухом, что почти исклю­ чает возможные окислительно-восстановительные процессы в промы­ вочных растворах, характер и влияние которых на свойства раство­ ров пока не изучены.

К недостаткам теплообменников следует отнести возможность быстрого загрязнения стенок при охлаждении глинистых растворов и связанное с этим снижение коэффициента теплопередачи. Кроме того, применение теплообменников предполагает наличие высоко­ дебитного источника охлаждающей воды при прямоточной схеме охлаждения или блока оборотного водоснабжения для замкнутой (круговой) схемы охлаждения с источником водоснабжения для вос­ полнения безвозвратных потерь воды из системы оборотного водоснаб­ жения. В летнее время при использовании прямоточной системы охлаждения в теплообменниках температура охлажденного промы­ вочного раствора может быть получена более низкой, чем в вентиля­ торных градирнях, а в замкнутой схеме — более высокой. При охла­ ждении горячих растворов возможно выпадение солей из охлажда­ ющей воды, имеющей большую временную жесткость. Отложение солей в теплообменниках приводит к снижению общего коэффициента теплопередачи.

Охлаждающие амбары и батарейные холодильники, заглубленные в грунт в районах многолетней мерзлоты, следует считать наиболее экономичными и эффективными охлаждающими устройствами. Ис­ пользование других методов в зоне, где имеются многолетнемерзлые породы, нецелесообразно.

Применявшиеся для глубокого охлаждения промывочных агентов при бурении по многолетнемерзлым породам холодильные машины являются единственно возможным и необходимым оборудованием для достижения низких температур.

Выбор типа холодильных машин (компрессорные, пароэжектор­ ные, адсорбционные) определяется требуемыми холодопроизводитель­

137

ностью, глубиной охлаждения, технико-экономическими показа­ телями процесса охлаждения и другими факторами.

При любом методе охлаждения следует учитывать, что из минера­ лизованных буровых растворов будут выпадать соли и отлагаться в виде4осадка на стенках теплообменника и циркуляционной системы. Еслигв растворе содержатся соли, обладающие различной раствори­ мостью, то будет иметь место селективное обеднение раствора наи­ менее* растворимой солью. Для предупреждения изменения качества

раствора и восполнения

его со­

става

за

счет

дополнительного

растворения разбуриваемых со­

лей

необходимо

обеспечивать

возвращение в скважину как бу­

рового

раствора,

так и выпав­

шего из него осадка.

Нормализация

температур­

ного

режима

промывки

сква­

жин

является

одним из

глав­

ных

факторов

скоростного

и

безаварийного

бурения

в

рай­

онах

отложений мощной толщи

многолетнемерзлых пород. Про­

блема

состоит

в

определении

необходимого

вида температур­

ного

режима

промывки

(поло­

жительный или отрицательный),

рациональных

значений

темпе­

ратуры промывочной жидкости

и в выборе способов ее

подо­

грева

или

охлаждения.

Выбор

вида

температурного

Рис.

63.

Подогреватель

радиаторного

режима промывки определяется

фазовым

и температурным со­

типа:

1 — корпус

печи;

2 — емкость

с водой;

з —

стоянием

горных

пород.

Так,

радиатор

при проходке

морозных

пород

лотном

горизонте, независимо

и пород, залегающих в подмерз­

от вида промывочного агента рацио­

нально соблюдать положительный

температурный режим промывки.

При

бурении

мерзлых

пород для предупреждения осложнений и

аварий

необходимо

соблюдать отрицательный температурный

ре­

жим

промывки.

Положительный температурный режим промывки предназначен для восстановления тепла, отданного промывочным агентом стенкам скважины и окружающей среде на поверхности. В результате восста­ новления отданного тепла стенки скважины приобретают положи­ тельную температуру и буровой раствор не замерзает в скважине в период отсутствия циркуляции. Опыт показал, что при проходке нельдистых пород, имеющих температуру 2 ч* 5° С ниже нуля,

138

в скважинах не образуется лед при отсутствии циркуляции в тече­ ние 2—5 сут.

Положительный режим промывки может осуществляться различ­ ными способами: использованием тепла окружающего воздуха (летом), нагревом продуктами сгорания топлива или электроэнергией.

Использование тепла атмосферного воздуха для подогрева про­ мывочной жидкости в районах распространения многолетнемерзлых пород может осуществляться в течение 2,5—4,5 летних месяцев. Установлено, что температура раствора в отстойниках изменяется от плюс 13—14° С до плюс 6—4° С при колебаниях температуры воздуха от плюс 25 до 0° С.

Когда температура окружающего воздуха ниже 0° С, для регули­ рования положительного температурного режима промывки исполь­ зуют кубогреи, водогрейные котлы и подогреватели радиаторного типа путем нагрева технической воды и смешения ее с буровым раствором.

Наиболее рациональной считают такую конструкцию подогрева­ теля радиаторного типа, в которой тепло от топки передается к цир­ кулирующему раствору через емкость с водой (рис. 63). Это позво­ ляет избежать перегрева поверхности радиатора и эффективно осуществлять подогрев бурового раствора.

При наличии электроэнергии рационально подогревать буровой раствор с помощью электроподогревателей или спиральных электро­ печей. Наиболее простыми, падежными и безопасными в работе являются трехфазные трубчатые электроподогреватели, нагрев воды в которых происходит за счет прохождения электрического тока но воде от электродов к внутренней поверхности стальных трубок. Мощность трубчатых электронагревателей 3—6 кВт.

Назначение отрицательного температурного режима состоит в под­ держании отрицательной температуры промывочной жидкости при проходке скважины в слабосцементированиых или трещиноватых ледонасыщенных мерзлых породах.

Охлаждение промывочной жидкости можно осуществить . несколькими способами:

а) использованием естественного холода в зимний период; б) использованием запаса холода мерзлых пород;

в) применением искусственного охлаждения в летний период. Для применения первого способа необходимо бурить шурфыотстойники в мерзлых породах. Практически этот способ позволяет понизить температуру бурового раствора до плюс 2—4° С, но не до

отрицательных значений.

Продолжительность использования естественного холода зависит от климатических условий. Так, в районе г. Норильска естественное охлаждение промывочной жидкости можно осуществлять в течение 7—8 мес. (с октября по май месяцы).

В летний период применяют искусственное охлаждение. Одной из разновидностей искусственного охлаждения является использова­ ние охлаждающих смесей (табл. 24).

139

				Т а б л и ц а 24
	Рекомендуемый состав охлаждающих смесей		[112,	114]
	Состав смеси	Понижение температуры, °С
		Весовые части	от	до
Измельченный лед или снег +		поваренная
с о л ь ................	“ .........................................	2 + 1	0	— 2 0
Измельченный лед или снег +		хлористый
кальций	.....................................................	2 + 3	0	—45
Измельченный лед или снег +		углекислый		—46
калий .........................................................		3 + 4	0

В зависимости от соотношения процессов таяния льда и растворе­ ния соли, происходящих в ледосоляной смеси, можно получить минимальную температуру для поваренной соли до минус 20° С, а для хлористого кальция до минус 45° С.

Основным преимуществом ледосоляного охлаждения является простота технологии процесса и малые дополнительные затраты средств. Однако работы по добыче льда (снега), его транспортировке

ипоследующему приготовлению смесей достаточно трудоемки.

§3. ОХЛАЖДЕНИЕ НАГНЕТАЕМОЙ В СКВАЖИНУ

ПРОМЫВОЧНОЙ ЖИДКОСТИ ЛЬДОМ

Расчеты показывают (табл. 25), что охлаждение промывочной жидкости льдом в приемном амбаре для снижения забойной темпе­ ратуры в глубоких скважинах является малоэффективным мероприя­ тием, особенно при низких скоростях промывки.

Заслуживает внимания и подлежит изучению существующий способ снижения температуры ствола скважины, предусматрива­ ющий подачу льда непосредственно в поток циркулирующей промы­ вочной жидкости. В этом случае увеличивается интенсивность охла­ ждения наиболее опасного из-за высоких температур нижнего участка ствола скважины, причем эффект охлаждения обусловлен, главным образом, скрытой теплотой плавления льда.

Учтя перспективы развития метода охлаждения ствола скважины путем закачки в нее льда, нами предпринята попытка описать ана­ литически нестационарный теплообмен и оценить энергетические возможности тающего в потоке бурового раствора льда как поглоти­ теля тепла. При этом рассматривается следующая физическая модель.

В скважину закачивают по колонне бурильных труб промывоч­ ный агент со льдом. Концентрация льда, подаваемого в нисходящий поток, остается постоянной. Все тепло, поступающее в полость бурильной колонны на участке течения бурового раствора со льдом,

140