Распределение температуры по стволу скважины с целью решения геологических и геолого-промысловых задач
15
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«тюменский государственный нефтегазовый университет»
ИНСТИТУТ геологии И Геоинформатики
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Теоретические методы геофизических исследований скважин»
на тему «Распределение температуры по стволу скважины с целью решения геологических и геолого-промысловых задач »
Выполнил: Сысоев.Д.В.
Студент гр. ГИСзс-05
Проверил:___________
СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………. 31. .Особенности термометрии при решении задач диагностики....... 42. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СКВАЖИНЕ И В ПЛАСТЕ 63.Основные признаки термометрии для решения задач в скважинах …...17
4 Заключение ……………………………………………………………….… 19
5 Список литературы……………………………………..………………….... 20
Введение
Распределение естественного теплового поля в толще земной коры зависит главным образом от литологического, тектонического и гидрогеологического факторов, на изучении которых основано решение следующих задач.
Литолого-тектонические и гидрогеологические задачи региональной геологии. Эти задачи решаются путем определения основных геотермических параметров, к которым относятся геотермический градиент, геотермическая ступень и плотность теплового потока. Эти параметры позволяют: 1) определять естественную температуру пород на заданной глубине; 2) коррелировать разрезы скважин при региональных исследованиях; 3) прогнозировать тектоническое строение территории, не изученной с помощью бурения; 4) получать гидрогеологическую и мерзлотную характеристики исследуемых районов. Для решения этих задач обычно используют термограммы естественного теплового поля.
Детальное исследование разрезов скважин. При решении этой задачи используются также материалы других геофизических методов. Для этой цели определяют тепловые свойства пород (теплопроводность или тепловое сопротивление и температуропроводность) по данным термических исследований скважин с установившимся или неустановившимся тепловым режимом.
Тепловые характеристики в комплексе с другими петрофизическими параметрами пород позволяют решать следующие задачи: 1) литологическое расчленение разрезов скважин; 2) выявление коллекторов; 3) поиски полезных ископаемых. Наиболее целесообразно привлекать данные термометрии для изучения глинистых покрышек, поисков коллекторов в карбонатных отложениях, определения газоносности карбонатных и тонко-слоистых песчано-глинистых комплексов. Для этого необходимы диаграммы детальной термометрии.
1.Особенности термометрии при решении задач диагностики
Основным параметром, который несет информационную нагрузку в методе термометрии, является температура. Температура - это энергетический параметр системы, и поэтому любое изменение системы вследствие изменения режима работы скважины, уменьшения или увеличения давления, промывки, нарушения целостности колонны и т.п. приводит к изменению температуры (распределения температуры) в скважине. Система скважина - пласт в этом отношении является очень чувствительной системой, т.к. на практике используются термометры с высокой разрешающей способностью.
Диагностика осуществляется в течение всей "жизни" скважины: при заканчивании, эксплуатации и ремонте. При этом скважины подразделяют по типам (категориям) в соответствии с режимом работы, способам эксплуатации, конструкцией и т.д. С точки зрения методических особенностей решения задач скважины можно классифицировать следующим образом.
Простаивающие. Неперфорированные (контрольные, наблюдательные и в ожидании перфорации после бурения) и перфорированные (пьезометрические, в ожидании КРС).
Действующие. Добывающие (фонтанные, ШГН, ЭЦН, газлифтные) и нагнетательные (закачка воды, газа, теплоносителя).
Особо стоят здесь скважины при опробовании и освоении, которые при исследованиях нельзя отнести ни к простаивающим, ни к действующим, поскольку они содержат в себе режимные элементы скважин различных категорий, но только очень короткий промежуток времени.
Осваиваемые (опробуемые). Скважины после бурения и в КРС.
Исходя из категории скважин, геофизические исследования для получения информации проводятся в свободной колонне, в НКТ, в межтрубном пространстве.
Диагностика скважин в различные периоды "жизни" (заканчивание, эксплуатация, ремонт) имеет свои особенности. Они сводятся к тому, что решение задачи осуществляется при различных режимах работы скважин и, следовательно, при установившихся, квазистационарных, неустановившихся и переходных температурных полях в скважинах.
Тепловое поле инерционно: для расформирования теплового возмущения в скважине требуется время, определяемое теплофизическими свойствами системы, длительностью возмущения и применяемой аппаратурой. Поэтому следующая особенность связана с тем, что (при измерениях) в различные периоды "жизни" скважины на термограммах может отражаться тепловая история скважины. Так, при освоении после бурения могут наблюдаться тепловые аномалии, связанные с бурением, цементажом, перфорацией и т.д.; в ремонте могут наблюдаться аномалии, обусловленные эксплуатацией.
Задачи необходимо решать в длительное время работающих скважинах при быстроменяющихся процессах, связанных с кратковременностью работы скважины, и в длительное время простаивающих скважинах. Поэтому, при разработке методики исследований необходимо учитывать особенность, связанную с временным фактором Принятая на предприятиях технология освоения связана с применением компрессора и сваба. Исследования при вызове притока флюида в период освоения проводят при переменных давлениях в скважине.
Для освоения в скважину предварительно спускают НКТ, через которые можно проводить исследования в процессе компрессирования или после извлечения сваба.
Необходимость решения задач в интервалах, перекрытых НКТ, возникает также в нагнетательных скважинах и в скважинах ЭЦН.
Изменение давления в системе можно наблюдать не только при освоении, но и в длительное время работающих скважинах. Отличия могут быть в скоростях (темпах) изменения давления, что необходимо учитывать. В действующих скважинах изменение давления и системы в целом наблюдается при кратковременной их остановке, а затем - пуске. При стравливании избыточного давления (разрядке) в межтрубном пространстве перед исследованием насосных скважин происходит относительно быстрое изменение давления в системе.
Освоение характеризуется кратковременным пуском скважины. Как правило, скважина перед освоением промывается, и чаще всего, пресной или опресненной водой. В таких условиях, если из осваиваемого пласта поступает более минерализованная вода, в зумпфе скважин существуют условия для возникновения гравитационной конвекции. Кроме того, промывка, в зависимости от ее длительности, сама нарушает тепловое поле в скважине.
Ряд месторождений характеризуется высоким значением давления насыщения нефти газом. Это приводит к тому, что при эксплуатации скважины работают с забойными давлениями ниже давления насыщения. В таких условиях в скважине наблюдаются многофазные потоки (нефть, газ, вода). При освоении скважин многофазные потоки могут, очевидно, возникать и при более низких давлениях насыщения, поскольку забойное давление здесь определяется глубиной спуска НКТ и может быть еще ниже.
Различие пластовых давлений при одновременно вскрытых нескольких объектах, высокая обводненность скважин при низких дебитах - это условия, которые также необходимо учитывать при температурной диагностике, поскольку они могут отражаться на тепловом поле скважины.
Еще одна особенность, которую необходимо учитывать при термических исследованиях, связана с инерционностью термометра. В случае высоковязкой нефти, грязи на стенках скважины, наличии осадка в зумпфе инерционность прибора может меняться существенно, что, в свою очередь, сильно искажает температурную картину. С другой стороны инерционность определяет скорость регистрации. В любом случае она ограничена. При быстроменяющихся переходных процессах в скважине конечная скорость регистрации температуры так же может приводить к искажению регистрируемых термограмм.
Таким образом, существует многообразие факторов, влияющих на распределение температуры в скважине. Для достоверного решения задач важно знать эти факторы и особенности их проявления в конкретных ситуациях.
2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СКВАЖИНЕ И В ПЛАСТЕ
Общие положения
Использование термометрии для решения различных промыслово-геофизических задач основано на регистрации стационарных, квазистационарных и нестационарных температурных полей.
Стационарные температурные поля реализуются в простаивающих длительное время скважинах. Такие поля, например, часто регистрируются в контрольных и пьезометрических скважинах.
Квазистационарные температурные поля наблюдаются в процессе измерений в фонтанных, насосных, нагнетательных скважинах, эксплуатирующихся в неизменных длительное время условиях. Термограммы, зарегистрированные с интервалом времени в несколько часов, практически повторяют друг друга.
Нестационарные температурные поля реализуются в процессе восстановления теплового поля, нарушенного бурением, цементированием, промывкой, перфорацией и другими технологическими процессами.
Температурные поля являются существенно нестационарными (переходными) в условиях пуска, остановки, изменения режима работы скважин. Такие условия реализуются в фонтанных, насосных и нагнетательных скважинах. Примером термометрии переходных температурных полей является измерение температуры в процессе компрессорного освоения скважин.
Методика термометрии и интерпретация скважинных термограмм зависит от типа используемых температурных полей.
Стационарное тепловое поле Земли
Стационарное тепловое поле обусловлено тепловым потоком из недр Земли к поверхности. Тепловой поток испытывает региональные вариации. Наличие пластов с выделением или поглощением тепла приводит к изменению величины теплового потока. Наличие структур с отличающимися тепловыми свойствами приводит к фокусировке и дефокусировке теплового потока. В пределах нефтяных месторождений величина теплового потока меняется слабо и принимается обычно п о стоянной.
Наличие теплового потока из недр Земли приводит к росту температуры с глубиной. Наклон температурной кривой к оси глубин меняется при переходе от пласта к пласту с различными теплофизичеекими свойствами (рис.2.1). При наличии тепловыделений (или теплопоглощений) в пласте распределение температуры нелинейно зависит от глубины. В мощных однородных пластах влияние скважины на температуру в пласте практически отсутствует. Вблизи границ пластов за счет влияния скважины наблюдается превышение температуры в скважине над естественной, если пласт с пониженной теплопроводностью залегает глубже, или снижение - в противном случае (рис.2.2).
Градиент температуры, определяемый как отношение изменения температуры ДТ к разности глубин Az, на которых наблюдается это изменение, в пределах мощных литологически однородных пластов, остается неизменным с глубиной.
Рис.2.1 Схематическое распределение температуры (Т) и градиента температуры (Г) в
длительно простаивающих скважинах.
Рис.2.2 Влияние скважины на распределение естественной температуры и градиента.
- без учета влияния скважины
- с учетом влияния скважины.
Согласно закону теплопроводности Фурье градиент температуры пропорционален величине теплового потока и обратно пропорционален теплопроводности А, (пропорционален тепловому сопротивлению Ј,):
Из условия постоянства теплового потока для различных пластов следует, что произведение градиента температуры на теплопроводность одинаково для различных пластов, в которых не наблюдается тепловыделение (рис.2.1)
Г,Х1 = Г2А.2=... = Г1А, =...ГДП (2.1)
В пределах пласта с тепловыделениями градиент температуры уменьшается с глубиной. При поглощении тепла, напротив, градиент температуры с глубиной возрастает.
Влияние скважины на градиент температуры в мощных однородных пластах пренебрежимо мало. Влияние скважины наблюдается вблизи границы пластов в пределах 4-5 диаметров скважины (рис.2.2). Считают, что границе пласта соответствует максимум наклона кривой градиента температуры к оси глубин.
Наиболее мощным искажающим фактором является естественная тепловая конвекция. Она возникает при градиентах, больших критического значения 0,001-0,01
К/и. Можно считать, что при понижении температуры с глубиной вклад естественной тепловой конвекции пренебрежимо мал.
В контрольных и пьезометрических скважинах часто наблюдаются аномалии охлаждения. При термическом воздействии на нефтяные пласты наблюдаются аномалии разогрева. Эти аномалии относятся к нестационарным. Распределение температуры и градиента для охлажденного пласта иллюстрируется на рис.2.3. Вклад естественной тепловой конвекции приводит к затягиванию аномалии в зоне повышения температуры с глубиной. В отсутствие конвекции максимум и минимум градиента температуры соответствуют границам заводненной части пласта. Вклад конвекции приводит к смещению максимума градиента на 6-8 метров в область больших глубин.
Рис.2.3 Схематическое распределение температуры и градиента температуры
в интервале охлажденного пласта. 2,3 - термограмма и градиент без учета и 4,5 - с учетом конвекции.
Квазистационарные тепловые поля
Квазистационарные температурные поля в добывающих скважинах обусловлены конвективным теплопереносом и сопутствующим теплообменом между жидкостью и породами, баротермическим эффектом, калориметрическим эффектом. Время работы скважины должно составлять более 10 часов.
Квазистационарные тепловые поля формируются на фоне естественного распределения температуры и являются аддитивной добавкой к стационарному тепловому полю Земли.
Конвективный перенос тепла обусловлен потоком жидкости в стволе скважины, в заколонном пространстве вне перфорированных интервалов и в пласте. Теплообмен потока жидкости с окружающим массивом горных пород приводит к выравниванию их температур. Однако полного выравнивания температур никогда не происходит, так как конвективный теплоперенос гораздо мощнее теплообмена. Относительный вклад теплообмена возрастает с уменьшением скорости потока.
Квазистационарное распределение температуры в стволе скважины выше продуктивных пластов для потока жидкости описывается следующей приближенной формулой (Чекалюк Э.Б.)
T(z) = То- Гг + ГВ (1 - е -т ) + AT е^8 , (2.2)
где Т о- естественная температура пород при z = 0 (кровля интервала притока);
Г - средний геотермический градиент для z > 0;
AT - температурная аномалия на глубине z = 0, т.е. разница
между температурой жидкости и пород; z - расстояние, м;
с - удельная теплоемкость жидкости, Дж/кг*К;
р - плотность жидкости, кг/м3;
Q - дебит жидкости, м3 /с;
го- радиус скважины, м;
а - коэффициент теплопередачи, Вт/м2«К
Значение а можно оценить по формуле
где А, - теплопроводность пород, Вт/м2»К; Fo- число Фурье,
а - температуропроводностьпород, м2/с; t - время работы скважины.
Из (2.4) видно, с удалением от пластов (z-->°°) термограмма становится параллельной геотерме
и она будет тем ближе к естественнойтемпературе пород, чем меньше дебит (т.е. В). При значительных Q этого участка термограммы в пределах скважины может и не быть.
Величина градиента температуры в стволе скважины согласно (2.3)
где Тг =Т0 - Fz - естественная температура пород на расстоянии z;
T(z) - температура в стволе скважины.
Видно, что градиент температуры уменьшается с уменьшением разности температур жидкости и пород и с увеличением параметра В.
При известном (рассчитанном по 2.5 или оцененном в других скважинах) значении коэффициента теплопередачи а зависимость 2.6 можно использовать для оценки дебита жидкости по термограмме.
Фильтрация жидкости и газов в пласте, прохождение сужений сопровождается падением давления (явление дросселирования). При этом температура флюида изменяется: жидкости разогреваются, газы охлаждаются. Величина установившегося изменения температуры AT зависит от коэффициента Джоуля - Томсона флюида е и депрессии на пласт АР:
(2.4)
Значение е для нефтей колеблется в пределах 0,04-^0,06 °С/ат, для воды примерно равняется 0,02 °С/ат, для газов он отрицателен и на порядок больше, чем для нефтей - ег «- (0,3 - 0,5) °С/ат .
Таблица 2.1. Усредненные значения коэффициента Джоуля Томсона для различных жидкостей.
Жидкость | Температура, °С | е, °С/ат | |
Пресная вода | 20 | 0.0216 | |
40 | 0.0208 | ||
Минерализованная вода | 20 | 0.0225 | |
Нефть Арланская | 20 | 0.0415 | |
Нефть Федоровская | 20 | 0.0377 | |
Нефть Ромашкинского мест. | 45 | 0.0398 | |
Газ метан(при р =1.73 МПа) | 21 | -0.418 | |
71 | -0.279 |
Формула (2.7) справедлива по истечении времени, когда через постоянную воронку депрессии прошло несколько поровых объемов флюида.
При поступлении из пласта смеси различных жидкостей и газов суммарный температурный эффект ATZ зависит от массовой доли различных компонентов
АТУ=
._ AT,c,G1+AT,c,G,+...ATc G
c1G1+c2G2+...+coGo
Страницы: 1, 2
