Распределение температуры по стволу скважины с целью решения геологических и геолого-промысловых задач (стр. 2 из 5)
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 изменениятемпературы 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) вдлительно 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 £,):
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 - температуропроводность
пород, 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 естественной
температуре 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(2.5)
здесь С; - удельная теплоемкость компонента i;
в продукции пласта.
i - массовая доля i-ro компонента
Из (2.8) следует, что с увеличением обводненности при одинаковой депрессии температурная аномалия вследствие дросселирования будет уменьшаться. Поскольку газы при дросселировании охлаждаются, а жидкости нагреваются, изменение температуры газожидкостной смеси может быть как положительным (ATs>0), так и отрицательным (ATS< 0), а может и отсутствовать (ATS= 0).
Обычно скважины эксплуатируются при забойном давлении, превышающем давление насыщения нефти газом. Однако при определенных условиях, например, при компрессорном освоении, оно может оказаться ниже давления насыщения. Кратковременное снижение забойного давления ниже давления насыщения можно осуществить и специально, как будет показано ниже, для повышения эффективности решения отдельных задач, например, при исследовании фонтанных скважин.