Поведение горных пород на стенках скважины зависит от температуры горных пород и бурового раствора. Поэтому для решения различных технико-технологических задач бурения глубоких скважин необходимо знать температуру горных пород данного района и температуру циркулирующего бурового раствора на различных участках ствола скважины. Это объясняется тем, что высокая температура в процессе бурения может оказывать существенное влияние: на свойства бурового раствора и химических реагентов; на условия разрушения горных пород; на работу забойных двигателей, долот, буровых насосов и других элементов циркуляционной системы буровой установки.
Геостатическая температура пород ТГ (°С) - это температура в естественных условиях залегания пород в земной коре, т.е. до начала бурения или после весьма длительного простоя скважины без промывки.
С увеличением глубины залегания пород ниже нейтрального слоя (ближайший к дневной поверхности слой породы, температура которого не изменяется при суточных и сезонных колебаниях температуры атмосферного воздуха) она возрастает, причем интенсивность роста, как правило, изменяется чаще в сторону уменьшения.
В районах, где геотермический градиент с глубиной изменяется весьма незначительно, распределение геостатических температур приближенно можно рассчитать по формуле
ТГ≈Тпл-Г(Нпл-Н), (1.37)
где Тпл - известная температура на глубине Нпл, °С; Г - геотермический градиент - прирост ТГ на каждый мегр глубины залегания породы, °С/м (с глубиной несколько изменяется).
Поток бурового раствора (в бурильной колонне) на протяжении своего движения получает тепло от восходящего потока бурового раствора (через стенки бурильной колонны) и поэтому постепенно нагревается: на устье скважины он имеет минимальную температуру, а на выходе из долота максимальную; при прочих равных условиях эта температура повышается по мере увеличения глубины скважины.
На протяжении своего движения восходящий поток раствора (в кольцевом пространстве) отдает тепло нисходящему потоку, а начиная с некоторой глубины - и стенкам скважины; до этой глубины (на которой температура бурового раствора равна температуре стенок скважины) восходящий поток получает тепло от стенок скважины. Таким образом, циркулирующий раствор при движении от забоя до указанной глубины нагревается, а при движении от указанной глубины до устья скважины охлаждается. Таким образом, температуру бурового раствора следует рассматривать как важнейший параметр, определяющий режим бурения и который частично можно регулировать.
Расчет распределения температур бурового раствора и стенок скважины во время бурения достаточно сложен. Этот вопрос послужил предметом многочисленных работ с использованием числовых расчетов. Однако их практическое применение чаще проблематично.
Для ориентировочной оценки распределения температур в скважине при промывке можно воспользоваться экспресс-методикой ВНИИКР нефти(1976).
Температура на забое скважины после нескольких циклов циркуляции
T3≈0.33T0 + 0,67Tпл (1.38)
(Т0 - температура нейтрального слоя Земли, °С); температура выходящего из скважины потока
Твых≈0.67Т0 + 0,33Tпл; (1.39)
температура бурового раствора, закачиваемого в бурильную колонну (температура нисходящего потока на входе в бурильную колонну)
Твх=Твых-∆Твых (1.40)
(∆Твых -уменьшение температуры раствора в наземной циркуляционной системе, зависящее от температуры атмосферы и конструкции этой системы и равное 7°С);
средняя температура восходящего и нисходящего потоков при промывке соответственно
(1.41)
Тср.н≈0,5(Тпл-Т0+∆Твых); (1.42)
средняя температура в скважине
Тср.с≈0.53Тпл+0.45Т0 (1.43)
Температуру циркулирующего бурового раствора на любой глубине h в скважине можно вычислить и по формуле
Тh = T0 + 0,14Гh + 0.43ГH. (1.44)
По данным выполненных расчетов строятся кривые распределения температур в нисходящем и восходящих потоках бурового раствора.
Мерзлые горные породы в зависимости от того, как долго они находятся в мерзлом состоянии, делятся на сезонно-мерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые породы (годы, сотни и тысячи лет). Мощность последних в северных и северо-восточных районах России измеряется сотнями метров, а температура достигает - 7+ - 12°С
Обломочные водонасыщенные рыхлые и слабосцементированные горные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства: при замерзании цементируются льдом и отличаются высокой прочностью (σсж≤2,5 МПа) и непроницаемостью; при оттаивании они переходят в переувлажненное состояние. Прочность мерзлых песчаных пород значительно выше, чем прочность мерзлых глинистых пород.
Пример 1.11 Оценить значение геостатической температуры, измеренной на глубине Н=1800 м, если величина Тг, измеренная на глубине 1500 м, составляет 64°С, а средний геотермический градиент равен 0,037°С/м.
Решение. По формуле (1.37)
Тг=64-0,037( 1500-1800)=75,1°С.
Пример 1.12 Построить график распределения температур в потоке бурового раствора при окончании бурения скважины для следующих условий: глубина скважины Н=3200 м; геостатическая температура Тг=102°С; температура нейтрального слоя Земли Т0=8°С; уменьшение температуры бурового раствора в наземной циркуляционной системе ∆Твых≈7°С.
Решение. Температура на забое скважины по формуле (1.38) Т3≈0,33·8+0,67·102=71 °С.
Температура выходящего из скважины потока по формуле (1.39) Твых≈0,67·8+0,33·102=39°С.
Температура бурового раствора, закачиваемого в бурильную колонну, по формуле (1.40)
Твх≈39-7=320°С.
Средняя температура восходящего и нисходящего потоков из выражений (1.41) и (1.42) соответственно
Тср.в≈4/9·8 + 5/9·102 = б0°С;
Тср.н ≈0,5(102 - 8 +
7) = 50,5 °С.
Средняя температура в скважине по формуле (1.43)
Тср.с≈0.53·102+ 0.45·8 = 58°С.
Пример 1.13. Вычислить температуру на забое скважины для условий предыдущего примера, если геотермический градиент Г=0,37°С.
Решение. По формуле (1.44)
Тh =8 + 0,14·0,037·3200 + 0,43·0,037·3200 = 75,5 °С.
Кривые распределения температур в нисходящем и восходящем потоках приводятся на рис. 1.2
Рис. 1.2. Кривые распределения температур в нисходящем (1) и восходящем (2) потоках при промывке скважины для условий примера 1.12.
