СПОСОБ ТЕПЛОВОГО КАРОТАЖА СКВАЖИН Российский патент 2008 года по МПК E21B47/06 

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин и может найти применение для определения тепловых свойств пластов горных пород, окружающих как бурящиеся, так и обсаженные колонной скважины, а также для определения технического состояния эксплуатирующихся скважин и режимов работы их оборудования.

Известен способ исследования горных пород, пересеченных скважиной, устройствами [1, 2, 3] тепловым методом, регистрирующим разность температур по стволу скважины на заданной измерительной базе в естественном стационарном тепловом поле Земли (градиент-термометрия).

Известны способы [4, 5] высокоточного измерения абсолютной температуры по стволу скважины в естественном стационарном тепловом поле Земли устройством [6] и ему подобными.

Известны способы для исследования горных пород тепловыми методами в стационарном искусственном тепловом поле, увеличивающем амплитуды термических полезных аномалий, устройствами [7, 8].

Известны способы [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15] для исследования состояния эксплуатационных скважин тепловыми методами в нестационарном искусственном тепловом поле путем наблюдений за изменением термических полезных аномалий во времени.

Все выше перечисленные методы исследования теплового поля скважины обладают общим недостатком - исследуется тепловое поле одного источника тепла, при наличии других источников тепла, последние рассматриваются как помеха измерениям, и подавляются тем или иным способом.

Наиболее близким способом является исследование горных пород тепловым методом в искусственном тепловом поле с помощью измерения второй разности поля температуры (информационный параметр) вдоль ствола скважины устройством [16] и дальнейшей нормировкой результата известной температурой горных пород, измеряемой абсолютным термометром в стационарном тепловом поле Земли:

где A(z) - эффективная температуропроводность горных пород,

T_n(z) - температура горных пород,

К - коэффициент пропорциональности,

Δ2T(z) - вторая разность температуры по глубине, зависит также от физических свойств промывочной жидкости, угла, образованного осью скважины и результирующим вектором плотности теплового потока и квадрата радиуса скважины:

где а_р - коэффициент температуропроводности бурового раствора;

с_р - удельная теплоемкость бурового раствора;

δ_Р - удельная плотность бурового раствора;

β - угол, образованный осью скважины и результирующим вектором плотности теплового потока;

R - радиус скважины.

На чертежах, иллюстрирующих недостатки прототипа и осуществление способа, показаны: истинная температуропроводность горных пород, окружающих скважину (фиг.1а); изменение с глубиной диаметра скважины (фиг.1б); термограмма скважины, полученная абсолютным термометром в стационарном естественном тепловом поле Земли (фиг.1в); вторая разность поля температуры, полученная устройством [16] в нестационарном тепловом поле скважины, возникшем при заполнении скважины промывочной жидкостью, температура которой меньше температуры горных пород, окружающих скважину (фиг.1 г); температуропроводность горных пород, полученная в результате измерений второй разности поля температуры в нестационарном тепловом поле и компенсации влияния на измерения теплового поля Земли по формуле (1) с помощью данных, полученных абсолютным термометром в стационарном естественном тепловом поле данной скважины (фиг.2а); первая разность поля температуры, полученная одновременно со второй разностью, в нестационарном тепловом поле скважины, возникшем при заполнении скважины промывочной жидкостью, температура которой меньше температуры горных пород, окружающих скважину (фиг.2б); температуропроводность горных пород, полученная в результате измерений первой и второй разности поля температуры в нестационарном тепловом поле и осуществления предлагаемого способа теплового каротажа скважины (фиг.2в).

При измерениях второй разности поля температуры скважины в нестационарном тепловом поле (фиг.1г) и компенсации влияния на измерения теплового поля Земли по формуле (1) с помощью данных, полученных абсолютным термометром в стационарном естественном тепловом поле данной скважины (фиг.1в), можно получить результат, пропорциональный температуропроводности горных пород, окружающих скважину (фиг.2а). Но, как показано на этих же чертежах (интервал глубин 1400-1450 м), изменение диаметра скважины (фиг.1б) вносит ошибку в результат. Ошибку в результат будут вносить и другие параметры скважины, влияющие на вторую разность поля температуры (см. формулу 2).

В предложенном способе решается задача исключения искажающих измерения влияний изменений параметров скважины и бурового раствора и повышения информативности метода.

Способ осуществляется одновременной и на одной измерительной базе регистрацией величин составляющих поля температуры по продольной и поперечной оси скважины (величин первой и второй конечных разностей температуры, пропорциональных первой и второй производным температуры) с последующим нахождением, как информационного параметра, отношения продольной оси скважины нормированной составляющей поля температуры к поперечной оси скважины составляющей поля температуры. При осуществлении данного способа получается результат, пропорциональный температуропроводности горных пород, окружающих скважину, независимый от изменяющихся параметров самой скважины (фиг.2в).

Известно, что изменение запасов теплоты в объеме dV в единицу времени:

где - убыль теплоты через поверхность объемом dV за счет теплопроводности (вертикальная и радиальная передача тепла в промывочной жидкости);

- отдача теплоты от источников, находящихся в объеме dV, за единицу времени и определяемая конвекцией (радиальная передача тепла из горных пород в промывочную жидкость);

и связь между изменением количества тепла и температуры:

Из выражений (3) и (4) получена математическая модель теплового поля промывочной жидкости, залитой в скважину и находящейся под воздействием теплового поля горной породы:

где Т - температура промывочной жидкости;

z - глубина;

r - кратчайшее расстояние от оси скважины до точки;

t - время;

h - коэффициент конвективной теплопередачи между горными породами и промывочной жидкостью;

Т_n - температура горных пород.

Уравнение (5) для температуры T(z, r, t) промывочной жидкости на глубине z, в точке, отстоящей от оси скважины на расстоянии r, через время t, прошедшее после заливки, устанавливает зависимость от:

- тепловых свойств промывочной жидкости,

- тепловых свойств горной породы,

- размера скважины,

- абсолютной температуры горной породы.

Найдено решение уравнения теплового поля в скважине:

где

Т - температура промывочной жидкости;

z - глубина;

t - время;

Т_n - температура горных пород;

Т_p - начальная температура промывочной жидкости;

μ - функция, зависящая от физических свойств промывочной жидкости; угла, образованного осью скважины и результирующим вектором плотности теплового потока и квадрата радиуса скважины;

А - эффективная температуропроводность горных пород.

При замене первой производной поля температуры на ее нормированное значение:

и учете того, что значение , в первом приближении, соответствует обратному значению эффективной температуропровдности горной породы, то выражение (8) примет следующий вид:

Если теперь рассмотреть отношение нормированного значения первой производной ко второй производной при заданной глубине и в определенный момент времени, то получится следующее выражение:

где С - коэффициент, зависящий от времени проведения измерений;

а при переходе к конечным разностям:

Существенным отличием способа является исследование суммарного теплового поля скважины от всех присутствующих источников тепла, при этом результатом измерений являются два информационных параметра, что позволяет исключить влияние параметров скважины и промывочной жидкости и увеличить информативность метода.

Такое измерение более предпочтительно как в нестационарных тепловых полях, при наличии в скважине, кроме теплового поля Земли, искусственного теплового поля, так и в стационарных тепловых полях, при наличии в скважине пластов, не ортогональных оси скважины, или искусственных тепловых полей, так как наблюдение ведется одновременно за изменениями всех составляющих суммарного поля температуры скважины и результат измерений отражает изменения поля температуры скважины, обусловленные влияниями всех источников тепла, что увеличивает информативность метода.

Такой подход к исследованию тепловых полей обеспечивает решение новых геологических и технических задач с помощью термометрических исследований скважин.

Источники информации

1. А.с. СССР 1479633, МКИ⁴ Е21В 47/06. Устройство для измерения градиента температуры в буровых скважинах [Текст] / В.А.Тарасов, А.Л.Грейнер (СССР); заявитель НПО «Рудгеофизика». - №4228200/23-03; заявл. 13.04.87; опубл. 15.05.89, Бюл. №18.

2. А.с. СССР 1255711, МКИ⁴ Е21В 47/06. Устройство для измерения градиента температуры по стволу скважины [Текст] / Э.С.Бахроми, М.В.Посикера, В.Г.Корионов, С.Я.Харламов (СССР); заявитель Произв. геол. объед-е «Узбекгеофизика». - №3506044/22-03; заявл. 28.10.82; опубл. 07.09.86, Бюл. №33.

3. Пат. РФ 2225508, МПК⁷ Е21В 47/06. Индикатор градиента теплового поля [Текст] / М.Ш.Залятов, А.Ф.Закиров, Ф.Ф.Халиуллин, Р.М.Миннуллин, А.Э.Ибрагимов, Э.У.Ибрагимов, О.М.Бондаренко, Р.С.Мухамадиев, Р.Р.Вильданов (РФ); заявитель и патентообладатель ОАО «Татнефть». - №2001106294/03; заявл. 05.03.2001; опубл. 10.03.2004, Бюл. №7.

4. А.с. СССР 1303706, МКИ⁴ Е21В 47/06. Способ определения температуры в скважинах [Текст] / С.С.Александров (СССР); заявитель ВНИИ нефтепромысловой геофизики. - №3863475/22-03; заявл. 10.12.84; опубл. 15.04.87, Бюл. №14.

5. А.с. СССР 1305327, МКИ⁴ Е21В 47/06. Способ измерения температуры в скважине [Текст] / Л.Н.Котельников, Т.Г.Габдуллин, Г.А.Белышев (СССР); заявитель ВНИИ нефтепромысловой геофизики. - №4001750/22-03; заявл. 10.11.85; опубл. 23.04.87, Бюл. №15.

6. А.с. СССР 1469111, МКИ⁴ Е21В 47/06. Скважинный термометр сопротивления [Текст] / Э.Т.Хамадеев, Ш.Ф.Сайтов, А.А.Царегородцев, А.Г.Гайнаншин, Р.С.Сафуанов (СССР); заявитель ВНИИ нефтепромысловой геофизики. - №4256714/23-03; заявл. 04.06.87; опубл. 30.03.89, Бюл. №12.

7. Пат. РФ 2096772, МПК⁶ G01N 25/18, G01V 9/00. Устройство для термического каротажа скважин [Текст] / В.А.Старостин (UA), З.Д.Хоминец (UA), И.Н.Косаняк (РФ); заявитель и патентообладатель З.Д.Хоминец. - №96120232/25; заявл. 08.10.96; опубл. 20.11.97, Бюл. №32.

8. Пат. РФ 2190209, МПК⁷ G01N 25/18, Е21В 47/06. Устройство для измерения теплопроводности и объемной теплоемкости пластов в скважине [Текст] / П.Н.Гуров (РФ); заявитель и патентообладатель П.Н.Гуров. - №2001118977/28; заявл. 10.07.2001; опубл. 27.09.2002, Бюл. №27.

9. А.с. СССР 1472654, МКИ⁴ Е21В 47/06. Способ термометрии переходных процессов в скважинах [Текст] / А.И.Филиппов, Т.Г.Щелчкова, Ю.И.Зайцев, А.Ф.Скворцов, И.Э.Гатауллина (СССР); заявитель Башкир. гос. унив-т. - №4240519/22-03; заявл. 04.05.87; опубл. 15.04.89, Бюл. №14.

10. А.с. СССР 1788225, МКИ⁵ Е21В 47/06. Способ выделения нефтеносных и обводненных пластов в действующей скважине [Текст] / Р.А.Валиуллин, Р.Ф.Шарафутдинов, А.Ш.Рамазанов, В.Я.Федотов, Р.К.Яруллин, В.А.Сорокина (СССР); заявитель Башкир. гос. унив-т. - №4882579/03; заявл. 13.11.90; опубл. 15.01.93, Бюл. №2.

11. Пат. РФ 1819323, МПК⁵ Е21В 47/06. Способ термического зондирования проницаемых пластов [Текст] / А.И.Филиппов, Т.Г.Щелчкова, Б.Н.Зубарев, А.Н.Завялец (РФ); заявитель Башкир. гос. унив-т; патентообладатели Башкир. гос. унив-т и произв. объед-е «Юганскнефтегеофизика». - №4858505/03; заявл. 08.08.90; опубл. 30.05.93, Бюл. №20.

12. Пат. РФ 2194160, МПК⁷ Е21В 47/06. Способ активной термометрии действующих скважин (варианты) [Текст] / Р.А.Валиуллин, Р.Ф.Шарафутдинов, А.Ш.Рамазанов, В.В.Дрягин, Я.Р.Адиев, А.А.Шилов (РФ); заявители и патентообладатели Башкир. гос. унив-т и ООО НПФ «ГеоТЭК». - №2001102007/03; заявл. 22.01.2001; опубл. 10.12.2002, Бюл. №34.

13. Пат. РФ 2121571, МПК⁶ Е21В 47/00, Е21В 47/10, Е21В 47/06. Способ исследования нагнетательных скважин (варианты) [Текст] / В.Ф.Назаров, Р.А.Валиуллин, Ф.Ф.Азизов, Г.Ф.Кузнецов, Р.И.Кузнецова, Р.К.Таухутдинов (РФ); заявители и патентообладатели Башкир. гос. унив-т и ООО НПФ «ГеоТЭК». - №97106571/03; заявл. 21.04.97; опубл. 10.11.98, Бюл. №31.

14. Пат. РФ 2121572, МПК⁶ Е21В 47/00, Е21В 47/10, Е21В 47/06. Способ исследования нагнетательных скважин [Текст] / В.Ф.Назаров, Р.А.Валиуллин, Я.Р.Адиев, Ф.Ф.Азизов (РФ); заявители и патентообладатели Башкир. гос. унив-т и ООО НПФ «ГеоТЭК». - №97113882/03; заявл. 13.08.97; опубл. 10.11.98, Бюл. №31.

15. Пат. РФ2130543, МПК⁶ Е21В 47/06. Способ термических исследований скважин [Текст] / В.В.Баженов, Р.И.Юсупов, А.Т.Панарин, Р.М.Миннуллин, М.Ш.Залятов, А.Ф.Магалимов, Р.А.Валлиулин, Р.Ф.Шарафутдинов (РФ); заявитель и патентообладатель Нефтегазодобывающее упр-е «Альметьевнефть» АО «Татнефть. - №97115145/03; заявл. 20.08.97; опубл. 20.05.99, Бюл. №14.

16. А.с. СССР 1199919, МКИ⁴ Е21В 47/06. Устройство для термических исследований скважин [Текст] / Н.И.Рыхлинский, А.С.Кашик, М.М.Мандельбаум, М.З.Хузин (СССР). - №3579933/22-03; заявл. 08.04.83; опубл. 23.12.85, Бюл. №47.

Изобретение относится к геофизическим исследованиям скважин. Техническим результатом является повышение эффективности тепловых методов за счет одновременного исследования суммарного теплового поля скважины от всех источников тепла, присутствующих в скважине. Одновременно и на одной измерительной базе регистрируют величины составляющих поля температуры по продольной и поперечной оси скважины. Вычисляют отношения составляющих поля температуры по продольной и поперечной оси скважины. При этом одновременно регистрируют две ортогональные составляющие поля температуры скважины и по результатам измерений судят об изменениях поля температуры скважины, обусловленных влияниями всех источников тепла. 2 ил.

Способ теплового каротажа скважин, включающий одновременную и на одной измерительной базе регистрацию величин, составляющих поля температуры по продольной и поперечной оси скважины, и вычисление отношения составляющих поля температуры по продольной и поперечной оси скважины, отличающийся тем, что одновременно регистрируют две ортогональные составляющие поля температуры скважины и по результатам измерений судят об изменениях поля температуры скважины, обусловленных влияниями всех источников тепла.