Исследование температурных полей в скважине с источниками тепла

Шарафутдинов, Тимур Рамилевич

Исследование температурных полей в скважине с источниками тепла тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Шарафутдинов, Тимур Рамилевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Уфа МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование температурных полей в скважине с источниками тепла»

Автореферат диссертации на тему "Исследование температурных полей в скважине с источниками тепла"

На правах рукописи

ШАРАФУТДИНОВ ТИМУР РАМИЛЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В СКВАЖИНЕ С ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛА

Специальность 01.04.14 - Теплофизика ■ теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа-2006

Работа выполнена на кафедре геофизики Башкирского государственного университета.

Научный: руководитель:

доктор технических наук, профессор Валнуллян Рим Абдуллович

ЛА____доктор технических наук,

Официальные оппоненты: " ^ _ _ '

Федоров Вячеслав Николаевич

кандидат физико-математических наук Киреев Виктор Николаевич

Ведущая организация: Уфимский государственный нефтяной технический университет

Защита состоится «28» декабря 2006 года в 16°° часов на заседании диссертационного совета Д212.013.04 при Башкирском государственном университете по адресу: 450074, г. Уфа, ул. Фрунзе 32, физический факультет, ауд. 216.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Башкирского государственного университета.

Автореферат разослан « ноября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н. Шаршфутдннов Р.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.

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:

1. Анализ литературных источников в области геофизических методов определения заколонных перетоков в добывающих скважинах.

2. Разработка математической модели теплопереноса в системе скважина- пласт при наличии каналов заколонного движения жидкости.

3. Изучение особенностей формирования и динамики изменения нестационарных температурных полей при наличии канала перетока за колонной и нагревателя внутри скважины.

4. 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:

1. 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.

2. Предложена методика оценки интенсивности заколонного перетока и диаметра канала перетока на основе использования индукционного нагревателя.

3. 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:

1. Математическая модель теплообмена в системе скважина- пласт с учетом заколонного движения жидкости и источников тепла.

2. Результаты экспериментальных исследований теплового поля в скважине с учетом заколонного движения жидкости и источников тепла.

3. 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_страниц. в том числе _52_рисунка, б таблиц. Список литературы содержит 67 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и задачи исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится обзор работ по геофизическим методам исследования скважин при решении задач диагностики технического состояния скважин. Изучению и решению данной проблемы посвящены многочисленные публикации отечественных (Дахнов В.Н., Чекалюк Э.Б., Басин Я.Н., Пудовкин М.А., Непримеров H.H., Гуторов Я.Н., Дворкин И.Л., Афанасьев Е.Ф., Буевич A.C., Филлипов А.И., Даутас П.М., Шимайтис А.П, Кременецкий М.И., Кирпиченко Б.И., Проселков Е.Ю. и др.) и зарубежных авторов (Batchelor G.K., Britt E.L., Claude Е., Cooke Jr., McKeon D.C., Scott H.D. и др.).

Исследованию особенностей температурных полей в задачах контроля за разработкой нефтяных местрождений посвящены работы сотрудников кафедры геофизики Башгосуниверситета Валиуллина P.A., Рамазанова А.Ш., Назарова В.Ф, Федотова В Л. Яруллина Р.К. и др.

Большинство авторов отмечают сложность решения задач по выявлению заколонных перетоков, а также на отсутствие количественных методик по определению параметров заколонных перетоков. В этой главе приводится описание основных термодинамических процессов, участвующих в формировании температурного поля в пласте при заколонных перетоках, отмечается, что широко используемые на производстве методы шумометрии,

радиоактивного каротажа, термометрии позволяют выявлять заколонные перетоки без их количественной оценки.

Во второй главе приводятся результаты математического моделирования и экспериментального исследования теплового поля при наличии электронагревателя в скважине с каналом заколонного движения жидкости.

Предложена математическая модель для расчета радиального и углового распределения температуры в системе скважина - горные породы (рис.1) с источниками тепла в пренебрежении конвективными составляющими.

Рис. 1. Геометрия задачи: 1 — внутриколонное пространство; 2 — железная обсадная колонна; 3 - цементное кольцо с каналом заколонного перетока; 4 - горная порода

Математическая постановка задачи с учетом симметрии относительно азимутального угла (05ф2л), делящей переток пополам, имеет следующий вид:

<Р

= 0, Г > 0.

1-Я,-0

г=*(+О

'=1,2,3.

Здесь С/,- теплоемкости сред, Дж/(кг • К); К, - радиус / - ой среды, м; Ль/г^ЯзЛ -внутренний и внешний радиусы колонны, радиус скважины и радиус внешней границы соответственно, м; Л, - радиус канала перетока, м; г- радиальная координата, м; Т(г, <ръ !) -текущая температура, К; То(г, <р, 0) - начальное распределение температуры, К; Т„ -максимальная температура канала перетока, К; V/ - мощность нагревателя, Вт/м3; Л„ - радиус нагревателя, м; /„ - время включения нагревателя; с; ( - время, с; г - вертикальная координата; <р - угловая координата; р,— плотности сред, кг/м3; X, - теплопроводности сред, Вт/(м2 • К); (р0 -угловое значение канала перетока. Индексы:- номер среды; к- канал перетока; п - переток; н - нагреватель.

Задача решается численно на основе конечно-разностного метода.

Проведенные многовариантные расчеты показали, что наличие стальной колонны увеличивает темп прогрева области внутри скважины (рис.2). Наличие стальной колонны приводит к шунтированию температурного сигнала, т.е противоположная сторона от канала перетока (г<0) в стальной колонне прогревается значительно быстрее, чем температура жидкости в центре скважины. В начальные моменты времени в распределении температуры наблюдаются ее значительные радиальные градиенты (рис.2,а). В угловом распределении температуры на стенке стальной колонны (рис.2, б) максимальный разогрев отмечается в области нахождения канала перетока и с течением времени происходит его выравнивание преимущественно за счет высокой температуропроводности стальной колонны.

Важным для практики является случай длительной эксплуатации скважины и соответственно значительном времени существования заколонного перетока. Радиальное и угловое распределения температуры здесь практически

выравниваются (кривая 2, рис.3, а и б), что затрудняет решение задачи по определению местоположения канала перетока.

Рис. 2. Зависимость от времени радиального (а) и углового (б) распределений относительной температуры 1!=(Г-То)/(Тя -То) в отсутствии источника тепла внутри обсадной колонны: 1 - 120 мин; 2 — 240; 3 — 360; вертикальные штриховые линии - границы сред (радиусы г—0.073м, 0.083 м и 0.1м соответствуют внутреннему и наружному радиусу стальной колонны, радиусу скважины) и половинные значения угла перетока С<р0 = 12").

Нагревание жидкости в стволе обсадной колонны приводит к интенсивному теплообмену в системе скважина- окружающие горные породы с каналом заколонного перетока (рис. 3). Анализ поведения температуры в радиальном сечении (особенно в точках, прилегающих к сектору перетока и наиболее удаленных от него) и угловом распределении позволяет отметить следующее. Наибольшие изменения температуры (в сравнении показаний температуры до включения нагревателя и после) наблюдаются на оси скважины и в точке, максимально удаленной от перетока. В то же время в области, прилегающей к перетоку, температура жидкости в течение очень небольшого интервала времени приобретает свое первоначальное значение до включения нагревателя, равное температуре перетока.

После отключения теплового источника внутри колонны наблюдается восстановление температурного поля как в радиальном (кривая 3, рис. 3, а), так и угловом распределениях (кривая 3, рис. 3, б). Угловые измерения температуры вблизи стенки колонны по ее периметру позволяют оценить угловой размер канала перетока. Исследования показали, что определение канала перетока возможно как при Тя > Тш так и при Тн < Г„, где Тк — максимальное значение температуры жидкости в стволе скважины после ее нагрева. Временной интервал, в течение которого можно оценить размер канала перетока, ограничен временем нагревания жидкости в стволе скважины от 30 минут до одного часа.

Рис. 3. Зависимость от времени радиального (а) и углового (6) распределений относительной температуры и=(Т-То)/(Тн -То) при наличии источника теплоты внутри обсадной колонны: 1 - 120 мин; 2 - 600; 3 - через 120 мин после отключения источника теплоты; <р0 = 6(Р; вертикальные штриховые линии - границы сред и половинные значения угла перетока

Проведены экспериментальные исследования распределения температуры в скважине при наличии канала перетока в лабораторных условиях. Измерения температуры проводились пятью датчиками температуры расположенными равноудаленно по периметру внутри колонны непосредственно у стенки. На рис.4 приведены зависимости температуры от

времени для пяти датчиков, для случая заполнения скважины воздухом. Видно, что первыми на изменение температуры реагируют 3 и 4 датчики температуры расположенные вблизи нагретого канала перетока. Основное изменение температуры наблюдается после 15 минут. Из рис.4 видно, что этому моменту времени соответствует подход температурного фронта. При этом датчики 3,4 максимально разогреты, и наибольшая дифференциация в показаниях датчиков наблюдается через 30 минут с начала нагрева канала перетока.

т,с

Рис.4, Показания датчиков температуры расположенных по периметру скважины

Экспериментальные исследования температурного поля в случае заполнения скважины жидкостью, показывают, что на формирование теплового поля значительное влияние оказывает тепловая конвекция. Поэтому, для существенного ее уменьшения выше узла датчиков температуры предусмотрен металлический пакер.

Таким образом, в длительно работающей скважине, следовательно, при длительном разогреве дросселирующей жидкости в канале заколонного движения, полезная информация о канале заколонного движения может быть получена путем создания "контрастной" температуры внутри скважины за счет

нагревания жидкости. При этом после отключения нагревателя наиболее информативными являются измерения, проведенные в течение первых двух часов. Об этом свидетельствуют как результаты расчета, так и экспериментальные данные, рассмотренные в этой главе.

В третьей главе проводится численный расчет температурного поля в системе скважина- пласт с заколонным перетоком. На основе анализа поведения температурного поля при изменении давления в скважине строится математическая модель для аналитического описания полей температуры и давления для различных диаметров канала заколонного перетока. Предложена методика оценки интенсивности заколонного перетока и диаметра канала перетока с использованием индукционного нагревателя и нестационарного режима работы скважины на основе решения прямой- обратной задачи теплообмена в системе «канал перетока- скважина».

На рис.5 приведены результаты расчета температурного поля при различных диаметрах канала перетока (0,05-0,15 мм), перестроенные в координатах перепада давления между концами канала перетока (данный перепад изменяется с изменением забойного давления). Вид каждой кривой из данной серии однозначно определяется диаметром канала перетока, т.е. это обстоятельство можно использовать для решения обратной задачи по определению диаметра канала заколонного перетока жидкости.

Депрессия, атм

Рис.5. Зависимости температуры флюида в канале перетока от депрессии и диаметра

канала перетока. 13

Используя определенное значение диаметра канала перетока <1 и соответствующие параметры можно определить дебит заколонного перетока жидкости по формулам:

Р -Р

.. _ пл_заб

переток \ 32///'

б = и

.71-

переток ^

где £ - ^ * Р^ — забойное давление, Рм — давление на контуре питания пласта-

Гс

источника перетока, Як — радиус контура питания, гс — радиус скважины, I — длина канала перетока, к — абсолютная проницаемость пласта-источника, ¿1 — вязкость флюида.

Четвертая глава посвящена исследованию тепловых аномалий создаваемых при локальном индукционном воздействии в скважине с заколонным перетоком. Предложена математическая модель для описания теплового поля в системе скважина- пласт при локальном индукционном нагреве колонны в интервале заколонного перетока. Геометрия задачи приведена на рис.6.

12 3

Рис.6. Геометрия задачи. 1 — порода, 2 — заколонное пространство, 3- внутриколонное пространство, 4- водоносный пласт, 5- индукционный нагреватель, 6- продуктивный пласт, 7 - область разогрева

Результаты расчетов (рис.7) показывают, что локальный индукционный нагрев колонны приводит к образованию тепловой метки, что указывает на возможность диагностики интервалов заколонного перетока жидкости по данным термометрических исследований скважин.

Рис. 7. Распределение температуры по стволу скважины в различные моменты времени. 1-до индукционного воздействия, 2 и 3- после кратковременного локального

нагрева колонны.

Для проведения экспериментальных исследований разработана экспериментальная установка (рис.8) состоящая из двух колонн : внешней — с внутренним диаметром 146 мм и внутренней - с диаметром 100 мм.

Внутренняя колонна снизу герметична и располагается внутри колонны с большим диаметром. Пространство между внешней стенкой внутренней колонны и внутренней стенкой внешней колонны в экспериментальной установке имитирует заколонное пространство в скважинных условиях, по которому из-за нарушения цементирования могут наблюдаться заколонные перетоки. На колонне с меньшим диаметром снизу и сверху на расстоянии 10 см проделаны по окружности по 4 отверстия, которые в свою очередь имитируют перфорационные отверстия в скважине напротив пласта.

ЭКЦсншу ЭКЦомрху

Для осуществления заколонных перетоков установка оснащена верхним и нижним кранами, через которые жидкость поступает в скважину.

Методика экспериментальных исследований заключается в том, чтобы индукционным нагревателем создавать тепловую метку в заколонном флюиде и регистрировать её уже во внутренней колонне выше или на уровне пласта.

Ниже приведены результаты экспериментальных исследований температурного поля в модели скважины при заколонном пертоке «сверху». Пунктирными линиями показана продолжительность индукционного нагрева колонны.

Данные экспериментов на рис.9 приведены для случая дебита заколонного перетока (2=4,5 м3/сут., продолжительности индукционного нагрева 1=200 сек., нагрев проводился периодически с интервалом между нагревами 6,6 минут. Индукционный нагреватель находится выше датчика температуры на 1м.

Из рис.9 видно, что кратковременный локальный индукционный нагрев колонны в интервале заколонного перетока «сверху» приводит к созданию тепловой метки которая регистрируется термометром.

Рис.9. Распределение температуры в стволе скважине при ЗКЦсверху.

Q=4,ЗS м3/сут., Время индукционного нагрева 1=200 сек., нагрев два раза с интервалом 6,6 минут.

Приводится методика проведения скважинных исследований существующей аппаратурой индукционного нагревателя комплексированного с автономным термометром по определению интервала заколонного перетока при компрессорном опробовании скважин.

Таким образом, используя кратковременный локальный индукционный нагрев колонны в интервале заколонного перетока жидкости и регистрируя изменение температуры в точке выше кровли пласта можно судить о наличии заколонного перетока жидкости из вышележащего пласта, а регистрируя изменение температуры в подошве пласта о заколонном перетоке из нижнего водоносного пласта.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненная работа и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработаны математические модели и экспериментальные установки для изучения теплообмена в системе скважина- пласт с учетом заколонного движения жидкости и источников тепла.

2. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены основные закономерности нестационарного температурного поля в системе скважина- пласт при наличии источников тепла в скважине и заколонных перетоков:

• эффект шунтирования температурного сигнала по обсадной колонне;

• в длительно работающей скважине создание . "контрастной" температуры (путем нагревания жидкости внутри обсадной колонны) и измерение углового распределения температуры в процессе ее восстановления после отключения нагревателя позволяет определить размеры канала заколонного перетока.

• исследования азимутальным термометром позволяют повысить достоверность по определению интервалов заколонного перетока в осложненных для интерпретации условиях (например, при отсутствии геотермы в зумпфе скважины).

3. Предложена методика оценки интенсивности заколонного перетока и диаметра канала перетока с использованием индукционного нагревателя и нестационарного режима работы скважины на основе решения прямой-обратной задачи теплообмена в системе «канал перетока- скважина».

4.Установлено, что кратковременный локальный индукционный нагрев колонны и временные температурные измерения позволяют достоверно определить заколонный переток жидкости из вышележащего пласта.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шарафутдинов Т.Р. Исследование теплового поля в скважине при наличии каналов закаленного движения жидкости. // Сб. труд. IV региональной школы — конф. для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, посвященная 95-летию БашГУ. Уфа: БашГУ - ИФМК УНЦ РАН,

2004. -т 2.- стр. 207-212

2. Шарафутдинов Т.Р. Изучение азимутального распределения температуры на модели скважины. // НТВ Каротажник.- 2004.- №14(127).-стр. 113-117

3. Шарафутдинов Т.Р. Численное моделирование нестационарного теплового поля в цилиндрической геометрии скважины.// Тезисы докладов V региональной школы - конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике, Уфа: БашГУ, 2005. С. 140.

4. Шарафутдинов Т.Р. Исследование нестационарного теплового поля при наличии теплового источника в скважине. // Тезисы докладов Международной Уфимской зимней школы- конференции по математике и физике для студентов, аспирантов и молодых ученых, Уфа: БашГУ,

2005. С.251.

5. Валиуллин P.A., Шарафутдинов Т.Р. Азимутальная термометрия. Перспективы решения задач по выявлению заколонных перетоков. // Тезисы докладов научной конференции «Информационные технологии в нефтегазовом сервисе»,- 2006.- стр. 133

6. Валиуллин P.A., Шарафутдинов Т.Р., Шарафутдинов Р.Ф. Математическое моделирование азимутально-радиального распределения температуры в скважине при наличии источников теплоты. II Инженерно -физический журнал.- 2006.- т.79. - №5.- стр.80-82

ШАРАФУТДИНОВ ТИМУР РАМИЛЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ В СКВАЖИНЕ С ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛА

Специальность 01.04.14 - Теплофгаш ■ теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Лицензия № 0177 от 10.06.96 г. Подписано в печать 24.11.2006 г. Бумага офсетная. Отпечатано на ризографе. Формат 60x84 Vie. Усл.-печ. п. 1,25. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №408.

450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3, ГОУ ВПО «Башгосмедуниверснтет РОСЗДРАВА»

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Шарафутдинов, Тимур Рамилевич

ВВЕДЕНИЕ

I. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАКОЛОННЫХ ПЕРЕТОКОВ (ОБЗОР РАБОТ).

1.1. Способы определения заколонных перетоков

1.1.1. Акустические методы определения заколонных перетоков

1.1.2. Радиоактивные методы определения заколонных перетоков

1.1.3. Термические методы определения заколонных перетоков 15 Выводы

II. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ НАЛИЧИИ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛОТЫ В СКВАЖИНЕ С ЗАКОЛОННЫМИ ПЕРЕТОКАМИ.

2.1. Постановка задачи

2.1.1. Основные допущения

2.1.2. Основные уравнения.

2.1.3. Методика решения

2.2. Численное исследование особенностей радиального и азимутального распределения температуры в обсаженной скважине при наличии канала заколонного перетока жидкости

2.2.1. Влияние конструкции скважины

2.2.2. Влияние размеров канала перетока

2.2.3. Влияние теплофизических свойств скваэ/сины и горных пород

2.2.4. Влияние источника теплоты в сквалсине 40 2.3.Экспериментальное изучение теплового поля в скважине с источником теплоты

2.3.1. Экспериментальная установка

2.3.2.Результаты экспериментальных исследований.

2.3.3. Сравнение теории и эксперимента.

2.3.4.Некоторые подходы к разработке скважинного сканирующего термометра

2.3.5. Автоматизированная обработка данных азимутальной термометрии. 54 Методика обработки. 54 2.3.5. Некоторые подходы к методике азимутальных и радиальных измерений температуры.

Выводы

III. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ПРИ ЗАКОЛОННЫХ ПЕРЕТОКАХ В СКВАЖИНЕ В ПРОЦЕССЕ НАГРЕВА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

3.1. Математическая модель тепловых процессов в скважине с заколонным перетоком при нагреве колонны.

3.1.1. Численная модель для расчета полей давления, скорости и температуры.

3.1.2. Аналитическая модель теплопереноса

3.2. Численное решение задачи об индукционном нагреве колонны при наличии заколонного перетока жидкости.

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

IV. ИЗУЧЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ЛОКАЛЬНОГО ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ЗАКОЛОННЫХ ПЕРЕТОКОВ

4.1. Физические основы измерения расхода методом тепловых меток

4.2. Математическая модель теплового поля при локальном нагреве обсадной колонны в системе скважина- пласт.

4.2.1. Основные уравнения.

4.2.2. Результаты расчета.

4.3. Экспериментальное изучение теплового поля в скважине с заколонным перетоком при локальном индукционном нагреве обсадной колонны

4.3.1. Экспериментальные исследования по изучению заколонных перетоков снизу.

4.3.2. Экспериментальные исследования температурных полей при заколонных перетоках сверху

Выводы

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование температурных полей в скважине с источниками тепла"

Актуальность темы. Одним из широко используемых в настоящее время методов контроля за разработкой нефтяных месторождений является термометрия. К числу решаемых с помощью термометрии задач относится определение работающих интервалов, 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 Джоуля- Томсона эффекта, поэтому в этом интервале жидкость разогревается, т.е интервал перетока является источником тепла.

Слабые стороны термометрии проявляются при решении задач выявления и количественной оценки заколонных перетоков, особенно заколонных перетоков «сверху», а также по трещинам, малых перетоках. В этом случае значительно снижается информативность современных термометрических методов, так как возникают трудности с дифференциацией аномалий температуры, вызванных движением флюида на фоне температурных полей, вызванных другими факторами.

Наличие заколонного перетока в эксплуатационной или нагнетательной скважине является серьезной проблемой. Утечка жидкости через канал перетока ведет к снижению эффективности 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.

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 зако-лонных 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.

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, электронагревателей (ТЭН), индукционного нагревателя и.т.д.

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.

Основные задачи исследований:

4. 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:

• эффект шунтирования температурного сигнала по обсадной колонне;

• в длительно работающей скважине создание "контрастной" температуры (путем нагревания жидкости внутри обсадной колонны) и измерение углового (азимутального) распределения температуры в процессе ее восстановления после отключения нагревателя позволяет определить размеры канала за-колонного перетока.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты:

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 зако-лонных перетоков.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем работы составляет 109 страниц и включает список литературы 67 наименований, 52 рисунка и 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"

Выводы

В данной главе проведены теоретические и экспериментальные исследования теплового поля в системе скважина- интервал заколонного перетока при индукционном нагреве колонны.

Показано, что кратковременный индукционный нагрев колонны в интервале заколонного перетока жидкости позволяет по регистрации тепловой метки судить о наличии заколонного перетока. Имеется корреляция времени регистрации тепловой метки и дебита заколонного перетока, что может служить основой по количественному определению характеристик заколонного перетока.

Предложена методика проведения исследований по определению заколонного перетока сверху при термометрических исследованиях скважин в процессе компрессорного опробования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа и полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

• эффект шунтирования температурного сигнала по обсадной колонне;

• в длительно работающей скважине создание "контрастной" температуры (путем нагревания жидкости внутри обсадной колонны) и измерение углового распределения температуры в процессе ее восстановления после отключения нагревателя позволяет определить размеры канала заколонного перетока.

3. Разработана программа автоматизированной обработки данных азимутальной термометрии. Программа позволяет на основе данных азимутального распределения температуры определять канал перетока.

4. Предложена методика оценки интенсивности заколонного перетока и диаметра канала перетока с использованием индукционного нагревателя при нестационарном режиме работы скважины на основе решения прямой- обратной задачи теплообмена в системе «канал перетока- скважина- горные породы».

4. Установлено, что кратковременный локальный индукционный нагрев колонны и временные температурные измерения позволяют достоверно определить заколонный переток жидкости из вышележащего пласта.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Шарафутдинов, Тимур Рамилевич, Уфа

1. Афанасьев Е.Ф. и др. Контроль за разработкой месторождений акустическим способом. Обзор ВНИИЭ Газпром, М., 1987, 36 с.

2. Аббасов А.А. и др. Температурное поле пласта при наличии в нем периодически действующих источников тепла при прерывистой закачке горячей воды // Уч.зап.Азерб.ин-ста нефти и химии. 1972. -Вып.9. -№А.- С.40-45.

3. Алишаев М.Г., Розенберг М.Д., Теслюк Е.В. Неизотермическая фильтрация при разработке нефтяных месторождений. М.: Недра, 1985.-270 с.

4. Адиев Я.Р., Шилов А.А., Хакимов Т.Г., Ладин П.А. Способ обработки призабойной зоны пласта индукционным высокочастотным нагревателем на каротажном кабеле//Каротажник-2002.-№93.-С.130-133.

5. Балакиров Ю.А. Термодинамические исследования фильтрации нефти и газа в залежи. М.: Недра, 1970.- 230 с.

6. Булыгин В.Я., Локотунин В.А. Математическое моделирование те-пломассопереноса в нефтяных пластах. // Сб.:Динамика многофазных сред. Новосибирск. - 1981. - С. 101-107.

7. Буевич А.С., Валиуллин Р.А., Хизбуллин Ф.Ф. Экспериментальные исследования некоторых термодинамических процессов для жидкостей. // Физико- химическая гидродинамика: Межвузовский сборник,-Уфа: Баш.гос.унив-т. 1980.- С.56- 60

8. Валиуллин Р.А., Буевич А.С., Филлипов А.И., Дворкин И.Л. и др. Способ определения характера движения жидкости за обсадной колонной, А.С, №933964,1982

9. Валиуллин Р.А., Дворкин И.Л., и др. Способ исследования технического состояния скважин. АХ. № 1160013,1985

10. Валиуллин Р.А., Федотов В.Я., ШакировА.Ф. и др. Способ определения вертикального движения жидкости в скважине. А\С, № 1305321,1987

11. И. Валиуллин Р.А., Болдырев В.Д. Экспериментальное изучение адиабатического эффекта в пластовых жидкостях. // Физико- химическая гидродинамика: Межвузовский сборник,-Уфа: Баш.гос.унив-т. 1989.- С.84-42.

12. Валиуллин Р.А., Шарафутдинов Р.Ф., Кулагин O.JL Экспериментальное изучение термодинамических эффектов в газожидкостных системах. // Физико-химическая гидродинамика: Межвузовский сборник. -Уфа : Башк.гос.унив-т. -1995.- С.13-18.

13. Валиуллин Р.А., Рамазанов А.Ш. Термические исследования при компрессорном освоении нефтяных скважин. Уфа: Изд. Баш-ГУ, 1992.- 168 с.

14. Валиуллин Р.А., Шарафутдинов Р.Ф. Особенности переходных температурных полей при компрессорном опробовании скважин и пластов // Нефть и газ, №1.- 1998.- С.29-34.

15. Валиуллин Р.А., Назаров В.Ф., Рамазанов А.Ш., Федотов В.Я., Филиппов А.И., Яруллин Р.К. «Методические рекомендации по термическим исследованиям скважин». Уфа, 1989г.

16. Вукалович М.П. Термодинамические свойства воды и водяного пара. М.: Машгиз., 1959. - 108 с.

17. Гиматудинов Ш.К. и др. Физика нефтяного и газового пласта.- М.: Недра, 1982.-308 с.

18. Геофизические исследования в нефтяных пластах. Сборник трудов, выпуск20 -Уфа, 1990 г.

19. Даутас П.М., Шимайтис А.П. и др. Способ определения направления заколонных перетоков. А^С.СССР, №1286750, 1987

20. Дахнов В.Н. Интерпретация результатов геофизических исследований скважин. Недра, 1982,448 с.

21. Дворкин И.Л., Буевич А.С., Филиппов А.И. Коханчиков А.И., Назаров В.Ф., Закусило Г.А. Термометрия действующих нефтяных скважин // Пособие по методике измерений и интерпретации. -Деп.ВНИИОЭНГ., 1976, №305.-43с.

22. Есьман Б.И., ГабузовГ.Г. Термогидравлические процессы при бурении скважин. М., Недра, 1991

23. Кирпиченко Б.И. Возможность определения движения жидкости в затрубном пространстве акустическим методом. Нефтяное хозяйство, №4, 1973.

24. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981.

25. Коноплев Ю.В. и др. Геофизические методы контроля разработки нефтяных месторождений. М.: Недра, 1986. - 221 с.

26. Кременецкий М.И. Исследование межпластовых перетоков жидкости и газа в скважине по данным термометрии. Автореферат кандидатской диссертации. МИНХ и ГП, 1978.

27. Ладин П.А, Шилов А.А., Хакимов Т.Г. Увеличение дебита нефтяных скважин с применением индукционных высокочастотных нагревателей//Нефтяное хозйство-2001.-№12-С.73- 74.

28. В.Н. Моисеев «Применение геофизических методов в процессе эксплуатации скважин». Москва «Недра», 1990 г.

29. Николаевский В.Н. Механика пористых и трещиноватых сред. -М., Недра, 1984.-232 с.

30. Назаров В.Ф. Шарафутдинов Р.Ф. Валиуллин Р.А. и др. Способ определения интервалов заколонного движения жидкости в скважине. А"0 л • : I .№1476119, 1989

31. Пудовкин М.А., Саламатин А.Н., Чугунов В.А. Температурные процессы в действующих скважинах. Казань : Изд-во Казан.унив-та,1977.- 168 с.

32. Патент № 2154732. Способ обработки призабойной зоны пласта / Шилов А.А., Ладин П.А. Хакимов Т.Г.// 20.08.2000 г.

33. Попов А.А. Опыт внедрения электропрогрева призабойных зон скважины на промыслах Войжского НПУ. //НТС ВНИИОЭНГа. Сер. Нефтепромысловое дело. М., 1969. - № 3. - С.23-25.

34. Развитие методов повышения производительности скважин. /Муслимов Р.Х., Абулмазитов Р.Г., Иванов А.И., Сулейманов Э.И., Хасамов Р.Б. //Геологическое строение и разработка Вавлинского нефтяного месторождения. М.: ОАО ВНИИОЭНГ, 1996. - С.384-405.

35. Руководство по применению промыслово- геофизических методов для контроля за разработкой нефтяных месторождений. -М.: Недра,1978.

36. Рубинштейн Jl. И. Температурные поля в нефтяных пластах.-М.: Недра, 1972.-276 с.

37. Сучков Б.М. Оценка влияния дроссельного эффекта на изменение температурного режима работы скважины // Нефтепромысловое дело. -1974.-№ 9.

38. Салагаев В. Б., Валиуллин Р. А., Булгаков Р. Т. Математическое моделирование температурного поля в скважине при заданной геометрии перетока жидкости за колонной. // ИФЖ. 1990. Т. 58, № 1. С. 153. Деп. в ВИНИТИ 20.11.89, per. № 6947 В 89.

39. Теслюк Е.В., Розенберг М.Д. О неизотермической фильтрации многофазного потока и об учете термодинамических эффектов при разработке нефтяных месторождений // Тр.ВНИИнефть. -1965. -вып.42.-С.281-293.

40. Требин Г.Ф., Капырин Ю.Ф. О величине дроссельного эффекта при фильтрации углеводородов на различных глубинах. // Тр.ВНИИ.-М.: Недра, 1970, вып.37, С. 56-58.

41. Требин Г.Ф., Капырин Ю.Ф., Петухов. Экспериментальное изучение изменения температуры при дросселировании нефти. // Тр.ВНИИ.- М.: Недра, 1974, вып.49, С.74-80.

42. Филиппов А.И. Скважинная термометрия переходных процессов. -Саратов, Изд.Саратов.унив., 1989.-116 с.

43. Хуснуллин М.Х. Геофизические методы контроля разработки нефтяных пластов. М.: Недра, 1989. - 190 с.

44. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965,238 с.

45. Шилов А.А., Хакимов Т.Г., Ладин П.А., Дрягин В.В., Опошнян В.И., Копылов А.Е. Тепловое воздействие на призабойную зонупласта с применением индукционного высокочастотного нагревателя// Каротажник -1999.- №64.-С.53-55.

46. Шилов А.А. Способ обработки призабойной зоны пласта индукционным высокочастотным нагревателем на каротажном кабе-ле//Интервал-2002.-№8(43).

47. Шилов А.А. Разработка технологии интенсификации добычи нефти на основе высокочастотного индукционного воздействия аппаратурой на каротажном кабеле (на примере месторождений Башкортостана). Автореферат кандидатской диссертации. Уфа, 2004

48. Эффективность методов воздействия на призабойную зону скважины /Попов А.А. Обзорная информация: ВНИИОЭНГ, Нефтепромысловое дело. - М., 1979. - 31 с.

49. Briggs P.J. et. Al. Development of heavy oil reservoirs.//JPT, Februry 1988.-P.206-214.

50. Batchelor G.K. An Introduction to Fluid Dynamics. Cambridge University Press, Cambridge, England, 1967

51. BrittE.L. Theory and applications of the borehole audio tracer survey. SPWLA 17th Annual logging symposium, June 9-12, 1976, Denver.

52. Claude E., Cooke Jr. Radial differential temperature logging a new tool for detecting and treating flow behind casing. SPE 7558. 1979

53. Curtis M.R. и Watterholt E.J. Use of the temperature log for determining flow ratio in producing wells. SPE 4637. 1973

54. McKeon D.C., Scott H.D. и другие. Improved Oxygen-Activation method for determining water flow behind casing. SPE 20586. 1991.

55. McKinley R.M. Production logging. SPE 10035. 1982

56. Millikan C.V. Temperature surveys in oil wells. AIME 142 (1941), 1523

57. Novak T.J. The estimation of water injection profiles from temperature surveys. J. Petroleum Tech. (August, 1953), 203-212

58. Paap H.J. и другие. Limitations of oxygen activation logging technology. Presented at the 1989 Intl. Underground injection Practices Council Symposium on Class I and II Injection well technology, Dallas, May 811.

59. Pennebaker E.S., Woody R.T. The temperature-sound log and borehole channel scans for problem wells. SPE 6782. 1977

60. Robinson W.S. Field results from the noise logging technique. J. Petroleum Tech. (Nov. 1976), p. 1370-1376

61. Simpson G., JacobsonL. и другие. Evaluation and monitoring reservoir behind casing with a modern pulsed neutron tool. SPE 39872. 1998.

62. Shah R.K., London A.L. Laminar flow forced convection in ducts. Academic press Ed. 1978

63. Smith R.C. и другие. Interpretation of temperature profiles in water injection wells. J. Petroleum Tech. (June, 1975), 777-784

64. Williams T.M. Measuring Behind-casing water flow. Presented at the 1987 Int. Underground injection Practices Council Symposium on Subsurface injection of Oilfield Brines, New Orleans, May, 5-7.

65. Tackling Turbulence with Supercomputers. Scientific American Article, January, 1997