Тепло- и массообмен в призабойной зоне скважины

При работе породоразрушающего инструмента на забое выделяется теплота. По данным Л.А. Шрейнера физ. КПД разрушения пород составляет не более 0,01%, т.е., практически вся механическая энергия рассеивается в виде теплоты.

При установившемся режиме, когда породоразрушающий инструмент нагреется до постоянной температуры, количество теплоты, выделяющейся на забое в единицу времени, равно количеству теплоты, воспринимаемой очистным агентом.

Рисунок …

При бурении по “сухим” породам

.

При бурении с продувкой во влажных мерзлых породах теплота, генерируемая породоразрушающим инструментом, затрачивается на нагрев воздуха, шлама, плавление льда и испарение влаги.

Пренебрегая теплотой на нагрев шлама,

, (39)

где Q_м – количество теплоты, генерируемой инструментом, в единицу времени, Вт; Q_пл, Q_исп - количество теплоты, генерируемой инструментом, в единицу времени на плавление льда и испарение влаги, Вт.

При бурении с продувкой крайне желательно, чтобы вода не выделялась на забое в виде жидкой фазы (сальники), т.е., можно допустить плавление и испарение в единицу времени такого количества льда, которое могло бы довести воздух до 100-%-ной влажности. При движении воздуха к устью происходит его охлаждение и влага будет выпадать в виде инея и снега.

Поскольку насыщение воздуха до 100% возможно только за счет льда, количество теплоты на его плавление

, (40)

и на испарение

, (41)

где ψ и ψ′ – скрытая теплота плавления льда и парообразования, Дж/кг; ΔW – температурный прирост влагосодержания воздуха, кг/(кг·⁰C).

; (42)

Будем считать, что вся механическая работа на забое рассеивается в форме тепла (Q_м=N). Подставим (40) и (41) в (39)

. (43)

В случае бескернового бурения с большими механическими скоростями необходимо учитывать теплоту на нагрев шлама.

Для предупреждения растепления мерзлых пород сжатый воздух необходимо охлаждать. Влажность воздуха в призабойной зоне с большим запасом можно принять равной 10%.

При изменении относительной влажности воздуха от 10% до 100% в интервале температур –10⁰C÷+10⁰C, средний прирост его влагосодержания ΔW=0,00033 кг/(кг·⁰C). ψ=3,34·10⁵ Дж/кг, ψ′=2,49·10⁶ Дж/кг, c_p=1·10³ Дж/(кг·⁰C). Подставив эти значения в (43), получим приближенную формулу:

, (44)

где N – в кВт; G – в кг/с.

Предупреждение протаивания стенок скважины в мерзлых породах

Растепление породы с потерей связности ее частиц наступает, когда породе передано количество теплоты, достаточное для ее нагрева до 0⁰C и для перехода льда-цемента в жидкое состояние. Предельно допустимым можно считать растепление, когда порода только нагрелась до 0⁰C.

Количество теплоты, переданной от очистного агента стенкам скважины на единицу длины ствола в единицу времени

, (45)

где t – температура очистного агента; T_ст – температура стенки скважины.

Для такого же количества теплоты, переданной в единицу времени мерзлым породам, не затронутым растеплением, справедливо выражение

, (46)

где T_п – естественная температура пород.

Приравняем (45) и (46), приняв T_ст=0⁰C и обозначив температуру среды как t_max:

. (47)

Формула (47) позволяет определить максимально допустимую температуру очистного агента, при которой температура стенок скважины за период циркуляции достигнет 0⁰C, т.е., растепления мерзлых пород не произойдет.

Если в (47) вместо k_τ подставить его приближенное значение (19) и раскрыть значения Bi и F₀, то

. (48)

При жидкостной промывке, особенно при турбулентном режиме течения, даже при кратковременной циркуляции жидкости с положительной температурой происходит оттаивание мерзлых пород. При малых значениях Bi (бурение с продувкой, промывкой пеной) допустима небольшая положительная температура очистного агента. Однако, возможно поверхностное растепление пород, слипание шлама (при продувке), образование сальников.

Полная гарантия от растепления – t_max<0⁰C.