Лекция 25

Термометрия.

Термометрия изучает тепловые поля в скважинах с целью решения задач региональной геологии и геотермии, разведки месторождений полезных ископаемых, контроля за эксплуатацией продуктивных пластов и определения технического состоя­ния скважин. Измерение температуры по стволу скважины производят в целях изучения: естественного теплового поля Земли; местных (локальных) тепловых полей, наблюдаемых в скважине в процессе бурения и эксплуатации; искусственных тепловых полей, вызванныхналичием в скважине промывочной жидкости и цементного раствора в затрубном пространстве. Результаты температурных измерений в скважине являются основой для изучения теплового поля Земли и находят широкое применение для решения ряда практических задач при бурении и эксплуатации скважин.

По происхождению тепловые поля делятся на естественные, связанные с воздействием природных факторов, и искусственные, формирующиеся при строительстве и эксплуатации скважин. По темпу изменения температуры по времени различают стационарные и нестационарные поля. Нестационарное поле называют квазистационарным, если с точностью, необходимой для решения конкретной задачи интерпретацти, его температуру можно считать постоянной по времени.

Геотермическими исследованиями скважин установлено, что на континентах температура пород до глубин 10—40 м подвержена периодическим (суточным, сезонным и годовым) колебаниям, связанным с изменением интенсивности солнечного излучения. (В водных толщах морских и океанических годовые колебания температур распространяются до глубин в 300 м и более).

Слои, в которых колебания суточных и годовых температур становятся незначительными, не поддающимися изменению, названы слоями постоянных суточных и годовых температур или нейтральным слоем. Температура, нейтрального слоя принимается равной среднегодовой температуре поверхности Земли Т. Ниже этого слоя повсеместно наблюдается закономерное возрастание температуры с глубиной, определяемое внутренним теплом Земли. Основным источником тепловой энергии в недрах Земли принято считать энергию, возникающую при распаде радиоактивных элементов; дополнительными источниками могут явиться кристаллизационные полиморфические превращения, физико-химические и другие процессы, протекающие внутри Земли. Интенсивность нарастания температуры с глубиной характеризуется геотермическим градиентом Г. За величину геотермического градиента в практической работе пренимают изменение температуры Земли в градусах Цельсия на 100 м глубины. Градиент рассчитывают по формуле:

(16.1)

Для характеристики прироста температур с глубиной часто используют величину, обратную геотермическому градиенту, геотермическую ступень G, указывающую разность глубин, которая соответствует изменению температуры на 1 °С:

(16.2)

Геотермический градиент пропорционален тепловому сопротивлению ζ породы, которое отражает литологические особенности горных пород, слагающих разрезы скважин (q — плотность теплового потока). Этим вызваны изменения значений геотермического градиента при пересечении скважиной различных пород, что отмечается изменением угла наклона термограммы по отношению к вертикали. При постоянной плотности q диаграммы геотермического градиента можно рассматривать как диаграммы теплового сопротивления или обратной величины -теплопроводности (ζ = 1/λ).

Изучение тепловых свойств горных пород возможно как в скважине обсаженной колонной, так и в необсаженной. Это объясняется тем, что тепловое сопротивление металлов мало по сравнению с тепловым сопротивлением горных пород. Например, тепловое сопротивление железа в 40—80 раз меньше теплового сопротивления глин.

На рисунке 16.1 приведены геотермограмма и график изменения геотермического градиента по одной из скважин центральной части Днепровско-Донецкой площади. Взависимости от литологии пород значения геотермического градиента варьируют от 0,2 до 7 ^оС/100 м. Геотермические измерения производят в скважинах с установившимся тепловым режимом, который наступает по истечении времени, достаточного для восприятия жидкостью, заполняющей ствол скважины, естественной температуры пластов. Установившемуся тепловому режиму предшествует неустановившийся тепловой режим, когда между жидкостью в скважине и породами происходит теплообмен.

Метод изучения местных тепловых полей.

Местные или локальные тепловые поля, наблюдаемые в скважине, обычно приурочены к газоносным и нефтеносным пластам, пластам-коллекторам, в которых происходит циркуляция воды; сульфидным рудам, ископаемым углям, галогенным осадкам. При фильтрации через пористую среду жидкости температура ее за счет трения повышается; при фильтрации газа происходит снижение

Рисунок 16.1 Геотермограмма и график изменения геотермического градиента по одной из скважин центральной части Днепровско-Донецкой площади.

температуры вследствие адиабатического расширения газа. Это явление название эффекта Джоуля Томпсона или эффекта дросселирования газа и нефти в продуктивном пласте. В

результате дроссельного эффекта в скважине наблюдается аномалия температур, максимальное значение которой

,

(16.3)

где – эффективный коэффициент Джоуля Томпсона; – перепад давлений в скважине и пласте.

Коэффициент принято называть положительным, если газ в процессе дросселирования охлаждается, и отрицательным, если происходит его нагревание. Числовое значение коэффициента зависит от состава газа, поступающего в скважину, и его температуры. Для природных горючих газов при температурах 20—200 °С и давлениях 5—30 МПа изменяется в пределах 0,05— 0,45. Значения снижаются с ростом давления, температуры и молекулярного веса газа. В процессе бурения давление столба промывочной жидкости превышает пластовое давление, вскрываемый газоносный пласт отмечается снижением температуры. В эксплуатационных скважинах газоносный пласт отмечается отрицательной аномалией независимо от соотношений давлений в скважине, и пласте. Как следует из формулы (16.3), значения связаны не с количеством поступающего из пласта газа, а с перепадом давления в продуктивном пласте. Поэтому небольшие поступления газа могут вызывать значительные температурные аномалии охлаждения, в то время как против высокодебитных и хорошо проницаемых газовых пластов с малым перепадом давления возможны малые значения .

Основным условием проведения термокаротажа по методу искусственного теплового поля является наличие в скважине неустановившегося теплового режима.

После прекращения циркуляции промывочной жидкости, заполняющей скважину, она воспринимает температуру окружающей среды (естественную температуру пласта). В связи с тем что различные горные породы обладают разной температуропроводностью, скорость восприятия глинистым раствором температуры окружающих пластов для этих пород будет неодинаковой.

Известно, что пески обладают большей температуропроводностью, чем глины. В связи с этим, в зависимости от температуры жидкости в скважине песчаный пласт отметился повышением (температура жидкости ниже естественной температуры пласта) или понижением температуры (температура жидкости выше температуры пласта). По полученным температурным кривым удается выделить пласты с большей или меньшей температуропроводностью.

Увеличение диаметра скважины в глинистых пластах, обладающих пониженной температуропроводностью, приводит к искусственному снижению температуропроводности этих пород и увеличению дифференцированности температурной кривой против них. После проведения цементирования обсадной колонны на интервале образования цементного кольца в результате экзотермической реакции схватывания цемента происходит подогрев породы и раствора. Оптимальным временем для проведения замера температур следует считать 12—30 чпосле закачки цемента. Для относительно небольших глубин, когда температура цемента превышает температуру окружающей среды, водоносные пески (более температуропроводные) отмечаются пониженными температурами, менее температуропроводные глины отмечаются на термограмме повышенными значениями температуры.

Для измерения температуры в скважинах применяют в основном: электрические термометры сопротивления, опускаемые в скважину на одножильном или трехжильном кабеле. Действие электрического термометра (термометра сопротивления) основано на свойстве металлического проводника изменять сопротивление изменением температуры среды, в которой он находится:

,

(16.4)

где – начальная температура среды (температура равновесия моста), обычно равная 21 °С; — сопротивление проводника при температуре (в Ом); – температура среды (в °С); – температурный коэффициент, характеризующий изменение сопротивления Ом) проводника, т. е. чувствительного элемента термометра (резистора) при изменении температуры на 1 °С. В качестве чувствительного элемента термометра сопротивления служит металлический или полупроводниковый резистор с боль­шим температурным коэффициентом. Такой термометр восприни­мает температуру окружающей среды достаточно быстро и дает возможность измерять температуру непрерывным перемещением термометра вдоль ствола скважины. Различают несколько типов термометров, отличающихся по способу измерения сопротивления чувствительного элемента. Для измерения температуры в нефтя­ных и газовых скважинах наиболее широкое применение получили электронные термометры, рассчитанные на работу с одножильным кабелем.

Принципиальная электрическая схема измерений электронным термометром ТЭГ-60 на одножильном кабеле (рис. 16.2), состоит из наземного пульта 1, устанавливаемого в каротажной лаборатории, и скважинного прибора 2. Скважинный прибор снабжен электронным RC-генератором G, управление частотой которого осуще­ствляется цепью RC, содержащей термо чувствительные резисторы R_T и термостатированные емкости С. Резистор R_T с боль­шим температурным коэффициентом яв­ляется плечом мостовой схемы, располо­женной в скважинном приборе и питаемой переменным током.

Изменение сопротивления чувствительного плеча Rj воздействует на RC- генератор, изменяя его частоту пропорцио­нально сопротивлению резистора R_T. В результате период автоколебаний генератора RC находится в линейной зависимости от величины со­противления R_T и, следовательно, от температуры среды, окружаю­щей скважинный термометр. Переменный ток с выхода генератора передается по кабелю на поверхность и преобразуется специальной схемой-периодометром П в напряжение, пропорциональное температуре. Полученное напряжение поступает на регистратор РК, где записывается в виде термограммы. Питание скважинного прибора постоянным током с напряже­нием 250 В осуществляется выпрямителем В через нагрузочное сопротивление R. Электронная схема скважинного прибора заключена в стальной герметизированный кожух. В нижней части скважинного прибора в медных трубках размещены термочувствительные сопротивления R_T, контактирующие с промывочной жид­костью.

При работе с электрическими термометрами масштаб темпера­турной кривой обычно выбирают равным 0,25; 0,5 или 1 °С на 1 см.Глубину замера температуры определяют так же, как и при электрическом каротаже. Перед спуском термометра в скважину он подвергается опробованию на поверхности. Для этого сверяют показания температуры окружающей среды, замеренные одновре­менно термометрами сопротивления и ртутными. Расхождения показаний не должны превышать 0,5 °С. Температурную кривую ре­гистрируют во время спуска прибора в скважину и этим исключают погрешность, связанную с перемешиванием промывочной жидкости. Термометр обладает тепловой инерцией и воспринимает температуру среды, в которую он помещен, не мгновенно, а в течение некоторого времени согласно формуле

,

(1.5)

где — измеренная температура; — постоянная времени термо­метра, равная времени, в течение которого термометр восприни­мает приблизительно 0,63 разности температуры среды и началь­ной температуры термометра до помещения его в данную среду, для разных типов электрических термометров изменяется от 0,5 до 3 с.

Точность измерения термометра зависит от скорости его пере­мещения в скважине. Чем меньше тем больше допустимая ско­рость. При обычных измерениях (регистрирующий масштаб 0,5 – 1 °С на 1 см) скорость регистрации не должна превышать 3000/ (в м/ч), а при более детальной записи в масштабе 0,125 ^oС/см скорость должна быть снижена в 1,5—2 раза.

Методика проведения исследования

Перед замером в скважине термометр следует опробовать на поверхности. Для этого собирают измерительную схему и проводят измерение, определяя одновременно температуру окружающей среды (обычно воздуха в станции) ртутным термометром. Разница в показаниях обоих термометров не должна превышать 0,5° С.

Проверку и настройку термометра ТЭГ-60 перед спуском в скважину производят в последовательности, указанной ниже.

1. После установки необходимого тока питания (200 мА) и прогрева электронной схемы термометра, манипулируя кнопкой 1Кн (см. рис. 1.3),проверяют работу схемы коммутации скважинного прибора. Позиции переключателя 2В1 определяют по прибору 1ИП: в позиции «стандарт сигнал 100° С» его показание наибольшее.

2. Регулируют периодометр так, чтобы нулевая температура термометра равнялась 20° С. Для этого скважинный переключатель переводят в позицию «стандарт-сигнал 20° С» и при наибольшей чувствительности схемы (правое положение ручки 1R29 «масштаб») потенциометром 1R25 «уст. нуля» выводят блик гальванометра каротажного регистратора на нуль шкалы.

3. Согласовывают уровень выходного сигнала термометра с напряжением градуированного компенсатора поляризации ГКП, который применяется для смещения температурной кривой. С этой целью при позиции «стандарт-сигнал 100° С» в измерительную цепь вводят напряжение от ГКП, равное 80 мВ, где — число милливольт ГКП, выбранное для переноса кривой на 1° С (обычно берут = 2,5 мВ). Затем потенциометром 1R29 «масштаб» возвращают блик гальванометра регистратора в нулевое положение.

4. Устанавливают масштаб записи (°С/см), вводя в ГКП дополнительную разность потенциалов и добиваясь путем регулирования чувствительности канала регистратора отклонения блика гальванометра на см.

После регулировки масштаба записи скважинный переключатель 2В1 переводят в позицию «измерение», с помощью ГКП выводят блик гальванометра на дорожку записи и отсчитывают по переключателям ГКП и отклонению блика окружающую температуру.

При работе с мостиковым термометром на трехжильном кабеле обычно применяют следующий порядок настройки измерительной схемы.

Сначала по прибору пульта блока питания лаборатории устанавливают ток питания термометра, близкий к значению, указанному в паспорте прибора, затем производят установку масштаба записи. Для этого с контрольного шунта R_Q в токовой цепи пульта при замыкании ее внутри пульта и сохранении установленной силы тока подают напряжение в измерительную цепь и регулированием чувствительности канала регистратора добиваются, чтобы отклонение блика гальванометра (в см)

(1.6)

где С — постоянная термометра в °С/Ом; n— масштаб записи в °С/см.

После установки масштаба согласовывают показания ГКП с постоянной по напряжению канала. Для этого по отклонению блика гальванометра регулируют ГКП так, чтобы показание = 2,5 мВ соответствовало 1° С.

Температурную кривую регистрируют при спуске прибора в скважину, чтобы избежать искажений из-за перемешивания раствора. Перед началом записи повторяют рассмотренные выше операции по настройке термометра, затем для начальной точки кривой фиксируют полное значение компенсирующей разности потенциалов — начальную компенсацию (НК) — и определяют начальную температуру:

(16.7)

где Т_о — значение нулевой температуры термометра; — показание компенсатора поляризации (НК); — число делений компенсатора поляризации, приходящееся на 1° С.

На ленте отмечают начальную точку кривой и наносят значения НК и Т_н. Температурную шкалу в верхней части кривой размечают; шкалы для последующих частей кривой устанавливают с учетом ее смещения. Вследствие погрешностей смещения кривой значение конечной температуры Т_к, отсчитанное по шкале, построенной по температуре Т_н, может не совпадать с непосредственно определяемым значением Т_к. Это расхождение не должно превышать нескольких десятых долей градуса.

Точность измерения сильно зависит от скорости перемещения термометра. Термометр воспринимает температуру окружающей среды не мгновенно, а в течение некоторого времени по закону

( 16.8)

где Т — измеренная температура; Т_с — температура среды; Т_н — температура термометра перед помещением его в данную среду; т — постоянная времени термометра, равная времени, в течение которого термометра воспринимает 0,63 разности температур Т_н и Т_с.

В обычных условиях скорость измерения не должна превышать 3000/т (в м/ч), а при записи в масштабе 0,125° С/см она должна снижаться в 1,5— 2 раза.

Градуирование термометров.

В процессе эксплуатации и после ремонта термометра необходимо его градуировать — определять его постоянную С (значение стандарт -сигналов для термометра ТЭГ-60) и нулевую температуру Т_о. Термометр градуируют в заполненном водой термостате при температурах от 20 до 100° С.

При градуировании мостикового термометра на трехжильном кабеле измеряют выходное напряжение и силу тока I питания термометра, используя для этой цели один и тот же прибор; ртутным или другим эталонным термометром определяют температуру воды в термостате. По результатам измерений строят градуировочную кривую зависимости U/I от температуры Т. Точка пересечения кривой с осью абсцисс ( U/I = 0) дает значение нулевой температуры Т_о. Для определения постоянной С выбирают два значения температуры Т₁ и Т₂ и на кривой находят соответствующие им значения ( U/I)₁ и ( U/I)₂. Постоянную термометра подсчитывают по формуле

( 16.9)

При градуировании термометра ТЭГ-60 сравнивают показания от стандарт-сигналов, соответствующих температуре 20 и 100° С, с показаниями термометра при температуре воды в термостате 20 и 100° С. Если эти показания не совпадают, подстроечными резисторами 2R5, 2R9 (см. рис. 1.3) добиваются равенства показаний. Затем производят измерения при нескольких значениях температуры воды в интервале 20—100° С и строят график зависимости показаний от температуры.

Определение постоянной времени термометра.

Для определения постоянной времени термометра берут два бака с водой с температурой T₁ и Т₂, различающейся примерно на 10° С, и, перенося термометр из одного бака в другой, записывают кривую

Рисунок 1.3 Принципиальная электрическая схема термометра ТЭГ-60

1 - наземный пульт. Переключатели: В1 - «сеть»; К_н - «коммутация». Переменные резисторы: R25 - «уст. нуля»; R29 - «масштаб»; 2 - скважинный прибор. Переключатель В1 - стандарт-сигнал 20°; стандарт-сигнал 100°.нелинейность графика больше 1%, вносят исправления в схему.

изменения температуры каротажным регистратором при большой скорости протяжки ленты. На ленту наносят марки времени (например, от звукового генератора). Время, прошедшее от момента переноса термометра из одного бака в другой до момента, соответствующего точке кривой с температурой T₁ + 0,63 (Т₂ — T₁), равно постоянной времени . При измерениях воду в баках нужно интенсивно перемешивать.

Назначение и возможности метода термометрии.

Температурные измерения в скважине производят для решения как геологических задач, так и задач, связанных с изучением технического состояния скважин. Выбор способа измерения температурной кривой и масштаба ее регистрации определяется характером и детальностью решаемых задач.

Измерение абсолютных значений температуры (в °С) в функции глубины и времени (обычная термометрия) производится для решения следующих задач: определения основных геотермических параметров (геотермического градиента, геотермической ступени и плотности теплового потока), тепловой характеристики пород (теплопроводности или теплового сопротивления, температуропроводности), изучения технического состояния скважин (высоты подъема цемента за колонной, наличия перетоков флюида в затрубном пространстве и мест его поступления в скважину, выявленияинтервалов поглощения жидкости или ее поступления из пласта в скважину в процессе бурения). Термограммы регистри­руются с точностью до 0,25—0,50 °С.

Для выявления небольших температурных аномалий, исчисляемых десятыми и сотыми долями градуса, применяются методы высокочуствительной термометрии. Последняя эффективно используется при определении зон закачки газа в подземные газохранилища, глубины закачанного под давлением цемента, местоположе­ния продуктивного пласта и газонефтяного контакта, мест потери циркуляции в бурящейся скважине, зон гидроразрыва и т. п. Дальнейшее повышение чувствительности глубинных приборов даст возможность расширить круг задач, решаемых в нефтегазопромысловой геологии по температурным измерениям. Наиболее важными вопросами являются выделение пластов по их тепловым характеристикам и определение характера нефтегазона сыщенности.

Возможности температурных изменений для выявления локальных аномалий в скважине значительно расширились с разработкой высокочувствительных термометров на полупроводниках - аномалий-термометров. Такие термометры рассчитаны для изучен тепловых полей низкой интенсивности и способны регистрировать температуру в детальном масштабе до 0,02 °С/см. В скважин с установившимся тепловым режимом участки разреза с пониженными и повышенными значениями температуры отмечаются на аномалий-термограмме соответственно пониженными или повышенными аномалиями на фоне диаграммы геотермического градиент.

Обработка и интерпретация результатов исследований

Форма регистрируемых кривых. Отбивка границ пласта.

В основе методов интерпретации термограмм лежат инфор­мативные признаки, выявленные в результате теоретического изучения особенностей теплового поля в скважинах и анализа результатов промысловых температурных измерений.

При интерпретации обязателен учет данных о конструкции, техническом состоянии, разрезе скважины и другой геолого-промысловой информации, получаемой независимо от темпера­турных измерений, в том числе материалов комплекса ГИС.