Теоретическое изучение теплопереноса в скважине и горном массиве применительно к задачам геотермии

• Автор: Семенова, Анна Петровна
• Шифр специальности: 25.00.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с. : ил.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СКВАЖИНЕ И ГОРНОМ МАССИВЕ
1.1. Моделирование температурного поля в процессе циркуляции
1.1.1. Аналитические модели теплопереноса
1.1.2. Численные модели теплопереноса
1.2. Моделирование температурного поля в процессе бурения
1.3. Необходимые направления развития теоретического моделирования
температурного поля
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 2. БАЗОВАЯ МОДЕЛЬ ТЕПЛОПЕРЕНОСА В СКВАЖИНЕ И ГОРНОМ МАССИВЕ В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ
2.1. Моделирование температурного поля в процессе циркуляции
2.1.1. Расчет давления в скважине
2.1.2. Тепломассоперенос в скважине во время циркуляции
2.1.3. Выражения для чисел Нуссельта
2.1.4. Уравнения тепломассопереноса
2.1.5. Алгоритмы численного решения
2.2. Моделирование температурного поля в процессе бурения
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, СВЯЗАННЫХ С БУРЕНИЕМ СКВАЖИНЫ
3.1. Температурные поля в скважинах морского бурения
3.2. Потеря флюида в проницаемый пласт
3.3. Замена бурового раствора
3.4. Тепловые процессы при цементации обсадной колонны
3.4.1. Моделирование закачки цементного раствора
3.4.2. Моделирование тепловыделения при гидратации цемента
ВЫВОДЫ
ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОПЕРЕНОСА
ПРИ РЕШЕНИИ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
4.1 Определение невозмущенной температуры массива по результатам термометрии в простаивающей скважине
4.2. Определение зон поглощения бурового раствора по результатам термометрии в простаивающей скважине
4.3. Оценка влияния термоупругих напряжений в околоскважинном пространстве на устойчивость стенок скважины во время бурения
4.3.1. Расчет напряжений
4.3.2. Анализ устойчивости скважины
4.4. Определение глубины протаивания горных пород в скважинах,
пробуренных в мерзлоте
ВЫВОДЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность работы
Важным направлением геофизики является геотермия - наука о происхождении и параметрах температурного поля, термических свойствах пород и тепловом потоке Земли. Определение температуры горного массива является одной из основных задач геотермии. Поле температур массива используется для построения профиля плотности теплового потока, анализа его вариаций по глубине, определения глубинного теплового потока и прогноза температур горного массива на подзабойных глубинах. Информация о температурном поле в скважине и околоскважинном пространстве необходима также для решения задач прикладной геофизики, связанных с оценкой технического состояния скважин, таких как 1) расчет термоупругих напряжений в околоскважинном пространстве и оценка устойчивости ствола скважины, 2) выделение зон поглощения бурового раствора, 3) определение глубины протаивания при бурении мерзлых пород, 4) выбор цементного раствора и режима цементации обсадной колонны и др.
При бурении температурное поле вокруг скважины значительно искажается, а процесс его восстановления к первоначальному состоянию может продолжаться несколько недель, а для глубоких скважин - даже несколько месяцев. Как правило, геофизические исследования скважин (в том числе термокаротаж) проводят сразу после завершения бурения, поэтому температура, измеренная в невыстоявшейся скважине, может значительно отличаться от невозмущенной температуры горного массива. Для прогноза последней обычно используют результаты измерения температуры при различных временах выстойки и расчетные методы прогноза невозмущенной температуры горного массива, например, метод Хорнера. Все известные методы прогноза основаны на простых моделях теплового возбуждения горного массива при бурении и требуют проведения ряда циклов

Система уравнений (2.1.42)-(2.1.44) может быть переписанна в матричной форме
МТп+'=У(Г), (2.1.45)
где Т" и Т"*] - вектора температуры на старом и новом временном шаге,
матрица М:
(* * * * * *
* * ^ * *
о о
******
******
* * 1с *

* * К *
******
* * ^ * *
* * * *
******

5.,

1 +
-І- +

ad,
5.Л
0 о
1+^+^1 5, 5,
ах,
1+-
ах.

afi S,

“2 У

ad b ax. bi Ctfi
./ 0 1 + -^ + ^ J J J
-5, 5, 5, S,
ad b b ax
0 J J 1+^-- J
S,i X S.J

“У у