Содержание к диссертации
Введение
I. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАКОЛОННЫХ ПЕРЕТОКОВ (ОБЗОР РАБОТ). 10
1.1. Способы определения заколонных перетоков 12
1.1. 1. Акустические методы определения заколонных перетоков 12
1.1.2. Радиоактивные методы определения заколонных перетоков 14
1.1.3. Термические методы определения заколонных перетоков 15 Выводы 30
II. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ НАЛИЧИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ В СКВАЖИНЕ С ЗАКОЛОННЫМИ ПЕРЕТОКАМИ. 31
2.1. Постановка задачи 32
2.1.1. Основные допущения 32
2.1.2. Основные уравнения. 32
2.1.3. Методика решения 34
2.2. Численное исследование особенностей радиального и азимутального распределения температуры в обсаженной скважине при наличии канала заколонного перетока жидкости 35
2.2.1. Влияние конструкции скважины 36
2.2.2. Влияние размеров канала перетока 39
2.2.3. Влияние теплофизических свойств скважины и горных пород 40
2.2.4. Влияние источника теплоты в скважине 40 2.3.Экспериментальное изучение теплового поля в скважине с источником теплоты 44
2.3.1 .Экспериментальная установка 44
2.3.2.Результаты экспериментальных исследований. 46
2.3.3. Сравнение теории и эксперимента. 52
2.3.4. Некоторые подходы к разработке скважинного сканирующего термометра 53
2.3.5. Автоматизированная обработка данных азимутальной термометрии. Методика обработки. 54
2.3.5. Некоторые подходы к методике азимутальных и радиальных измерений температуры. 56
Выводы 58
III. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ЗАКОЛОННЫХ ПЕРЕТОКАХ В СКВАЖИНЕ В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ 58
3.1. Математическая модель тепловых процессов в скважине с заколонным перетоком при нагреве колонны. 59
3.1.1. Численная модель для расчета полей давления, скорости и температуры. 59
3.1.2. Аналитическая модель теплопереноса 60
3.2. Численное решение задачи об индукционном нагреве колонны при наличии заколонного перетока жидкости. 62
3.3. Аналитическое решение задачи об индукционном нагреве колонны при наличии заколонного перетока жидкости 66 3.5. Методика проведения термометрических исследований с целью определения интенсивности заколонного перетока и диаметра канала перетока 69 Выводы 70
IV. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛОКАЛЬНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ЗАКОЛОННЫХ
ПЕРЕТОКОВ 71
4.1. Физические основы измерения расхода методом тепловых меток 71
4.2. Математическая модель теплового поля при локальном нагреве обсадной колонны в системе скважина- пласт. 73
4.2.1. Основные уравнения. 73
4.2.2. Результаты расчета. 76
4.3. Экспериментальное изучение теплового поля в скважине с
заколонным перетоком при локальном индукционном нагреве обсадной
колонны 78
4.3.1. Экспериментальные исследования по изучению заколонных перетоков снизу. 83
4.3.2. Экспериментальные исследования температурных попей при заколонных перетоках сверху 92
Выводы 100
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 101
ЛИТЕРАТУРА 103
- Способы определения заколонных перетоков
- Численное исследование особенностей радиального и азимутального распределения температуры в обсаженной скважине при наличии канала заколонного перетока жидкости
- Математическая модель тепловых процессов в скважине с заколонным перетоком при нагреве колонны.
- Физические основы измерения расхода методом тепловых меток
Введение к работе
Актуальность темы. Одним из широко используемых в настоящее время методов контроля за разработкой нефтяных месторождений является термометрия. К числу решаемых с помощью термометрии задач относятся определение работающих интервалов в пласте, заколонных перетоков и другие. Заколонный переток- это движение флюида (преимущественно закачиваемой или пластовой воды) из водоносного в продуктивный пласт по затрубному пространству. Заколонный переток жидкости сопровождается проявлением эффекта Джоуля- Томсона, поэтому в этом интервале жидкость разогревается, т.е интервал перетока является источником тепла.
Наличие заколонного перетока в эксплуатационной или нагнетательной скважине является серьезной проблемой. Утечка жидкости через канал перетока ведет к снижению эффективности работы нагнетательной и добывающей скважины, обводнению продукции. Переток может возникать и между двумя и более неперфорированными пластами. Гидродинамическое сообщение по каналу перетока с пресноводными горизонтами ведет к ухудшению экологии.
Очевидно, выявление и оценка интенсивности заколонных перетоков относятся к важнейшим задачам контроля за разработкой нефтегазовых месторождений.
Для непосредственного выявления перетоков жидкости и газа по заколонному пространству во время исследований можно использовать термические, радиоактивные и акустические методы. Термометрия - наиболее распространенный и информативный метод по выявлению заколонных перетоков.
Однако известные методики решения этой задачи не позволяют определить количественные характеристики заколонного перетока, что связано со сложным характером теплового поля в интервале заколонного движения, разнообразием проявления температурных эффектов в скважине, различием в условиях проведения измерений. Слабые стороны термометрии проявляются также при решении задач выявления заколонных перетоков из верхнего водоносного пласта в нижний продуктивный пласт (заколонный переток «сверху»).
В связи с этим возникает необходимость развития метода термометрических исследований, обладающего большей информативностью. В этом отношении перспективным является использование искусственных источников тепла в скважине, например, теплоэлектронагревателей (ТЭН), индукционного нагревателя и.т.д.
Температурное поле, созданное искусственными источниками тепла изменяется под действием заколонного движения жидкости и менее подвержено влиянию фоновых процессов.
Следовательно, для повышения информативности и достоверности решения задач выявления заколонных перетоков методом термометрии, большое значение приобретает теоретическое и экспериментальное исследование тепловых полей при наличии источников тепла в скважине и разрабатываемые на его основе новые методологические и технологические приемы контроля за техническим состоянием скважины.
Целью диссертационной работы является повышение информативности и достоверности решения задач по определению заколонных перетоков методом термометрии на основе теоретических и экспериментальных исследований температурных полей в системе скважина-пласт при наличии источников тепла в скважине, разработка методики определения количественных параметров заколонных перетоков.
Основные задачи исследований:
-
Анализ литературных источников в области геофизических методов определения заколонных перетоков в добывающих скважинах.
-
Разработка математической модели теплопереноса в системе скважина- пласт при наличии каналов заколонного движения жидкости.
-
Изучение особенностей формирования и динамики изменения нестационарных температурных полей при наличии канала перетока за колонной и нагревателя внутри скважины.
-
Проведение экспериментальных исследований по изучению формирования теплового поля при наличии заколонных перетоков с источниками тепла в скважине. Разработка и обоснование методики оценки интенсивности заколонного перетока жидкости с применением индукционного нагревателя.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
-
На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены основные закономерности нестационарного температурного поля в системе скважина- пласт при наличии источников тепла в скважине:
-
эффект шунтирования температурного сигнала по обсадной колонне;
-
в длительно работающей скважине создание “контрастной” температуры (путем нагревания жидкости внутри обсадной колонны) и измерение азимутального распределения температуры в процессе ее восстановления после отключения нагревателя позволяет определить размеры канала заколонного перетока.
-
-
Предложена методика оценки интенсивности заколонного перетока и диаметра канала перетока на основе использования индукционного нагревателя.
-
Установлено, что локальный индукционный нагрев колонны и временные температурные измерения позволяют достоверно определить заколонный переток жидкости из вышележащего пласта.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:
-
-
-
Математическая модель теплообмена в системе скважина- пласт с учетом заколонного движения жидкости и источников тепла.
-
Результаты экспериментальных исследований теплового поля в скважине с учетом заколонного движения жидкости и источников тепла.
-
Методика проведения температурных исследований в добывающих скважинах с использованием источников тепла в скважине с целью оценки направления заколонного перетока жидкости и его интенсивности.
Достоверность полученных результатов обусловлена корректным применением уравнений механики сплошных сред, численных методов, качественным сопоставлением полученных результатов с экспериментальными данными.
Научная и практическая ценность работы.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы в геофизических предприятиях при совершенствовании технологии термометрических исследований по выявлению источников обводнения скважин, осолонения пресноводных горизонтов, оценке интенсивности заколонных перетоков.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:
– Региональная школа – конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по и математике и физике. Уфа, 2003.
– Региональная школа – конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, Уфа, 2005.
– Научно-практическая конференция “Геофизические и нефтепромысловые методы исследования скважин в комплексе с сейсморазведкой для построения и сопровождения геологических моделей залежей нефти и газа”. Москва, 2004.
– IV региональной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, посвященная 95-летию БашГУ. Уфа, 2004.
– Международная Уфимская зимняя школа – конференция для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, Уфа 2005.
– Научная конференция «Информационные технологии в нефтегазовом сервисе», Уфа 2006
Публикации. Основной материал диссертации опубликован в 6 печатных изданиях, список которых приведен в конце автореферата.
Структура диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 109 страницы, в том числе 52 рисунка, 6 таблиц. Список литературы содержит 67 наименований.
Способы определения заколонных перетоков
Заколонный переток — это движение жидкости или газа в заколон-ном пространстве, возникающее под действием перепада давлений.
При выявлении перетоков используется целый ряд методов — геохимических, промысловых и др.[17, 21] К числу наиболее широко используемых для этой цели методов промысловой геофизики относятся термические, радиоактивные и акустические методы [37,45 ].
О возможной негерметичности заколонного пространства свидетельствуют: плохое качество сцепления цементного камня с колонной, неполное заполнение цементом каверн, трещиноватые зоны и пустоты в теле цементного камня, наличие кольцевых зазоров, изменение вторичной нефте-, газонасыщенности неперфорированных пластов и др.
Для непосредственного выявления перетоков жидкости по зако-лонному пространству можно использовать:
1 шумометрию [1,24, 52, 62];
2 радиоактивные методы [52, 56, 60, 63, 66];
3 термометрию [1, 10, 20, 54, 55, 58, 59, 65].
1.1.1. Акустические методы определения заколонных перетоков
Мак-Кинли в 1972 г. представил новый метод детектирования заколонного перетока, который заключался в записи шума перетока и определении положения источника по пику шума. Он показал, что по его эмпирическим зависимостям можно определять не только тип потока (одно или двухфазный), но и оценивать порядок величины дебита перетока.
Пеннебэкер и Вуди развили идеи Мак-Кинли и предложили использовать одновременно запись данных термометра и шумомераом для определения заколонного перетока. Источник перетока и сужения каналов определяются по пикам на кривой шумомера (РисЛЛ), а тип потока (1 или 2-фазный) - по спектру (Рис. 1.2) [52].
Численное исследование особенностей радиального и азимутального распределения температуры в обсаженной скважине при наличии канала заколонного перетока жидкости
Проведенные варианты расчетов представлены в виде графиков зависимости относительной температуры от радиуса, угла, времени и позволяют проанализировать характер температурного поля скважины по ряду различных факторов:
- влияние стальной колонны (шунтирование температурного сигнала по поверхности обсадной колонны);
- влияние теплофизических свойств цементного камня и окружающей скважину среды (соотношение теплопроводностей цемента и породы);
- влияние геометрии перетока (величины охвата перетоком поверхности обсадной колонны, положение канала перетока относительно обсадной колонны и цементного камня);
- влияние нагревателя, расположенного внутри скважины (соотношение температуры нагревателя и канала перетока).
Полученная по результатам расчетов информация позволяет по характеру изменения температурного поля оценивать роль того или иного фактора и, в конечном счете, с достаточной достоверностью выявлять канал перетока и его величину.
Наличие стальной колонны увеличивает темп прогрева области внутри скважины. Как показали расчеты (рис.2.2- 2.4), интервал времени до 10 -12 часов является характерным для прогрева скважины диаметром 146 мм, как при моделировании стальной колонны, так и при ее отсутствии. Влияние стальной колонны сокращает время достижения температурного импульса 0ДТ (на оси и у стенки) примерно с 2 - 3 часов до 1,5 -2 часов (рис.2.2-2.4).
Величина угла охвата скважины перетоком не обнаруживает себя как в случае наличия, так и в случае отсутствия стальной колонны для точек на оси скважины. Кроме того, влияние стальной колонны проявляется практически одинаково в точках на оси скважины, как при минимальном, так и при максимальном угле охвата каналом перетока.
Результаты численных расчетов (рис 2.2, 2.3, 2.4 ) подтвердили выявленный экспериментально эффект шунтирования температурного поля внутри скважины за счет опережающего прогрева по стальной колонне.
Как видно из кривых распределения температуры, на некотором начальном отрезке времени проявляется опережающий прогрев в точках на стенке стальной колонны, диаметрально противоположных каналу перетока по сравнению с точками на оси скважины. Это приводит к возникновению отрицательных градиентов температуры по линии диаметра скважины ( в направлении от канала перетока). При удалении канала перетока, темп установления температурного поля внутри скважины значительно ниже (рис 2.4). Условное уменьшение теплопроводности цемента и породы усиливает эффект шунтирования, как по длительности его проявления, так и по величине отрицательного радиального градиента температуры. В этой ситуации влияние цемента проявляется двояко. С одной стороны, в секторе контакта с перетоком цемент действует как изолятор по отношению к прогреву внутри скважины, с другой- вне контакта, действует как изолятор по отношению к остыванию, сдерживая потери тепла в окружающую породу. Второй фактор с течением времени начинает преобладать и усиливается с уменьшением теплопроводности самой породы. Максимальные величины отрицательного градиента при наименьших значениях теплопроводности цемента и породы составили 0.5 от температуры перетока на один метр (рис.2.2-2.4).
Математическая модель тепловых процессов в скважине с заколонным перетоком при нагреве колонны.
Для изучения заколонных перетоков в скважине были построены две математические модели:
модель для численного расчета термогидродинамических полей с использованием программы расчета Fluent 6Л (Возможность проведения расчетов предоставлена фирмой ШЛЮМБЕРЖЕ в рамках выполнения гранта);
аналитическая модель, описывающая процесс теплопереноса используется для изучения особенностей поведения температурного поля при изменении параметров системы.
3.1.1. Численная модель для расчета полей давления, скорости и температуры .
Геометрия задачи приведена на рис.3.1 и включает ствол скважины, колонну, канал перетока, цементное кольцо, окружающие горные породы.
В данной программе расчета математическая модель опирается на
уравнения неразрывности: — + V(/?i)) = 0; уравнения сохранения коли чества движения: —(pv) + V(pt5t3) = -V/? + pg + F; уравнения энергии:
Считается, что жидкость несжимаема. Режим потока ламинарный (во всех рассматриваемых случаях Re 500), на стенке соблюдается условие прилипания жидкости.
Учитывается кондуктивный теплообмен в жидкости и твердых телах во всех направлениях.
Второе краевое условие получено из условия симметричности источника относительно начала координат при соблюдении условия непрерывности функции источника.
Одномерное уравнение конвективного теплопереноса для флюида в канале перетока (однотемпературная модель):
Обозначения: индексы: w стенка колонны,/- флюид в канале перетока; Т - температура, Т0 - начальная температура стенки колонны и флюида, р - плотность, с - удельная теплоемкость, X - теплопроводность, Nit - критерий Нуссельта, S = Inrd - площадь сечения канала перетока, d - диаметр канала перетока, G - массовый расход жидкости через канал перетока, 5 - толщина стенки колонны, г - внешний радиус стенки колонны, ку - коэффициент сосредоточенности источника, q амплитудная мощность источника.
class4 ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛОКАЛЬНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ЗАКОЛОННЫХ
ПЕРЕТОКОВ class4
Физические основы измерения расхода методом тепловых меток
Известные работы по индукционному воздействию на призабойную зону скважин посвящены интенсификации добычи нефти за счет снижения вязкости асфальто- смолистых отложений в призабойной зоне скважин [4,28,29,34,35,36,47,48,49,50,51]. Индукционный разогрев железной обсадной колонны можно использовать и для задач диагностики технического состояния скважин, в частности, для определения интервалов за-колонного движения жидкости.
Ниже приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований тепловых аномалий создаваемых при индукционном воздействии в скважине, показывающих на принципиально новую возможность диагностики интервалов заколонного перетока жидкости по данным термометрических исследований скважин.
Физические основы измерения расхода методом тепловых меток
Одно из наиболее перспективных направлений развития техники измерения расходов жидкости — метод меток. Под методом меток понимают создание или использование определенных возмущений в потоке с физическими свойствами, отличающимися от свойств потока, по скорости перемещений которых можно судить о расходе жидкости,
В 1975г. в ПО «Татнефтегеофизика» был предложен метод импульсной терморасходометрии для измерения расхода жидкости в скважинах [45]. Сущность метода состоит в том, что тепловую метку вводят в поток жидкости и измеряют время переноса метки от импульсного источника тепла до датчика температуры.
Для импульсного нагрева жидкости использован разряд накопительных конденсаторов через жидкость. В процессе разряда конденсаторов электрическая энергия переходит в тепловую, в результате чего происходит импульсный нагрев жидкости, что позволяет увеличить температуру 100 см3 воды на 0,19 С. Поскольку в настоящее время существуют датчики температур с чувствительностью до 0,001 С, появляется возможность регистрации тепловой метки, создаваемой, разрядом конденсатора емкостью С 1000 мкФ с напряжением на обкладке 300 — 450 В.
Для изучения возможности измерения расхода жидкости в скважинах в ПО «Татнефтегеофизика» были изготовлены макеты импульсного термического расходомера, модели обсаженных скважин и проведены экспериментальные исследования. Макетом расходомера были проведены исследования с целью изучения возможности создания тепловой метки требуемой амплитуды и установлены связи между временем переноса тепловой метки и расходом жидкости. Из полученных данных было видно, что выбранная схема импульсного теплового источника создает тепловую метку такой амплитуды, которая надежно регистрируется датчиком температур при расходах жидкости до 96 м3/сут
Анализ экспериментальной зависимости времени переноса тепловой метки от расхода жидкости и воспроизводимости измерения времени переноса t при заданном расходе показывает, что порог чувствительности метода импульсной теплорасходометрии 0,2 м3/сут, относительная ошибка измерения расхода при Q = 30 м /сут равна 5 %. С увеличением расхода относительная ошибка при заданном режиме измерения растет и при Q=l00 м3/сут составляет приблизительно 12%. При движении жидкости сверху вниз (режим нагнетательных скважин) порог чувствительности лежит в области 6,6 - 8,4 м3/сут.
Результаты этих работ показывают на возможность измерения расхода жидкости в скважине методом тепловых меток.
Похожие диссертации на Исследование температурных полей в скважине с источниками тепла
-
-
