Физические основы метода и реализующая его аппаратура

 

Определение местонахождения тампонажного раствора за обсадной колонной с помощью термометрии основано на измерении аномального, на фоне естественного, изменения температуры в стволе скважины против участков заколонного пространства, в которых экзотермически гидратирует цемент, в результате чего дополнительно прогревается буровой раствор внутри обсадной колонны. Следовательно, применение термометрии для этой цели наиболее эффективно в период максимального тепловыделения гидратирующим цементом и нецелесообразно после прекращения процесса гидратации.

Скважина представляет собой сложную теплообменную систему, находящуюся в неограниченном массиве горных пород с естественной температурой , где Н - глубина скважины (рис.17). В процессе цементирования температура в скважине перераспределяется таким образом, что в нижней части ствола она оказывается ниже, а в верхней - выше естественной температуры окружающего массива. Температуру во внутриколонном и кольцевом (между колонной и породой) пространствах к моменту окончания процесса цементирования можно качественно представить кривыми и .

В период ОЗЦ в скважине происходят одновременно два тепловых процесса: восстановление естественной температуры в стволе и изменение температуры в результате экзотермического эффекта, сопровождающего процесс гидратации цемента. Результирующая кривая, характеризующая динамику изменения температуры в обсадной колонне во времени, имеет сложный характер, который зависит в первую очередь от физико-химических процессов в цементном растворе.

Рис.17. Схема распределения температуры в скважине к моменту окончания цементирования:

- геотермограмма; , - температура во внутриколонном и кольцевом пространстве соответственно

 

Реальные условия в скважине в период ОЗЦ характеризуются следующими особенностями:

- дифференцированностью температуры и давления по глубине и во времени;

- разновременностью затворения и закачки порций цементного раствора;

- наличием поглощений и фильтраций цементного раствора в проницаемые пласты, обусловливающие переменное значение водоцементного отношения;

- неравномерностью заполнения заколонного пространства цементным раствором вследствие наличия каверн и желобов, эксцентричного расположения колонны относительно ствола скважины и т.д.;

- наличием зон смешивания глинистого и цементного растворов;

- различием в теплофизических свойствах окружающих цементный раствор пород;

- разнотипностью используемых для цементирования тампонажных материалов.

Эти особенности не изменяют качественную характеристику изменений температуры в скважине в результате происходящих в тампонажном растворе экзотермических химических реакций, лишь заметно влияя на количественную сторону процесса - на значение таких изменений.

Следовательно, существует возможность по данным термометрии обсаженной скважины в период ОЗЦ судить как о физико-химических превращениях в цементном растворе, так и о целом ряде косвенных показателей качества цементирования скважин.

В качестве аппаратуры для измерения температуры в скважинах в основном используются электрические термометры. Их принцип действия основан на измерении изменений электрического сопротивления металлического проводника или выходного напряжения транзистора с изменением температуры. Имеется несколько типов скважинных электротермометров, применяемых в зависимости от максимальной измеряемой температуры (от 120 до 250 °С), числа жил каротажного кабеля (одна или три) и допускаемых габаритов. Относительная погрешность измерений температуры электротермометрами не превышает обычно 1 %.

Одними из наиболее широко используемых скважинных электротермометров являются электротермометры типов ЭТМИ, ТЭГ-36, ТЭГ-60, СТЛ-28, ТР-7 и др.

С помощью электротермометров, измеряющих только абсолютные значения температуры (ТЭГ, СТЛ, ЭТМИ и др.), затруднительно определять в скважине места небольших утечек жидкости из-за нарушения герметичности обсадных труб, интервалы межпластовых перетоков за колонной (вследствие незначительных изменений температуры при этом), а также высоту подъема облегченных цементов из-за слабого тепловыделения при их схватывании. Эти параметры технического состояния скважин более эффективно определяются с помощью электротермометров, измеряющих одновременно с абсолютными значениями температуры ее аномальные значения и термоградиент , где Н - глубина или интервал ствола скважины. Однако одновременно с абсолютными значениями температуры аномалии температуры и ее термоградиент измеряются только термометром типа ТР-7.

Поэтому была разработана приставка к наземной панели каротажного электротермометра типа ТЭГ, позволяющая вместе и раздельно регистрировать абсолютные значения температуры и ее аномалии и состоящая из блока питания - элементы VI - V8, RI - R2, С1; устройства для выделения сигнала аномалий температуры - ОУ (операционный усилитель) - R4 - R10, С1 - СЗ и устройства для установки " нуля" каротажного регистратора - R3, R11 (рис.18) [25].

Переменное напряжение 12, 8 В подается от блока питания каротажной станции. После выпрямления и стабилизации постоянное напряжение подается на ОУ.

Работа устройства для выделения сигнала аномалий температуры основана на принципе компенсации сравнительно медленно изменяющейся температуры по стволу скважины. Для этой цели используется интегрирующая цепочка R6, С1.

С выхода наземной панели электротермометра ТЭГ электрический сигнал, отражающий температуру в скважине, подается на вход аномалий-приставки.

Через резисторы R5 и R6 этот сигнал подается на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя. При медленном изменении сигнала, что соответствует приросту температуры с глубиной, на выходе операционного усилителя сигнал будет отсутствовать. В случае же отклонения температуры от некоторого среднего значения на данной глубине (аномальное изменение температуры) на выходе ОУ появится сигнал, пропорциональный этому изменению, так как на неинвертирующем входе сигнал ослабится цепью R6, С2.

Для компенсации постоянной составляющей в ОУ используются резисторы R3 и R11, с помощью которых устанавливается " нуль" каротажного регистратора.

С помощью переменного резистора R10 устанавливается необходимый масштаб регистрации температурной кривой.

При регистрации аномалий температуры скорость спуска скважинного термометра поддерживается постоянной, не превышающей 1500 м/ч.

 

Рис.18. Схема электрическая принципиальная аномалий - приставки к наземной панели электротермометра

 

Проведенные в лабораторных и промысловых условиях испытания электротермометра ТЭГ-36 с вышеописанной приставкой показали, что информативность зарегистрированных с ее помощью термограмм значительно возрастает.

На рис.19 показаны одновременно зарегистрированные изменения абсолютных значений температуры 1 и аномалий температуры 2, 3 в интервале ствола стендовой скв. 3 Суздальской площади. Кривая 2 аномалий температуры зарегистрирована каналом регистратора, чувствительность которого в 5 раз меньше, чем у зарегистрировавшего кривую 3.

 

Рис. 19. Термограммы, зарегистрированные электротермометром ТЭГ-36 с аномалий-приставкой:

1 - абсолютной температуры в масштабе 0, 5 °С/ см; 2, 3 - аномалий температуры в масштабах 0, 05 и 0, 01 °С/см соответственно

 

Даже незначительным изменениям абсолютных значений температуры 1 (см. масштаб регистрации абсолютных значений температуры) соответствуют достаточно четко отмечаемые на уровне фона аномалии на кривой 3.

Регистрация абсолютных значений температуры обусловливает очень частые сносы температурной кривой на каротажной бумаге с помощью компенсатора напряжения. А это приводит к погрешности в измерении температуры и искажению температурной кривой даже при низкой скорости перемещения электротермометра по стволу скважины, что в свою очередь уменьшает вероятность обнаружения дефектов крепи и увеличивает непроизводительные простои скважины.

Отсюда следует, что применение данной приставки к наземной панели электротермометра позволяет более эффективно контролировать с его помощью качество крепления скважин.

Кроме замеров температуры электротермометрами, в скважинах определяются более точные ее значения на различных глубинах с помощью максимальных термометров [52].

На Украине и в Краснодарском крае были проведены опыты для сравнения точности измерения температур в скважинах электрическим и максимальным термометрами. Измерения проводились электротермометрами типа ЭС-СБ и максимальными термометрами, гильзы которых крепились к каротажному кабелю над электротермометрами. Скорость движения приборов в скважине не превышала 110 - 150 м/ч.

Было установлено, что разница между показаниями электротермометра и максимального термометра составляет не более 0, 7°С при температурах, меньших или равных 47°С.

В то же время результаты многолетних геотермических исследований, проведенных лабораторией гидрогеологии и геохимии КФ ВНИИнефть, показывают, что при температурах больше 40 - 50°С результаты замеров максимальным и электрическим термометрами различаются на большие значения.

В четырех гидрогеологических скважинах Краснодарского края, в которых ранее проводились измерения геотермического градиента электротермометром, были произведены повторные замеры максимальным термометром. Для контроля за точностью измерений в скважину в специальном кожухе опускали два максимальных термометра (рис.20 и табл.4).

Время экспозиции в каждой точке составляло 30 - 40 мин.

Результаты замеров двумя максимальными термометрами, помещенными в одну гильзу, всегда отличались лишь на 0, 2 - 0, 5°С, поэтому можно считать, что показания максимальных термометров близки к истинным температурам.

В процессе измерения электротермометрами в скважинах с температурой выше 40 - 50°С возможно получение заниженных значений температуры, причем погрешность возрастает с ее увеличением (см. рис.20 и табл.4).

Это происходит, вероятно, потому, что электротермометры градуируются при сравнительно низких температурах. Из-за нелинейного изменения сопротивления активного плеча электротермометра при нагреве до температур, значительно превышающих температуру равновесия, он дает погрешность, возрастающую с повышением температуры. Возможно также, что тепловая инерция электротермометров превышает паспортные данные и наблюдается " запаздывание" показаний.

Чтобы уменьшить погрешности измерения высоких температур, целесообразно использовать электротермометры с большими значениями температур равновесия и градуировать их в интервале высоких температур (до 100°С и выше). При этом необходимо при пробных замерах проверять допустимую скорость движения в скважине для каждого типа электротермометра и, при возможности, учитывать рекомендацию М. Ф. Белякова о спаривании электротермометра с максимальным термометром.

Рис. 20. Термограммы скважин Краснодарского края:

а - скв. 1 Краснооктябрьская; б - скв. 946 Троицкая; в - скв. 31 Фрунзенская;

г - скв. 22 Березанская; 1 - замеры максимальным термометром; 2 - замеры электротермометром

Кроме максимальных и электротермометров, для одновременного измерения температуры и давления в скважинах применяются автономные комплексные глубинные приборы: термометры и манометры (термоманометры).

Таблица 4

 

Однако наличие в глубинных приборах полостей, давления в которых различны, обусловливает усложнение конструкции и утолщение стенок приборов. Кроме того, большие перепады давлений на сальниковых узлах приводят к значительным погрешностям измерений температуры и давления в скважинах и искажают показания прибора. С целью устранения этих недостатков разработан глубинный автономный прибор (термоманометр), позволяющий более точно измерять одновременно температуру и давление [1, 5].

Измерительное устройство прибора состоит из двух смежных, герметичных камер, имеющих по одному подвижному штоку. Камеры заполнены различными жидкостями, имеющими точки кипения 200 - 250 °С. Объемы камер V1 и V2 подобраны в соответствии с соотношением , где и - коэффициенты температурного расширения заполняющих камеры жидкостей. Поэтому при смещении штоков в результате изменения температуры, их взаимное расположение остается неизменным, а при изменении давления они расходятся. Записывающее устройство регистрирует смещение штоков, вызванное изменением температуры и давления.

Схема глубинного скважинного прибора для одновременного измерения давления и температуры представлена на рис. 21, где показаны две камеры 1, 1', в верхние части которых входят штоки 2, 2', имеющие одинаковое сечение и уплотненные сальниками 3, 3'. На штоках закреплены перья 4, 4', которые отмечают вертикальное перемещение штоков на бланке каретки 5, вращающейся от часового механизма 8.

Рис. 21. Автономный глубинный скважинный термометр - манометр

 

Часовой механизм предохранен от внешнего давления подшипником 9 через валик 6, герметизированный сальником 7. Давление в прибор передается через отверстие 10.

При изменении температуры на t° штоки 2, 2' за счет изменения объемов жидкостей смещаются на одинаковую величину

где: - объемы камер соответственно и ;

- коэффициенты объемного расширения жидкости в их полостях;

F - площадь поперечного сечения штоков.

Из (15) объем камеры 1

При увеличении давления до р (в МПа) шток 2, сжав жидкость, войдет в камеру 1 на длину

а шток - в камеру на длину

где: - коэффициенты сжимаемости жидкостей в полостях камер.

Из (17) и (18) перемещение штоков относительно друг друга

 

где:

- постоянная прибора, используемая для определения давления

Полное перемещение штока 2 за счет изменения температуры и давления

Аналогичен расчет и для штока 2.

Из выражения (20) можно найти изменение температуры среды

или:

где: - постоянные прибора, используемые для определения температуры.

Из зарегистрированной прибором на различных глубинах скважины диаграммы (рис.22) видно, что на любой глубине скважины Н одновременно регистрируются как - расстояние между кривыми, так и , отсчитываемое от нулевой линии, нанесенной перед спуском прибора.

Для расшифровки записи строится график , пo которому находят давление, соответствующее зарегистрированному на выбранной глубине скважины . Затем, пользуясь зависимостью (22), зная давление и , находят значение температуры на данной глубине. Масштаб регистрации и определяется объемом жидкостей в камерах.

При испытании опытного образца прибора были использованы глицерин и оливковое масло, имеющие температуру кипения выше 200 °С. В процессе испытаний прибора было установлено, что точность измерения температуры на порядок выше, чем измерения давления. Подбором жидкостей можно добиться одинаковой точности измерений этих параметров.

 

Рис.22. Диаграмма для определения температуры и давления, зарегистрированная автономным прибором

 

Однако при данной конструкции прибора часть бланка используется для регистрации изменения давления, а остальная часть - для записи изменения как давления, так и температуры, т.е. только определенная его часть используется для регистрации температуры. Это приводит к неполному использованию диаграммного бланка, а значит, к уменьшению диапазона регистрации измеряемых параметров и, следовательно, к недостаточному использованию возможностей прибора.

С целью увеличения диапазона измерения в измерительный узел автономного прибора введена дополнительная камера со штоком переменного диаметра, причем полость под штоком большого диаметра сообщается со скважинным пространством, а верхняя часть штока меньшего диаметра размещается в одной из смежных камер [2, 9].

Усовершенствованный прибор (рис.23) состоит из корпуса 14 с измерительным узлом в виде двух смежных измерительных камер 4 и 15, в верхние части которых входят штоки 5 и 13, уплотненные сальниками 6 и 12. На штоках закреплены перья 7 и 11 регистратора, которые отмечают вертикальные перемещения штоков на бланке каретки 8, вращающейся от часового механизма 9.

В камеру 15 входит шток 3, проходящий через дополнительную камеру 17 и имеющий различные сечения в сальниковых уплотнениях 2 и 16. Давление в прибор подается через отверстия 10 и 1. Камера 15 заполняется жидкостью, отличной от жидкости, заполняющей каверны 4 и 17 по значению коэффициента сжимаемости , причем точка кипения их превышает 200 - 250 °С. При площадях сечения штока 3 в сальнике 16, равной , а в сальнике 2, равной , объем камеры 17 должен соответствовать соотношению

где: - объемы камер 15 и 17 соответственно;

- коэффициенты сжимаемости жидкостей, заполняющих камеры 15 и 17.

Усовершенствованный прибор работает следующим образом. Давление внешней среды передается через отверстие 1 на шток 3, который, перемещаясь, уравнивает давление в камере 17 с наружным. Одновременно он перемещается в камере 15, но выбранное соотношение объемов камер 15 и 17 обеспечивает выравнивание давления и в них. Несмотря на то, что камера 15 гидравлически связана через отверстие 10 с внешней средой посредством подвижного штока 13, последний при изменении наружного давления остается неподвижным, так как только при этом условии вся система будет находиться в равновесном состоянии.

Рис. 23. Усовершенствованный прибор для одновременной регистрации температуры и давления в скважине

 

Рис. 24. Диаграмма для определения температуры и давления, зарегистрированная усовершенствованным прибором

 

Объем камеры 4 определяется условием, что при изменении температуры штоки 5 и 13, перемещаясь на одинаковое расстояние, остаются неподвижными относительно друг друга. Под воздействием изменяющегося давления шток 5 перемещается относительно штока 13 на значение , при этом диаграмма записи будет иметь вид, показанный на рис. 24. Видно, что зарегистрированное значение - функция только температуры вместо ранее регистрируемой функции давления и температуры .

Лабораторные и промысловые испытания усовершенствованного прибора показали, что при заполнении рабочих камер глицерином и оливковым маслом диапазон измерения температур увеличился по сравнению с вышеописанным прибором - прототипом, с одновременной регистрацией температуры и давления, в 1, 5 раза. При использовании жидкостей, заполняющих камеры устройства, с другими физическими параметрами возможно большее увеличение диапазона измерений.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться: