Modelling of deep wells thermal modes

Abstract

Purpose. Investigation of various heat-exchange conditions influence of the tower liquid on the deep wells thermal conditions. Methods. Methods of heat-exchange processes mathematical modeling are used. On the basis of the developed scheme for calculation, the thermal condition in a vertical well with a concentric arrangement of the drill-string was investigated. It was assumed that the walls of the well are properly insulated, and there is no flow or loss of fluid. The temperature distribution in the Newtonian (water) and non-Newtonian (clay mud) liquid along the borehole was simulated taking into account changes in the temperature regime of rocks with depth. To verify the calculation method and determine the reliability of the results, a comparative analysis of the calculated and experimental data to determine the temperature of the drilling liquid in the well was performed. Findings. A mathematical model for the study of temperature fields along the well depth was proposed and verified. A steady-state temperature distribution along the borehole is obtained for various types (Newtonian or non-Newtonian) tower liquid, with a linear law of change in rocks temperature with depth. It has been established that the temperature of the liquid flow at the face of hole and at the exit to the surface depends on the type of liquid used and the flow regime. It has been established that due to thermal insulation of drill pipe columns, heat-exchange between the downward and upward flow is reduced, which leads to a decrease in the temperature of the downward flow at the face of hole, providing a more favorable temperature at the face, which contributes to better destruction of the rock and cooling the tool during drilling. Originality. The nature of temperature distribution and changes along the borehole under the steady-state mode of heat-exchange in a turbulent and structural flow regime for both Newtonian and non-Newtonian circulating liquid are revealed. Practical implications. The proposed mathematical model and obtained results can be used to conduct estimates of the thermal conditions of wells and the development of recommendations for controlling the intensity of heat-exchange processes in the well, in accordance with the requirements of a specific technology.

Мета. Дослідження впливу різних умов теплообміну циркулюючої рідини на тепловий режим глибоких свердловин. Методика. Використано методи математичного моделювання процесів теплообміну. На основі розробленої схеми до розрахунку досліджувався тепловий режим у вертикальній свердловині з концентричним розташуванням бурильної колони. Передбачалося, що стінки свердловини належним чином ізольовані, приплив і втрати рідини відсутні. Моделювався розподіл температур у потоках ньютонівської (води) та неньютонівської (глинистого розчину) рідин уздовж стовбура свердловини з урахуванням зміни температурного режиму гірських порід з глибиною. Для верифікації методики розрахунку і визначення достовірності результатів був виконаний порівняльний аналіз розрахункових та експериментальних даних з визначення температури промивної рідини у свердловині. Результати. Запропонована і верифіційована математична модель для дослідження температурних полів з глибиною свердловини. Отримано стаціонарний розподіл температур уздовж стовбура свердловини для різних типів (ньютонівських або неньютонівських) циркулюючих рідин при лінійному законі зміни температури гірських порід з глибиною. Виявлено, що температура потоку рідини на вибої свердловини і на виході на денну поверхню залежить від типу використовуваної рідини і режиму течії. Встановлено, що за рахунок термоізоляції колони бурильних труб знижується теплообмін між низхідним і висхідним потоками, що призводить до зниження температури низхідного потоку на вибої свердловини, забезпечуючи більш сприятливий температурний режим на вибої, який сприяє кращому руйнування породи та охолодженню інструменту при бурінні. Наукова новизна. Виявлено характер розподілу та зміни температури вздовж стовбура свердловин при стаціонарному режимі теплообміну в турбулентному і структурному режимах течії як для ньютонівських, так і неньютонівських циркулюючих рідин. Практична значимість. Запропонована математична модель і отримані результати можуть використовуватися для проведення оціночних розрахунків теплових режимів свердловин та розробки рекомендацій з управління інтенсивністю теплообмінних процесів у свердловині відповідно до вимог конкретної технології.

Цель. Исследование влияния различных условий теплообмена циркулирующей жидкости на тепловой режим глубоких скважин. Методика. Использованы методы математического моделирования процессов теплообмена. На основе разработанной схемы к расчету исследовался тепловой режим в вертикальной скважине с концентрическим расположением бурильной колоны. Предполагалось, что стенки скважины надлежащим образом изолированы, приток и потери жидкости отсутствуют. Моделировалось распределение температур в потоках ньютоновской (воды) и неньютоновской (глинистого раствора) жидкостей вдоль ствола скважины с учетом изменения температурного режима горных пород с глубиной. Для верификации методики расчета и определения достоверности результатов был выполнен сравнительный анализ расчетных и экспериментальных данных по определению температуры промывочной жидкости в скважине. Результаты. Предложена и верифицирована математическая модель для исследования температурных полей по глубине скважины. Получено стационарное распределение температур вдоль ствола скважины для различных типов (ньютоновских или неньютоновских) циркулирующих жидкостей при линейном законе изменения температуры горных пород с глубиной. Выявлено, что температура потока жидкости на забое скважины и на выходе на дневную поверхность зависит от типа используемой жидкости и режима течения. Установлено, что за счет термоизоляции колоны бурильных труб снижается теплообмен между нисходящим и восходящим потоками, что приводит к снижению температуры нисходящего потока на забое скважины, обеспечивая более благоприятный температурный режим на забое, который способствует лучшему разрушению породы и охлаждению инструмента при бурении. Научная новизна. Выявлен характер распределения и изменения температуры вдоль ствола скважин при стационарном режиме теплообмена в турбулентном и структурном режимах течения как для ньютоновских, так и неньютоновских циркулирующих жидкостей. Практическая значимость. Предложенная математическая модель и полученные результаты могут использоваться для проведения оценочных расчетов тепловых режимов скважин и разработки рекомендаций по управлению интенсивностью теплообменных процессов в скважине в соответствии с требованиями конкретной технологии.