Результаты определения температурных полей в экспериментальных образцах криогенно-гравийных элементов фильтров буровых скважин

А.К. Судаков, к.т.н., доцент, Национальный горный университет (Днепропетровск, Украина)

Основные технологические операции при оборудовании продуктивных горизонтов буровых скважин гравийными фильтрами [1] включают технологии изготовления криогенно-гравийных элементов (КГЭ) и транспортировки криогенно-гравийного фильтра (КГФ) по стволу скважин. К одному из важнейших параметров технологий изготовления КГЭ и доставки КГФ в водоприемную часть буровой скважины относится время фазового перехода вяжущего в момент замораживания КГЭ, сборки КГФ и транспортировки его по стволу скважины в зависимости от температуры и окружающей среды. От температуры окружающей среды зависят время замораживания и растепления КГЭ, его прочностные характеристики и, в конечном счете, глубина оборудования КГФ водоприемной части буровой скважины.

Для определения характера изменения температурных полей во времени и средах при выполнении технологических операций экспериментальные образцы КГЭ фильтра изготовлялись в виде полых цилиндров с внешним диаметром 180 мм, внутренним 115 мм и высотой 200 мм. Для изготовления КГЭ использовался хорошо окатанный гравий фракции 0,5–0,75 мм и минероловяжущее вещество – водный раствор на основе органического полимера. В качестве органического полимера применяется пищевой желатин марки ПL11.

Определение температурных полей при замораживании и растеплении КГЭ проводилось с помощью термопар типа «К», установленных в КГЭ при его изготовлении, а также измерительно-вычислительного комплекса, изготовленного на базе модулей WAD-AIK-BUS(USB) производства компании «Акон». Исследование проводится в два этапа.

Этап I. Замораживание КГЭ.

Изготовление водного раствора органического полимера осуществляется по ГОСТ-11293-89, с последующим перемешиванием его с гравием. После перемешивания компонентов композита, установки термопар в формах и формования КГЭ фильтра блок помещался в морозильную камеру с температурой –15°...–24°С и выдерживался до тех пор, пока температура камеры и КГЭ не уравнивались.

Этап II. Растепление КГЭ фильтра в воздушной среде.

После процесса заморозки экспериментальный образец КГЭ фильтра блочной конструкции извлекался из морозильной камеры. Начальная его температура равнялась температуре окружающей среды в морозильной камере. Образец выдерживали в воздушной среде при температуре +20°С. Эксперимент проводится до тех пор, пока температура окружающей среды не сравнится с температурой КГЭ фильтра.

Как в первом, так и во втором случае:

измерительно-вычислительным комплексом осуществлялась непрерывная запись изменения температуры в КГЭ фильтра во времени;
термопары №6 и №6’ регистрировали температуру окружающей среды.
Рис. 1 Изменение температуры в КГЭ фильтра при его заморозке и распределении в воздушной среде

На рис. 1 приведены результаты исследования температуры в КГЭ фильтра с 5% и 10% массовой концентрацией вяжущего при их замораживании и растеплении в воздушной среде. Результаты І этапа – замораживание КГЭ.

На протяжении 24 часов одновременно замораживалось два образца. Исходя из обработанных данных и полученных графических зависимостей, процесс замораживания можно условно разбить на 3 стадии:

Стадия 1 – интенсивное охлаждение КГЭ – на протяжении 2-х часов наблюдалось интенсивное понижение температуры от +25° до 0°С. Исключение составляют термопары №5 и 5’ так, как они контактируют с теплообменником морозильной камеры. В морозильной камере значительно повышается температура (термопара №6’).

Стадия 2 – кристаллизация КГЭ – протекает на протяжении 2-х часов. В это время температура КГЭ практически не изменяется, за исключением периферийных областей, при этом наиболее интенсивно температура в КГЭ снижается на контакте с теплообменником (термопара №5 и 5’) и практически достигает его температуры. В образце происходит фазовый переход водного раствора вяжущего из жидкого в твердое состояние.

Стадия 3 – глубокого охлаждения. На этой стадии на протяжении 6-ти часов происходит дальнейшее охлаждение КГЭ с выполаживанием кривых, которые достигают температуры рабочей камеры. Температура морозильной камеры на третьем этапе заморозки изменялась от –17° до –23°С (см. термопара №6, 6’).

Это обусловлено спецификой работы морозильного оборудования. В интервале времени 21:51 – 09:51 температура КГЭ не изменялась.

Результаты ІІ этапа – растепление КГЭ фильтра в воздушной среде.

После извлечения КГЭ и термопар №6, 6’ из морозильной камеры образцы устанавливались на деревянную поверхность лабораторного столика. Регистрация изменения температуры велась на протяжении 25 часов.

Как и в случае с замораживанием КГЭ процесс растепления тоже возможно разделить на 3 стадии:

Стадия 1 – интенсивный нагрев – протекала на протяжении нескольких часов, при этом температура повысилась как в первом, так и во втором образце с –17° до 0°С.

Стадия 2 – разкристализация КГЭ – характерной чертой этой стадии было то, что на протяжении достаточно длительного промежутка времени (5–6 часов) температура КГЭ практически не изменяется во времени. При этом температура большинства термопар составила примерно 0°С. Исключение составляли периферийные термопары (термопары №1 и №1’) установленные в зоне контакта с потоками теплого воздуха. Стадия 3 – окончательный нагрев. На этой стадии температура КГЭ повышается от 0°С до температуры окружающей среды. Эта стадия длится примерно 9–10 часов. В начальный период времени (3–4 часа) происходит интенсивное повышение температуры до +12...+14°С с дальнейшим достижением температуры окружающей среды.

Таким образом, данные рис. 1 позволяют сделать следующие выводы:

для заморозки КГЭ фильтра с толщиной стенки 30 мм, в независимости от его длины, достаточно затратить 12 часов, т.к. теплообменные процессы протекают по всей его поверхности;
извлечение КГЭ из форм, сборка КГФ должны осуществляться не более 1,5 часов, т.к. по прошествии этого времени КГЭ перейдет в стадию раскрестализации со снижением его прочностных характеристик до минимума;
концентрация вяжущего в композите на технологические процессы изготовления КГЭ и сборки КГФ влияния не оказывает. Поэтому в дальнейших исследованиях образцы с 10% массовой концентрацией вяжущего не участвовали.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Сушко С.М., Бегун А.Д., Кожевников А.А., Судаков А.К. Новая технология создания гравийных фильтров буровых скважин. Горный журнал Казахстана, 2011, №10. с. 4–8.