При нормальных условиях температура стенок скважин увеличивается с глубиной в соответствии со средним геотермическим градиентом, который равен примерно 3°С на каждые 100 м. Это значит, что температура породы увеличивается в среднем на 1°С при углублении на каждые 33 м. Однако существуют районы с аномально высоким геотермическим градиентом, достигающим 4—5° С на 100 м.
Вследствие этого на глубине 3300—2000 м температура стенок скважины может превышать 100°C, т. е. температуру кипения воды при нормальном давлении.
Теплота, передаваемая стенками скважин, вызывает нагрев промывочных жидкостей, так что при длительном покое температура промывочной жидкости становится равной температуре породы. Зависимость температуры покоящейся жидкости от глубины скважины показана на рис. 64.
Повышенный геотермический градиент обнаружен на Северном Кавказе, где температура забоя на глубине 4000 м достигает 120—180° С. В скв. 1 Галюгаевская при забое 5327 м температура составляла 195° С. Повышенный геотермический градиент также обнаружен на Камчатке, где температура 200—220° С встречена на глубинах 500—600 м. Существуют районы с пониженным геотермическим градиентом. Так, геотермическая ступень в Татарии составляет 51 м на 1°С, а температура на глубине 2000 м не более 50° С.
При циркуляции промывочная жидкость охлаждает породу вокруг скважины. Восходящий поток получает тепло от стенок в нижней части скважины и, поднимаясь вверх, отдаст часть тепла стенкам скважины и нисходящему потоку. Зависимости температуры нисходящего и восходящего потоков от глубины скважины показаны на рис. 65. Из рис. 65 следует, что в процессе циркуляции температура промывочной жидкости достигает максимума несколько выше забоя скважины, после чего начинается охлаждение.
Исследования показали, что теплоемкость глинистых растворов уменьшается при увеличении концентрации твердой фазы. Для нормальных, химически обработанных и утяжеленных растворов из карачухурской глины зависимость теплоемкости от удельного веса глинистого раствора, по данным, изображена на рис. 66.
С увеличением глубины растет не только температура, но и гидростатическое давление, в результате чего повышается температура кипения. Зависимость между температурой кипения воды и глубиной скважины при различных удельных весах промывочной жидкости показана на рис. 67. Из рис. 67 видно, что повышение гидростатического давления в скважине вызывает значительное повышение температуры кипения, опережающее нормальный рост температуры стенок скважины до глубин 10—11 тыс. м (для воды и легкой промывочной жидкости с у = 1,25 гс/см3). В интервале 10—11 тыс. м температура стенок скважины станет выше температуры кипения воды и, следовательно, если будет применена промывочная жидкость на водной основе, то при достижении этой глубины жидкость перейдет в парообразное состояние. Если промывочная жидкость будет иметь удельный вес 2,0 гс/см3 и выше, то температура кипения превосходит температуру стенок скважины при среднем геотермическом градиенте. Однако и в этом случае будет происходить переход из жидкого состояния в парообразное после достижения критической температуры (374° С) на глубине примерно 12 тыс. м. При повышенном геометрическом градиенте достижение критической температуры, при которой вода может находиться только в парообразном состоянии, ожидается на глубине 7—8 тыс. м. Превышение температуры стенок над температурой кипения в этом случае ожидается на глубине менее 7 тыс. м.
Переход из жидкого в парообразное состояние коренным образом изменяет физические и химические свойства компонентов промывочной жидкости и характер взаимодействия между ними. Поэтому не исключено, что с глубин 8—10 тыс. м окажется более целесообразным применять промывочные жидкости на нефтяной основе, имеющие значительно более высокую температуру кипения. Температура кипения чистого дизельного топлива при нормальном давлении превышает 200° С. Добавки битума и твердых частиц повышают температуру кипения. Вследствие этого растворы на нефтяной основе, которые содержат дизельное топливо, битум и твердые частицы выбуренной породы и утяжелителя, могут быть использованы при значительно более высоких температурах, чем промывочные жидкости на водной основе.
Свойства промывочных жидкостей в значительной степени изменяются под действием высокого давления, циркуляции и температуры. Для того чтобы воспроизвести эти условия на поверхности, необходима весьма сложная аппаратура, рассчитанная па давление 500—1000 кгс/см2 и температуру 200—300° С. Такой аппаратуры пока нет, но во многих институтах ведутся работы по ее созданию.
В настоящее время наибольшее распространение получили методы исследования термостойкости промывочных жидкостей и химических реагентов с помощью небольших автоклавов. Автоклавы обычно изготовляют из нержавеющей стали. Одна из конструкций автоклава показана на рис. 68. Автоклав позволяет оценить только необратимые изменения в промывочной жидкости, которые могут произойти при термообработке. Для термообработки автоклав заполняют на 70—80% объема промывочной жидкостью с известными параметрами, плотно закрывают крышку болтами, взвешивают и устанавливают автоклав в термостат, где выдерживают при определенной температуре (150—200° С) в течение 6—8 ч. Под действием высокой температуры часть промывочной жидкости испаряется, что создает в автоклаве повышенное давление. Автоклав не должен заполняться доверху из-за опасности его взрыва при нагревании. После окончания прогрева автоклав оставляют до полного остывания и взвешивают. Если вес автоклава с промывочной жидкостью не уменьшился, то автоклав открывают и измеряют параметры промывочной жидкости. Уменьшение веса автоклава свидетельствует о том, что крышка не была герметично закрыта. Такой опыт следует считать неудавшимся.
О необратимых изменениях в результате термообработки судят по изменению параметров до и после обработки.
В качестве примера в табл. 46 показаны результаты исследования термостойкости глинистых растворов, обработанных КМЦ и содержащих 3—5% NaCl, при температуре 160°С в течение 6 ч.
Для оценки фильтрационных свойств промывочных жидкостей в условиях, близких к забойным, Г. В. Рогозиным сконструирован прибор, изображенный на рис. 69. Этим прибором можно измерить фильтрацию промывочных жидкостей при температуре до 200° С и перепаде давления на фильтре до 25 кгс/см2.
Исследования, проведенные с помощью этого прибора, показали, что динамическая водоотдача глинистых растворов при повышении температуры до 150° С увеличивается в 6—8 раз. При этих температурах динамическая водоотдача глинистых растворов, содержащих 1 % гипана, составила 44 см3, но после охлаждения уменьшилась до 8—14 см3.
Измерение статической водоотдачи при температурах до 200° С и перепадах давления до 50 кгс/см2 осуществляется на установке УИВ-1 (рис. 70). Для измерения водоотдачи на установке УИВ-1 испытуемый глинистый раствор подогревают под давлением в закрытой фильтрационной камере 10 с помощью электронагревателя 11 при перемешивании лопастной мешалкой, приводимой во вращение электродвигателем 8. Заданное давление в фильтрационной камере создается и поддерживается с помощью измерительного пресса 3, соединенного через блок вентилей 5 и разделительную камеру 6 с фильтрационной камерой. Контактный манометр 4 служит датчиком, по сигналам которого происходит включение и выключение электродвигателя 1, соединенного с измерительным прессом через электромагнитную муфту 2. Противодавление под фильтром измеряется манометром 7 и регулируется клапаном 12, устанавливаемым на определенное давление. Заданная температура в фильтрационной камере автоматически поддерживается регулирующим мостом 14 с термометром сопротивления 9. Водоотдачу определяют по количеству жидкости, отфильтровавшейся за 30 мин в мерный цилиндр 13. Эти показания дублируются показателями измерительного пресса, с помощью которого пополняется объем жидкости, уменьшающийся при фильтрации. Для того чтобы исключить ошибки при определении времени замера, установка снабжена реле времени 15, которое может включить звонок 16, извещающий об окончании замера водоотдачи.
