автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.14, диссертация на тему:Исследование и расчет температурного режима скважины при бурении в мерзлых породах с промывкой пеной

Б ОД

На правах рукописи

КОЗЛОВ Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУРНОГО Р23КИМА СКЗАЕСИНЫ ПРИ БУРЕНИИ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ С ПР0МЫЗК0Й ПЕНОЙ

Специальность 05.15.14 - "Технология к техника

геологоразведочных работ"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических ялух

Санкт-Петербург

1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте имени Г.В.Плеханова (техническом университете)

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор

КУДРЯШОВ Борис Борисович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор СОЛОВЬЕВ Николай Владимирович

кандидат технических наук ВАРТЫКЯН Вартан Георгиевич

Водуцее предприятие:

закрытое акционерное общество "АМТ" (автоматизация мониторинга и технологий)

Защита диссертации состоится " ¿$/0 " 1996 г.

в /3 часов в зале № 2 на заседании Диссертационного сове Д.063.15.12 в Санкт-Петербургском государственном горном институ имени Г.В.Плеханова (техническом университете) по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия, дом 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " ■/У » 1996 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, доктор технических паук, профессор И.П.Тимофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. В современных сложных условиях переходного периода от плановой к рыночной экономике важнейшее значение для России приобретают ее минерально-сырьевые ресурсы.

Основные разведанные и, в особенности, перспективные запасы твердых, жидких и газообразных полезных ископаемых концентрируются в районах Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера и Северо-Востока страны, где почти повсеместно распространены многолетнемерз-лые породы. На область распространения многолетнемерзлых пород приходится около 65% территории России. Многолетняя мерзлота существенно осложняет гражданское и промышленное строительство, прокладку автомобильных и железных дорог, возведение долговременных сооружений, в особенности, объектов открытой и подземной добычи полезных.ископаемых, горно-обогатительных предприятий, а также выполнение геологоразведочных работ и инженерных изысканий, широко использующих бурение скважин. Как многолетний отечественный, так и зарубежный опыт показывает необходимость в этих условиях самого пристального внимания к совершенствованию технологии бурения скважин в целях геологической разведки, гидрогеологических исследова- • ний и инженерных изысканий не Только в интересах производительности и экономичности буровых работ, но, прежде всего, для обеспечения достаточной достоверности разведки и изысканий.

В результате долгой и трудной эволюции технологических средств и приемов бурения скважин в специфически сложных условиях мерзлоты к настоящему времени накоплено достаточно практических данных в пользу промывки скважин пеной. Эта новая разновидность очистных агентов в силу относительно малой потребности в воде и сжатом воздухе значительно упрощает организацию буровых работ, особенно в зимнее время, а ее особые реологические свойства многократно снижают частоту и тяжесть проявления типичных для мерзлоты осложнений процесса бурения, всегда являющихся следствием недостаточного учета температурного фактора.

. По указанным причинам есть все основания считать исследование закономерностей температурного режима скважин при бурении с промывкой пеной в многолетнемерзлых породах, направленное . на совершенствование технологии бурения, весьма актуальным.

Работа выполнялась в 1981-1995 г.г. в б. ОНИЛ ТТРБ, на.кафедре ТТБС Санкт-Петербургского государственного горного института и в геологоразведочных организациях б. ПГО Камчатгеологии, Приленск-

геологии, Севвостгеологии и Красноярскгеологии в соответствии с координационными планами и отраслевыми программами б. Мингео РСФСР и Роскомнедра, по наряд-заказам Минвуза и Госкомвуза Российской Федерации.

Цель работы'. Разработка достоверной методики расчетов по прогнозу И регулированию температурного режима скважины с учетом агрегатного перехода в окружающем массиве при бурении скважин в мерзлых породах с промывкой пеной.

Осиовныа задачи исследования.

1. Разработка математической модели термогидравлических процессов при бурении скважин с промывкой пеной в мерзлых поподах и льдах с учетом возможного изменения их агрегатного состояния.

2. Разработка методики экспериментального исследования зависимости параметра Нуссельта, характеризующего интенсивность тепло-обменных процессов при движении пены, от основных определяющих факторов, включая фазовый переход влаги в окружающем массиве.

3. Проектирование, изготовление и оснащение контрольно-измерительной аппаратурой экспериментального стенда для изучения теп-лообменных процессов при различных режимах циркуляции пены.

4. Проведение экспериментов, обработка опытных данных методами математической статистики и построение на этой основе эмпирической зависимости для расчетного определения значений коэффициента теплоотдачи а в конкретных условиях движения пены.

5. Разработка программы для ЭВМ с использованием эмпирической ■•зависимости для а, сопоставление расчетов по разработанной математической модели с результатами расчетов по эталонным аналитическим методам и опытными данными по температурному режиму, оценка достоверности модели.

6. Выполнение вариантных расчетов по прогнозу температурного режима скважин в различных типовых условиях бурения в мерзлых породах с промывкой пеной.

7. Разработка рекомендаций по расчетному прогнозу, регулированию и нормализации температурного фактора в целях совершенствования технологии разведочного бурения в обширной области распространения многолеткемерзлых пород на основе применения 'пены в качестве очистного агента.,

■ Методика исследований- Решение поставленных задач потребовало сочетания аналитических и экспериментальных методов исследования.

Теоретическая часть работы заключается в анализе и обобщении предшествующих разработок по прогнозу и регулированию температурного режима буровых скважин, существующих аналитических, полуэмпирических и чисто эмпирических экспресс-методов расчета, выявлению полноты и достоверности учета определяющие факторов и разработке на этой основе уточненной математической модели термогидравлических процессов циркуляции пены при бурении скважин в мерзлых породах. Применялись математический анализ и программирование на основе современных физических представлений о свойствах и движении пены с использованием достоверных опытных данных других исследователей и полученных автором самостоятельно. Экспериментальная часть исследований заключалась в разработке специального стенда — модели скважины с применением-современной контрольно-измерительной аппаратуры, обосновании методики и выполнении измерений по определению параметра.Нуссельта при циркуляции 'пены,.результаты которых обрабатывались методами математической статистики. Полученная эмпирическая зависимость параметра Нуссельта от определяющих его факторов использована при разработке алгоритма и программы для ПЭВМ, достоверность которых подтверждена результатами сопоставления расчетных и опытных данных и расчетами по эталонным аналитическим методам. Для обоснований рекомендаций по методике технологических инженерных расчетов' и нормализации температурного режима скважин при бурении с' промывкой пеной в мерзлых породах с учетом агрегатного перехода влаги в окружающем массиве использовались вариантные расчеты на ПЭВМ' с последующим анализом"и обобщением их результатов . ' .

Научная новизна. Экспериментально установлена зависимость параметра Нуссельта при циркуляции пены от ее физических свойств и режима течения в условиях агрегатного перехода в окружающем массиве, с. использованием которой разработаны математическая модель температурного режима скважины при бурении в многолетнемерзлых породах и программа для ПЭВМ и с помощью вариантных расчетов исследованы пу~-ти нормализации температурного фактора. _

достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций, основана на результатах математического анализа, достаточном объеме экспериментальных исследований зависимости параметра Нуссельта при циркуляции пены, современной методике измерений и обработки опытных данных, полном качественном и близком количественном совпадении расчетных и опытных данных.

Практическая ценяооть результатов исследования состоит в разработке инженерной методики расчетов температурного режима скважины при бурении с пеной в многолетнемерзлых породах и сплошных льдах с учетом агрегатного перехода влаги. Методика пригодна для достоверного расчетного определения рационального технологического режима промывки пеной в конкретных условиях, целенаправленного регулирования и нормализации температурного фактора с целью предупреждения осложнений и простоев по .причинам замерзания.очистного агента или растепления мерзлоты с потерей связности и устойчивости, что является необходимым условием совершенствования разведочных буровых работ в обширной области распространения многолетнемерзлых пород. На основе анализа вариантных расчетов разработаны рекомендации по выбору технических средств и технологическим приемам регулирования и нормализации температурного фактора при бурении скважин в мерзлых 'породах.

Реализация результатов исследования. разработанная методика инженерных расчетов и рекомендации по нормализации температурного фактора при бурении скважин в многолетнемерзлых породах принята ВНИИ методики и техники разведки (ВИТР) НПО "Геотехника" Роскомнедр РФ для практического использозания при разработке ноаой буровой техники и ресурсосберегающих технологий разведочного бурения в осложненных условиях. Основные результаты выполненного исследования (уточненная теория температурного ■ режима скважины при бурении в мерзлых породах с учетом агрегатного перехода, программа для ПЭВМ и методика технологических расчетов, рекомендации по нормализации температурного фактора) внедрены в учебный процесс при чтении курсов лекций "Бурение разведочных скважин на твердые полезные ископаемые", "Теоретические основы процессов бурения". Раздел: "Гидроаэромеханика и теплообмен", а также в курсовое и дипломное проектирование студентов СПГГИ по специальностям; 0807 - технология и техника разведки МПИ и 0908 - бурение нефтяных и газовых скважин.

Апробация работы.'Основные положения диссертационной работы докладывались на I (1989 г.) и III (1995 г.) Международных симпозиумах по бурению скважин в осложненных условиях (С.-Петербург, СПГГИ), на научных семинарах кафедры технологии и техники бурения скважин СПГГИ (1981-1996 г.г.). . .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ.

Об*мм и структур» диссертации. Работа состоит из введения, пяти

глав, основных выводов и рекомендаций и изложена на 168 стр. машинописного .текста, включает 20 рисунков, 15 таблиц, список использованной литературы из 125 наименований.

Содержание работы. В первой главе рассмотрено современное состояние методов расчета и нормализации температурного режима' скважин при бурении в мерзлых породах; расчета давления в циркуляционной системе скважины при течений пены; изученности реологических и те-плофизических свойств пены, оказывающих первостепенное влияние на термогидравлические процессы в скважине. Большой вклад в разработку методов расчета температурного режима скважин, определение свойств пены и гидравлических процессов при ее движении внесли Алишаев М.Г., Амиян В.А., Амиян A.B., Есьман Б.И., Истомин В.А., Кудряшов Б.В., Марамзин A.B., Медведский Р.И., Парийский Ю.М., Проселков Ю.М., Пудовкин М.А., Саламатин А.Н., Седов В.Т., Слюса-рев Н.И., Щербань А.Н., Яковлев A.M. и другие. Показано, что, несмотря на значимость ряда исследований, существующие методы расчета температурного режима скважины, буримой в мерзлых породах с применением пены, для которой отсутствуют данные о зависимости параметра Нуссельта от определяющих факторов, не в полной мере соот- • ветствуют требованиям к точности расчетов, что и определило задачи исследований.

Во второй главе изложена методика проведения экспериментальных исследований по установлению зависимости параметра Нуссельта пены от определяющих факторов, а также аналитических исследований термогидравлических процессов при циркуляции пены в скважине, буримой в ыноголетнемерзлых породах.

В третьей главе приведено математическое описание модели т< р-могидравлических процессов при бурении скважин в многолетнемерзлых ■породах с учетом агрегатного перехода в окружающем скважину массиве. Разработанная программа для ПЭВМ позволяет определить давление, скорость течения, температуру пены в любой точке циркуляционной системы скважины, а также время наступления агрегатного перехода в мерзлой породе и координаты фронта плавления льда, содержащегося в ней. 1

3 четвертой главе изложены результаты экспериментального определения параметра Нуссельта. Установлена эмпирическая зависимость между параметрами Нуссельта и Пекле с поправками на неньютоновское поведение пены и изменение, емкости среды в пристенном

В пятой главе приведена конечно-разностная схема решения дифференциальных уравнений движения и энергии. Адекватность предложенной модели подтверждена результатами сравнения расчетных значений давления, температуры и координат фронта плавления льда с опытными данными. Выполнен анализ существующих методов расчета давления. пены в циркуляционной системе скважины; показано, что разработанная модель обеспечивает минимальные отклонения от опытных данных. На основе выполненных вариантных расчетов получены уравнения регрессии, обеспечивающие расчетный прогноз, регулирование и нормализацию температурного фактора при бурении скважин с промывкой пеной в мерзлых породах.

Основные выводы отражают обобщенные результаты исследований в соответствии с поставленными задачами. Решение этих задач позволило достичь цели, поставленной в диссертационной работе.

В рекомендациях изложены основные технологические мероприятия по регулированию и нормализации температурного фактора при бурении скважин с промьщкой пеной в мерзлых породах.

Основные злтцищаамцо положения.

Положение 1. Существующие аналитические, 'полуэмпирические и численные методы расчета температурного режима скважины, различающиеся по полноте и достоверности учета определяющих факторов, не пригодны для инженерных расчетов по прогнозу и регулированию температурного фактора при бурении с пеной в мерзлых породах, поскольку отсутствуют данные по расчетному определению параметра Нуссельта при циркуляции пены, в т.ч. в условиях фазовых переходов влаги, и на обеспечивают достаточной точности результатов.

Известные аналитические и полуэмпирические решения уравнений движения и теплообмена очистных агентов в циркуляционной системе скважины основаны на допущении постоянства определяющих эти процессы параметров Рейнольдса и Прандтля, рассчитываемых для значений плотности, вязкости, теплоемкости и теплопроводности движущейся' среды, соответствующих среднему значению ее температуры и (для сжимаемых очистных агентов) давления. При циркуляции, сжимаемых очистных агентов давление в скважине может изменяться в очень широком диапазоне - " а? десятых долей МПа при продувке воздухом неглубоких скважин, до. 5-10 МПа при применении газожидкостных смесей. В столь же широком. диапазоне изменяются параметры Рейнольдса и

Прандтля. При этом дифференциальные уравнения движения и теплообмена имеют переменные коэффициенты, что не позволяет использовать извеотные аналитические решения ввиду неопределенности априорного задания средних значений температур и давлений, при'которых должны быть рассчитаны значения параметров, определяющих термогидравлические процессы в скважине. Пена является легко сжимаемой средой и, вследствие этого, изменение ее физических и реологических свойстз в циркуляционной системе скважины не позволяет использовать аналитические и полуэмпирические методы решения исходных уравнений для условий течения пены.

Наиболее полно процессы тепломйссопереноса при течении очи'ст-" ного агечта описываются дифференциальными уравнениями, предложен-1" ными М.А.Пудовкиным, В.А.Чугуновым и А.Н.Саламатиным, однако пред-' ложенное ими аналитическое решение уравнений предполагало постоянство определяющих процессы коэффициентов.

Ряд исследователей получили численное решение исходной системы дифференциальных уравнений в конечно-разностном виде, позволяющем учесть изменение свойств очистного агента в циркуляционной системе скважины. Анализ этих моделей применительно к циркуляции пены при бурении скважин в мерзлых породах показал, что, б силу принятых допущений, особенно в части расчета поля давлений, погрешность достигает 20-60%. Из-за отсутствия опытных данных по зависимости параметра Нуссельта от опредеЛяиих факторов, в т.ч. в условиях фазового перехода влаги в окружающих скважину горных породах, эти модели не позволяют определять температурное поле в породном массиве.

Положение 2. Разработанный и использованный в. экспериментах новый прием измерения параметра Нуссельта при течении пены в "ледяной трубе" позволил корректно моделировать гкважинные условия в мерзлых породах с учетом фазовых переходов влаги и обеспечил получение достоверной эмпирической зависимости параметра Нуссельта от свойств и .условий течения;пены.

Математическое моделирование термогидравлических процессов' невозможно без знания численного значения критерия Нуссельта и его зависимости от основных определяющих факторов. Обычно он определяется с помощью кожухотрубных теплообменников. Для теплообменника длиной 4 м с внутренним диаметром трубы, по которой течет пена,

равным 0,03 м, по известным зависимостям для ламинарного течения был'выполнен расчетный анализ термогидравлических параметров движения пены, который показал, что ожидаемый перепад температуры пены в теплообменнике составляет 0,22—0,99°С, а длина участка тепловой стабилизации 1т- от 476 до 2975 м, т.е. толыина теплового пограничного слоя на длине канала, равной 4 м, составляет 0,13—0,02 мм. Отсюда следует, что для определения коэффициента теплоотдачи с погрешностью, не превышающей 10%, температуру пены следует определять с точностью до 0,01°С. При этом возникает необходимость измерения толщины теплового пограничного слоя, ожидаемое значение которой составляет 0,02-0,13 мм. Такая задача технически крайне трудно осуществима.

.Изложенное выше позволило наметить путь" решения проблемы: следует избежать необходимости 'определения перепада температуры пены на входе и выходе из теплообменника, а также толщины теплового пограничного слоя.

Для определения параметра Нуссельта Ми использовался макет скважины, представляющий собой ледяной цилиндр с осевым цилиндрическим каналом,' по которому циркулировала пена, имеющая положительную температуру. Вследствие теплообмена пены со стенками скважины происходил нагрев льда и его протаивание, сопровождающееся увеличением диаметра канала.

Для определения численного значения параметра Нуссельта предложена формула

Nu=--р--. . ^ , и.

X F

2-Чк~

где D - диаметр канала, м; F- площадь поверхности стенок канала, м2; масса растаявшего льда,.кг; у- удельная теплота плавле-

ния льда, Дчс/кг; 1Л - температура льда в начале эксперимента, °С; С,- удельная теплоемкость льда, Дж/(кг'°С); 1,х - температура пены на входе канал, °С; т - масса пены, прошедшей через канал за время циркуляции пены, кг; Т - продолжительность циркуляции пены, с; Я- коэффициент теплопроводности пены, Вт/(м*"С).

В процессе эксперимента необходимо измерять 'температуру пены на входе в канал, суммарную массу пены Ш, прошедшей через канал за время Г, диаметр канала D (tee прочие изменяющиеся во времени параметры зависят от О),

Исследование конвективной теплоотдачи при течении пены проводилось на специально сконструированном, изготовленном и оснащенном контрольно-измерительной аппаратурой стенде, принципиальная схема которого приведена на рис. 1. Пенообразующий раствор подается плунжерным дозировочным насосом 2 марки НД-10/100 в пеногенератор 4 чьрез компенсатор 3, сглаживающий пульсации, а воздух от компрессора типа С0-7А производительностью 0,01 м3/с - через ресивер 8 по трубопроводу с установленной в нем конусной 'диафрагмой 9 для измерения расхода. Перепад давления на диафрагме измерялся дифма-нометром ДТ-50. Для предотвращения попадания жидкости в компрессор воздушный трубопровод снабжен обратным клапаном 12. Параметры пе-нообразующего раствора и воздуха на входе в пеногенератор контролировались соответственно образцовыми манометрами 6 и 10 и ртутными термометрами 5 и 11. Пена, образованная в пеногенераторе, подводилась к нижней части вертикально установленной модели скважины 13, представляющей собой трубчатый корпус из полиэтилена с внутренним диаметром О,2 м и длиной 1,4 и, внутри которого находился ледяной цилиндр 14 с осевым круглым каналом для циркуляции пены диаметром 0,075 м и длиной 0,6 м. Канал образовывался при замораживании . дистиллированной воды в кольцевом зазоре между корпусом.и формовочной трубой, извлекавшейся перед проведением эксперимента. Замораживание■льда в модели скважины производилось в холодильной камере, работа которой обеспечивалась фреоновой парокомпрессионной холодильной машиной типа АКВФУБС-6.

Измерение диаметра канала в ледяном блоке производилось с помощью хромель-Копелевых термопар ХК, рабочие спаи которых располагались во льду в радиальном направлении. В момент выхода спая из льда в поток пены температура спая резко увеличивалась. Термопары были предварительно проградуированы, т.е. была установлена зависимость термо-з,д.с. от температуры рабочего спая при температуре нерабочего спая, раиной 0°С. Во избежание погрешности показаний температура нерабочих спаев термопар во время экспериментов поддерживалась Постоянной, равной 0°С. С этой целью нерабочие спаи помещались в термос с тающим льдом"из дистиллированной воды. Регистрация термо-з.д.с. производилась с помощью цифрового вольтметра постоянного,тока типа Щ1516, Имеющего, в диапазоне измерений 0-50 мВ-ступень квантования 0,001 мВ. : \

: Эффективная, вязкость пены, значение которой необходимо знать для проведения регрессионного анализа и получения зависимости кри-

терия Нуссельта от критерия Пекле, определялась на ротационном вискозиметре ВСН-3.

В 1ТК.

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментального стенда для определения числа Нуссельта.

1 - емкость для раствора ПАВ; 2 - дозировочный насос; 3 - компенсатор; 4 - пеногенератор; 5, 11, 18, 21 - ртутные термометры; 6, 10, 17, 19, 20 - образцовые манометры; 7 - предохранительный клапан; 8 - ресивер; 9 - конусная диафрагма; 12 - обратный клапан; 13 - модель скважины; 14 - ледяной цилиндр; 15- подводящий патрубок; 16 - отводящий патрубок; 22, 23 - вентили.

С* - пена; ^ - раствор ПАВ; воздух.

Использовалась пенообразующая жидкость, приготовленная на основе поверхностно-активного вещества (ПАВ) - сульфоната (ВТУ-БУ-21-57) и пресной воды. Концентрация ПАВ составляла 1,0%. Температура льда в модели скважины составляла -1°С.

Абляция льда в модели скважины происходила при циркуляции через нее пены с начальной температурой 18°С. Режим ее движения регулировался путей изменения подачи жидкой и газовой фаз в диапазо-

-5 —4 3 —3 —2

не соответственно 3,33-10 - 4,1-10 м/с и 1,67-10 - 1,00-10 м3/с. Скорость абляции и численное значение критерия Нуссельта N4 оценивались по времени, затрачиваемому на перемещение фронта плавления льда (стенки скважины) от значения диаметра ^=0,080 м до В »0,085 м.

Расчет значения Nu, а также реологических и теплофизических параметров пены производился при среднем значении D=0,0825 м.

Результаты предварительной статистической обработки экспериментальных данных приведены в таблице. На компьютере с помощью программы статистической обработки CSS получена зависимость параметра Нуссельта от определяющих факторов

Nu=2J4S-S°-" (Pef" .?w (Д/Л)"", (2)

где L - длина канала, м; Ре' - обобщенный параметр Пекле.

Коэффициент 5 учитывает изменение интенсивности теплообмена, обусловленное различием градиента скорости на стенке канала для неньютоновской жидкости по сравнению с ньютоновской (поправочный коэффициент Пигфорда)

■ О)

4-л

где п - показатель неньютоновского поведения пены, доли ед.

Отклонения, вызванные искажением профиля скоростей, обусловленным наличием радиальных температурных градиентов и различием вязкости основного потока и пристенного слоя, учитываются поправочным коэффициентом Метцнера

? = (4)

где ft^p - эффективная вязкость пены, Па-с; - динамическая

вязкость жидкости (воды) в пристенном слое, Па-с.

На основании опытных данных построена и представлена на рис. 2 зависимость значений безразмерного комплекса 2\ii/(«$*'" • £0,1) от (Ре')" п-(D/L)0 " . опытные точки в этой системе координат располагаются около прямой линии, описываемой уравнением (2). Расхождение расчетных и опытных данных не превышает 6,7%.

Адекватность полученного уравнения регрессии подтверждается тем, что коэффициент множественной корреляции составляет 0,98, расчетное значение критерия Фишера равно 35,0, т.е. существенно больше табличного значения (6,59 при уровне значимости 0,05).

Расчетные значения коэффициента теплоотдачи пены а при ее течении в модели скважины составляют 36-148 Вт/(м2-°С), что в 1560 раз меньше, чем при течении воды в циркуляционной системе скважины и близки к значению ОС при циркуляции воздуха. Если не учитывать пленку воды в пограничном слое (абляция отсутствует), то ко-

Таблица

Результааи предварительной статистической обработки экпериментальных данных

Ре• Дисперсия,. Стандарт, 5 Коэффициент вариации, • % Необходимое количество опытов Доверительный интервал

' 'ЛЧи, *Ч,ах -

65394 90,31 10,147 3,185 3*, 53 2 85,24 95,38

137567 106,81 1В,948 4,353 4,08 • ' 2 99,88 113,74

209089 120,46 49,710 7,051 • 5,85 4 109,24 131,68

232914 113,57 25,832 5,082 4,48 3 105,48 121,66

246027 116,19 17,781 4,216 3,63 2 . 109,48 122,90

377723 125,40 25,393 5,03.9 4,02 2 117,38 133,41

521401 158,26 48,114 6,936 • 4,38 2 147,23 169,30

635174 . 163,90 50,492 7,106 4,34 2 152,59 175,20

эффициент теплоотдачи пены в 30-130 раз меньше, чем при течении воды.

N11

Рис. 2. Зависимость критерия Нуссельта с поправками на неньюта-новское поведение пены и различие вязкости в основном потоке й в пристенном слое от определяющих факторов.

Положение 3. Уточненная математическая модель температурного режима скважины при бурении с пеной по многолетнемерзлым породам с. учетом агрегатного перехода в окружающем массиве соответствует фи- -зике процесса и обладает достаточной для технологических расчетов

1

точностью. Выполненные на ее основе вариантные расчеты позволили получить уравнения регрессии, обеспечивающие расчетный прогноз,' регулирование и нормализацию температурного фактора, сводящиеся к-устранению агрегатного перехода в окружающем сквая'ину мерзлом массиве.

На основе дифференциальных уравнений тепломассопереноса 'выла разработана уточненная модель термогидравлических процессов при циркуляции очистного агента в. буримой в мерзлых породах скважине, решение которой осуществлялось численным методом. В модели объеди-

нены известные, но разрозненные данные по реологии пены и тепловому взаимодействию очистного агента с массивом мерзлых пород, а 'также самостоятельно установленные факторы. Учитывается изменение реологических и теплофизических параметров очистного агента в циркуляционной системе скважины.

Течение пены подчиняется степенной модели Оствальда-де Ваале, при этом для определения показателя неньютоновского поведения п и индекса консистенции использовались данные А.М.Яковлева и

А.Н.Саламатина. Скорость сдвига в каналах с круглой и кольцевой формой поперечного сечения определяется с учетом поправки на неньютоновское поведение пены. В разработанной модели учитываются гидравлические сопротивления при течении пены в соединениях бурильной колонны.

Переход от ламинарного режима течения к турбулентному происходит при условии, которое получено аппроксимацией опытных данных Метцнера-Рида

Ее'= 1722^ • ехр(0Д 112 / л). (5)

Для определения продолжительности циркуляции пены до начала агрегатного перехода в массиве мерзлых пород использована система уравнений, предложенная М.А.Пудовкиным, В.А.Чугуновым и А.Н.Сала-матиным. Радиус агрегатного перехода (фронта плавления льда) определялся из трансцендентного уравнения, полученного Б.Б.Кудряшовым, А.Н.Саламатиным и В.А.Чугуновым.

Процесс теплообмена разбивается на две стадии:

1) температура стенки скважины еще не достигла температуры плавления льда, и в окружающих скважину породах агрегатные переходы отсутствуют. Тепловой поток на стенке скважины определяется при этом через коэффициент нестационарного теплообмена кг ;

2) температура на стенке скважины равна или больше температуры плавления льда. При этом в окружающем скважину массиве мерзлых пород происходит агрегатный переход, а тепловой поток на стенке скважины определяется через коэффициент нестационарного теплообмена в условиях агрегатного перехода ка .

Для проверки точности разработанной модели были выполнены расчеты давления в кольцевом канале скважины для условий бурения нефтяных и газовых скважин, характеризующихся значительными зазорами между бурильной колонной и стенками скважины (рис. 3). Расхождение между расчетными значениями давления и экспериментальными

данными составляет, в зависимости от степени аэрации аа, от -13,8% до +14,1%, в среднем 8,3%. Для условий бурения скважин на твердые полезные ископаемые, для которых характерны небольшие кольцевые зазоры между бурильной колонной и стенками скважины, расхождение между опытными и расчетными значениями давления нагнетания составляет от -10,6% до +12,4%, в среднем 5,4%.

Р, МПа

Рис. 3. Зависимость давления в восходящем потоке пены, рассчитанного по разработанной модели, от глубины скважины:

» - при ао=20; ■ - при а„= 40.

Для проверки адекватности модели для решения задачи теплообмена без учета агрегатного перехода результаты численных расчетов, выполненных при постоянных коэффициентах, сопоставлялись с аналитическим решением Б.Б.Кудряшова (достоверность разработанной им математической модели температурного режима буримой скважины подтверждена близким совпадением с точным решением).

Результаты расчетов температуры в нисходящем и восходящем потоках, выполненные по разработанной методике, показали (рис.4) близкое совпадение с аналитическим решением.

'Л , м

О

100

.150

200

250

300

Рис. 4. Сопоставление результатов численного расчета.

температурного режима скважины с.расчетом по аналитическим формулам:

. — - численный расчет;

■ - расчет по аналитическим формулам.

Для проверки в целом математической модели термогидравличе-. ских процессов при бурении скважин с промывкой пеной использовались фактические данные по абляции льда в модели скважины при воздействии на него потока пены. Относительная ошибка е определении значений безразмерного радиуса агрегатного перехода составила от -1,53% до +0,03%.

Хорошее согласование результатов математического моделирования с экспериментальными данными и аналитическими решениями обеспечивает высокую точность численных расчетов для решения постав-• ленной задачи..

Для оценки влияния вида очистного агента на температурный режим буримой скважины и окружающего ее массива мерзлых горных пород были выполнены расчеты по разработанной модели и программе, исследовались четыре вида очистных агентов; вода, глинистый раствор, воздух и пена. Результаты показали, что по характеру теплового ' воздействия восходящего потока на окружающий скважину массив мерзлых пород пена занимает, промежуточно^, положение между глинистым раствором и воздухом, приближаясь к,последнему, .и оказывает' мини- :

мальное тепловое влияние: зона изменения естественного мерзлого состояния горных пород локализуется в призабойной части скважины и распространяется вглубь массива не более, чем на 8-10 мм, т.е. за 2 часа циркуляции пены происходит лишь поверхностное растепление пород. Расчетный объем оттаявших пород .",ля условий промывки глинистым раствором и водой составляет 2,6 - 3,6 м , для промывки пеной

з

и продувки воздухом - от 0,03 до 0,Об м . Вполне очевидно, что вероятность обвалов породы при применении воздуха и, особенно, пены, существенно меньше, чем для обычной жидкостной очистки скважины.

Для выявления закономерностей термогидравлических процессов при бурении скважин в, мерзлых породах с промывкой пеной было проанализировано влияние основных факторов, определяющих температурный режим скважины и окружающего массива мерзлых пород. В качестве основного и очевидного критерия безопасности технологического процесса бурения скважин в многолетнемерзлых породах принята продолжительность циркуляции пены до начала оттаивания мерзлых пород Г3. Массовый расход пены G принимался равным 0,0500; 0,0833 и 0,1167 кг/с; степень аэрации пены сс„ составляла от 50 до 350 с шагом 50; диаметр скважины Dc составлял 0,078; 0,095 и 0,114 мм; глубина скважины - 25; 100; 200; 300 м; мощность, реализуемая на забое скважины, принималась 'равной 1,5 кВт. Бурильная колонна муфтово-замкового соединения с наружным диаметром 0,05 иг и внутренним 0,039 м. ...

По результатам расчета температурного режима скважины и окружающего массива мерзлых пород с использованием программы статистического анализа CS3 был выполнен подбор вида и коэффициентов уравнения множественной регрессии, связывающего продолжительность циркуляции пены до начала оттаивания мерзлых пород т3 с основными технологическими параметрами, управление которыми возможно при проектировании технологии или непосредственно в процессе бурения скважины.

В результате получено уравнение

г, = -7,59 Нс +Z99-104 .0,-7,79-10* (7-1,71-а, , • (6)

где Нс - глубина забоя скважины, ы; Dc - диаметр скважины, м; G-массовый расход пены, кг/о; а„ - степень аэрации.

Адекватность уравнения подтверждается высоким значением коэффициента множественной корреляции (Г-0,961); расчетное значение критерия Фишера составляет 750,53, в то время как его табличное

значение для уровня значимости 0,05 и количества степеней свободы ^1=4 и ^2=248 составляет 2,40, т.е. намного меньше расчетного, что свидетельствует о высоком качестве модели.

Из приведенного уравнения видно, что в исследованном широком диапазоне условий для увеличения *, следует уменьшать массовый расход пены и степень ее аэрации а0 , поддерживая их значения на уровне, обеспечивающем скорость восходящего потока пены, достаточную для выноса из сквауины разрушенной горной породы.

Скорость восходящего потока пены на забое скважины может быть выражена через основные определяющие технологические факторы следующим образом:

' »'юв = -5,47-10"3Яс-6,58 /)с+16,89 <?+6,Ы(Г3 аа . (7)

Для уравнения (7) коэффициент множественной корреляции Г --0,916; расчетное значение критерия Фишера составляет 323,71, в то время как его табличное значение для уровня значимости 0,05 и количества степеней свободы V, =4 и Кг™248 составляет 2,40.

Выбор оборудования для нагнетания пены непосредственно связан с определением необходимого давления нагнетания Р„, которое можно рассчитать по уравнению

Рн = 3,24-10"3-0,23 />с +2,77 в + 4ЛЛ0~* аа , <8)

где Ры - в МПа.

Для уравнения (8) коэффициент множественной корреляции »0,986; расчетное значение критерия Фишера составляет 2239,87, в то время как. его табличное значение для уровня значимости 0,05 и количества степеней свободы VI «4 и у2=248 составляет 2,40.

Следует отметить, что несмотря на статистически адекватное описание уравнением (6) термогидравлических процессов, оно не претендует на достаточную для прогнозирования в инженерных задачах точность: рассчитанные по нему значения значения г, в отдельных случаях отличаются от рассчитанщах по предложенной модели на 1520%. Это связано с весьма сложным влиянием определяющих факторов на Г,, в особенности степени аэрации пены а, и ее массового расхода О. в то же время в задачи исследования не_входило составление точной прогнозной модели термогидравлических процессов или номограммы: решение таких проблем может быть актуально лишь для конкретных месторождений с известными.свойствами мерзлых горных пород.

ВЗВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Существенным резервом повышения эффективности и снижения стоимости бурения скважин в обширной области распространения мно-голетнемерзлых породах является применение в качестве- очистногб агента пены.

2. Существующие численные, аналитические и полуэмпирические методы расчета температурного режима скважины не .пригодны для инженерных расчетов по прогнозу и регулированию температурного фактора при бурении с пеной в мерзлых породах из-за отсутствия данных по расчетному определению параметра Нуссельта при циркуляции пены, вт. ч. в условиях фазовых переходов влаги, и не обеспечивают достаточной точности результатов.

3. Главным параметром, характеризующим термогидравлические процессы в скважине, является безразмерный критерий Нуссельта. Полученная эмпирическая зависимость между параметрами Нуссельта и Пекле с поправками на неньютоновское поведение п"ны и изменение вязкости среды в пристенном слое позволяет решить систему уравнений, составляющих математическое описание предложенной модели термогидравлических процессов.

4. Предложенный метод расчета температурного режима скважины, основанный на- численном решении дифференциальных уравнений тепло-массопереноса, позволяет повысить точность до приемлемой в инженерных расчетах и обоснованно подходить к выбору насосного и компрессорного оборудования для нагнетания пены, проектированию технологических режимов бурения, целенаправленно управлять процессом бурения.

5. Распределение температуры пены в циркуляционной системе скважины занимает промежуточное положение между распределением температуры глинистого раствора и сжатого воздуха, приближаясь к последнему. Тепловое воздействие потока пены на массив мерзлых пород близко к характеру влияния сжатого воздуха: зона изменения естественного мерзлого состояния пород локализуется в призабойном интервале скважины и распространяется вглубь массива на первые миллиметры, т.е. при достаточно продолжительной циркуляции возможно лишь поверхностное растепление пород, не вызывающее вследствие высокой выносной способности пены образования сальников.

6. Основное влияние на продолжительность циркуляции пены до начала оттаивания мерзлых пород оказывает их естественная темпера-

тура.

7. В рассмотренном широком диапазоне условий для увеличения продолжительности циркуляции пены до начала оттаивания мерзлых пород следует ограничивать мощность, реализуемую на забое скважины,

к

уменьшать массовый расход пены и степень ее аэрации.

8. Ограничение массового расхода и степени аэрации пены не должно повлечь чрезмерное уменьшение скорости восходящего потока .на забое скважины, для определения которой предложено уравнение регрессии..

9. Оборудование для нагнетания пены следует выбирать с учетом необходимого давления нагнетания, расчет которого возможен по уравнению, полученному для широкого диапазона условий.

10. Детальные рекомендации по параметрам режима бурения скважин с промывкой, пеной возможно ' разработать лишь для конкретных геологических условий, в т.ч. свойств мерзлых пород.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах;

1. Кудряшов Б.Б., Козлов A.B. Промывка пеной как средство нормализации процесса бурения скважин в мерзлых породах // Физические процессы горного производства / ЛГИ. Л,- 1938.- С.51-60.

2. Горшков Л.К., Климов В.Я., Козлов A.B., Яковлев A.A. Направление исследований по совершенствованию конструкций алмазного бурового инструмента // X Международный симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях. Тезисы докладов. Ленинград, 5-9 июня, 1989г. / ЛГИ. Л.- 1989.- С.78.

3. Яковлев A.A., Козлов A.B. Совершенствование технологии алмазного бурения с очисткой забоя пеной: Обз. инф. Сер. Техн. и технол. геол.-разв. работ, орг. пр-за / ВИЭМС. М., 1989.- 48 с.

4. Козлов A.B., Слюсарев Н.И. Исследование теплопроводности пен // Исследование и разработка методов и средств для реализации высокоэффективной ресурсосберегающей технологии геологоразведочного бурения: Сб. науч. трудов / ВИТР. Л.- 1990.- С.127-130.

5. Горшков Л.К., Климов В.Я., Козлов A.B., Яковлев A.A. Проектирование процессов бурения скважин с применением ЭВМ: Учеб. пособие.-Л.: ЛГИ, 1990.- 97 с. ' %

6.Кудряшов Б.Б., Кирсанов А.И. Бурение разведочных- скважин с применением воздуха.- М.: Недра, 1990.- 263 с.

7. Козлов A.B., Слюсарев Н.И., Яковлев A.A. Расчет термодинамических параметров пены в циркуляционной системе скважины • // Промывка

и крепление скважин: Сб. науч. трудов / ВИТР. Л.- 1990.- С.77-84.

8. Козлов A.B., Слюсарев Н.И. Расчет температурного режима скважины в период проведения гидроразрыва пород II Физические процессы горного производства / СПГГИ. СПб.- 1993.- С.47-54.

9. Козлов A.B.' Температурный режим буря-дейся скважины и окружающего массива мерзлых пород II Юбилейная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения Ф.А. Шамшева. Тезисы докладов. С.-Петербург, 6-8 октября, 1993 г./ СПГГИ. СПб.- 1993.- С.13.

10. Козлов A.B., Яковлев A.A. Температурный режим бурящейся скважины и окружающего массива мерзлых пород // Совершенствование технологии и разработка нетрадиционных'методов бурения скважин: Зап. СПГГИ / СПГГИ. СПб.- 1993.- Т. 136.- С. 46-53.

11. Яковлев A.A., Козлов A.B. Температурный режим ступенчатых алмазных коронок при бурении с пеной II Совершенствование технологии и разработка нетрадиционных методов' бурения скважин: Зап. СПГГИ / СПГГИ. СПб.- 1993.- Т. 136.- С.70-78.

12. Козлов A.B., Слюсарев Н.И., Яковлев A.A. Экспериментальное определение числа Нуссельта при движении пены // III Международный симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях. Тезисы докладов. С-Петербург, 5-10 июня, 1995 г. / СПГГИ. СПб. - 1995.- С.14.

13. Яковлев A.A., Козл<Ьв A.B. Пенообразователи для бурения скважин // III Международный симпозиум по бурению скважин в осложненных условиях. Тезисы докладов. С-Петербург, • 5-10 июня, 1955 г. / СПГГИ. СПб.- 1995.- С.78.

14. Слюсарев Н.И., Козловский А.Е., Лоскутов Ю.Н. Технология и техника бурения геологоразведочных скважин с промывкой пеной.-СПб: Недра, 1996.- 179 с.