VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Бурение скважин в многолетнемерзлых породах связано с рядом осложнений: оползни и обвалы рыхлых пород, связанные с этим прихваты инструмента, обсадных труб; низкое качество цементирования; замерзание промывочной жидкости в скважине, полное ее промерзание при вынужденных остановках, снижение количества и качества керна. Основная причина этих явлений - нарушение температурного режима скважины из-за применения технологии бурения без учета теплообменных процессов между мерзлыми породами и промывочным агентом в ходе его циркуляции.

Нормализация температурного режима скважины при бурении в мерзлых породах достигается изменением физических и теплофизических свойств очистного агента. Поэтому вычислительный эксперимент по исследованию теплового режима скважины в различных условиях не теряет своей актуальности.

Целью вычислительного эксперимента является определение начальной температуры промывочного агента в условиях глубокого бурения (до 1000 м) с изменением агрегатного состояния породы по глубине скважины. В основе расчетов лежит методика определения температуры нисходящего и восходящего потоков по математической модели, описанной в [1]. Отличительной особенностью данной модели является определение коэффициента нестационарного теплообмена Kτ, учитывающий изменение интенсивности теплообмена между циркулирующей в скважине средой и окружающими породами и определение и определение коэффициента интенсификации теплообмена Kагр, для учета изменения агрегатного состояния мерзлых пород на их теплообмен с промывочным агентом. В результате ряда преобразований и упрощений для определения распределения температур циркулирующего потока по глубине скважины принимаются формулы, в которые указанные коэффициенты входят параметрически.

,

где h- глубина скважины, τ- продолжительность циркуляции, - вектор параметров, определяемых по эмпирическим формулам – теплофизических характеристик среды и породы. Этот вектор имеет разные составляющие для расчета температур Т1 и Т2.

Для определения начальной температуры принимается естественное условие, что температура восходящего потока промывочного агента в области агрегатного перехода пород должна изменяться очень слабо вблизи нулевого значения. Для этого вся расчетная область по глубине скважины разделена на три расчетных зоны: область мерзлой породы МП, область агрегатного перехода АГРП и область талой породы ТП. Для каждой из этих областей применяется отдельная последовательность расчета теплофизических характеристик среды и очистного агента, а также безразмерных вспомогательных параметров, входящих в математическую модель.

На некотором уровне h0 в зоне АГРП температура восходящего потока принимается равной нулю:

Т2 (h0,V₂₂)=0.

Из этого условия определяется вектор параметров V₂₂ для расчета температур Т2н(h,V₂₂) и Т2в(h,V₂₂) восходящего потока на нижней и верхней границах зоны АГРП. Полученные значения являются условиями сопряжения, по ним определяются векторы параметров V₂₁иV₂₃ для расчета распределения температуры Т2(h,V) восходящего потока в зоне мерзлых пород МП и в зоне талых пород ТП.

На нижней границе зоны ТП рассчитывается технологический параметр dз, определяющий прирост температуры на забое. С учетом этого параметра определяется условие сопряжения температур нисходящего и восходящего потоков:

Т1(Н, V₁₃)=T2(Н, V₂₃)-dз.

Рассчитав необходимые параметры в векторе V₁₃ из этого условия, находится распределение температуры нисходящего потока Т1(h, V₁₃)в зоне ТП. Далее, с учетом аналогичных условий сопряжения рассчитывается распределение температуры нисходящего потока в зоне АГРП Т1(h,V₁₂) и в зоне МП Т1(h,V₁₁). Значение Т1(0,V₁₁) на верхней границе зоны МП есть искомое значение начальной температуры промывочного агента (табл.1).

Таблица 1

Распределение температуры бурящейся скважины по глубине.

h	t1	t2
500	1,610257	1,01642
500	1,01642	1,610257
450	0,315398	0,984032
400	-0,43678	0,251141
350	-1,18393	-0,52352
300	-1,87554	-1,28766
250	-2,45977	-1,99356
200	-2,87699	-2,59148
150	-3,05313	-3,02361
100	-2,89191	-3,21761
50	-2,26512	-3,07915
0	-1	-2,48235

Предварительные расчеты показали допустимые расхождения с данными, полученными в различных условиях для различных уровней промерзания породы (рис. 1). Для эффективного использования расчетной схемы построена методика проведения вычислительного эксперимента.

Рис. 1. График распределения температуры

1) Кудряшов Б.Б., Чистяков В.К., Литвиненко В.С. Бурение скважин в условиях изменения агрегатного состояния горных пород. – Л.: Недра, 1991. – 295 с.

Код для цитирования: Скопировать