Материал: Термометрия скважин

Термометрия скважин

Введение

Промысловые геофизические исследования нефтяных и газовых скважин включают комплекс работ, проводимых для изучения геологического разреза, определения местоположения нефтяных и газовых пластов, контроля технического состояния скважин, а также прострелочно-взрывные работы.

В каждой бурящейся скважине производят тщательное исследование вскрываемого ею разреза, определение последовательности и глубины Залегания пластов, их литологических свойств, нефтегазоносности и водоносности. Эти данные необходимы для выявления нефтяных и газовых Ластов, строения месторождения, оценки степени нефтегазонасыщения и коллекторских свойств пластов, рациональной разработки, подсчет запасов и т. д.

Такое изучение разреза возможно путем отбора керна, однако это приводит к ограничению проходки и замедлению бурения. Кроме того, керн не всегда удается извлечь из нужного интервала, а при его исследовании не всегда могут быть получены исчерпывающие данные. В то же время некоторые физико-механические свойства пород (электропроводность, Электрохимическая активность радиоактивность температуропроводность, твердость, упругость и др.) можно изучать Ее посредственно в скважине при проведении соответствующих физических исследований разреза и тем самым определять характер проходимых пород без отбора керна или с незначительным отбором его. Эти физические исследования, заменяющие частично или полностью отбор керна, названы каротажем результаты их изображаются в виде диаграмм изменения физических свойств пород вдоль скважины - каротажных диаграмм.

В зависимости от изучаемых физических свойств горных пород известию следующие виды каротажа: электрический, радиоактивный, термический! (термокаротаж), магнитный, сейсмический (акустический каротаж), газовый и др.

Электрический каротаж заключается в измерении кажущегося удельного сопротивления пород (КС) и потенциала естественного (самопроизвольно возникающего) электрического поля (ПС) вдоль ствола* нообсаженной скважины.

В современном виде электрический каротаж подразделяется на ряд1 модификаций:

а)      стандартный электрический каротаж - измерение кажущихся удельных сопротивлений пород КС и естественных потенциалов ПС вдоль стволаскважины при помощи стандартного трехэлектродного каротажного зонда;

б) боковое каротажное зондирование (БКЗ) - многократное измерение кажущихся сопротивлений зондами разной длины, этим достигается возможность определения истинного удельного сопротивления пласта и выявления проникновения глинистого раствора (его фильтрата) в пласт;

в) каротаж микрозондами - измерение кажущихся сопротивлений зондами малой длины. При работе электроды микрозонда, расположенные на изолированном башмаке, прижимаются пружинами к стенке скважины и полученные измерения относятся к части пластов, непосредственно прилегающих к стенке скважины;

г) боковой каротаж - измерение сопротивлений специальными семиэлектродными или трехэлектродными зондами, дающими по сравнению с обычным электрическим каротажем более точное представление об удельном сопротивлении пород;

д) индукционный каротаж - измерение кажущихся сопротивлений при помощи индуцированных токов. Индукционный каротаж не требует прямого контакта электродов с буровым раствором или породой и применяется для исследования скважин, заполненных обычным буровым раствором, а также непроводящим раствором, приготовленным на неводной основе, либо в сухих скважинах;

Радиоактивный каротаж основан на изучении естественных и искусственно вызванных радиоактивных свойств горных пород й особенностей распространения в породах нейтронного и g-излучений. В настоящее время радиоактивный каротаж широко применяется в двух модификациях: гамма-каротаж (ГК) и нейтронный гамма-каротаж (НГК). При гамма-каротаже измеряют относительное изменение естественной радиоактивности пород, пересеченных скважиной, а при нейтронном гаммакаротаже - интенсивность у-излучения, возбуждаемого действием потока нейтронов на породу.

В отличие от электрических методов радиоактивный каротаж позволяет «исследовать, разрезы скважин, обсаженных колонной.

Наряду с основными модификациями: радиоактивного каротажа (гамма- каротажем и нейтронным гамма-каротажем) находят применение радиоактивный каротаж по рассеянному ‘у-излучению (гамма-гамма-каротаж), явейтронный гамма-каротаж, основанный на распределении тепловых и над- тепловых нейтронов, метод наведенной активности, дающий возможность определять химический состав элементов, входящих в состав пород, и другие.

Электрический и радиоактивный методы исследования скважин являются в настоящее время основными и наиболее важными видами изучения разрезов.

Термокаротаж подразделяется на три вида: термокаротаж по температуропроводности пород, основанный на изучении геологического разреза скважины по скорости распространения температуры в породе; термокаротаж по тепловому сопротивлению пород, позволяющий судить о характере пород путем изучения изменения температуры с глубиной; термокаротаж по методу эффекта охлаждения.

Cейсмокаротаж или акустический каротаж основан на измерении скоростей распространения уцругих волн в породах, пересекаемых скважиной. При этом методе регистрируют изменение продолжительности проходки пород с глубиной.

Газовый каротаж основан на определении в процессе бурения Скважин содержания углеводородных газов в глинистом растворе и шламе.

Параллельно с развитием геофизических методов исследований разрезов скважин развивались и геофизические методы контроля технического состояния их. Без этих методов в настоящее время немыслимы технология бурения и эксплуатация скважин.

К геофизическим методам контроля технического состояния скважин относятся температурные измерения для определения высоты подъема цемента за колонной после ее цементажа; определения притоков воды в скважину резистивиметром путем измерений удельного сопротивления жидкости вдоль ствола скважины; определения сообщения пластов в затрубном пространстве мест притоков воды в скважину, высоты подъема цемента применением радиоактивных изотопов; инклинометрические измерения, определяющие угол и азимут отклонения скважины от вертикали; измерения диаметра скважин каверномером.

Для определения угла и направления падения пластов, вскрываемых скважиной, разработан пластовый наклономер.

В цикл промысловых геофизических работ включают также отбор керна боковым грунтоносом и перфорацию колонны при вскрытии пластов. Связь этих работ с промыслово-геофизическими исследованиями вызвана общностью оборудования, применяемого при проведении каротажа,, перфорации и отбора грунтов.

Термометрия является одним из основных методов исследований скважин при оценке эксплуатационных характеристик пласта. Термометрия применяется: для выделения работающих (отдающих и принимающих) пластов; выявления заколонных перетоков снизу и сверху; выявления внутриколонных перетоков между пластами.

Температурные измерения в скважинах производятся для изучения распределения температур в Земле (определения естественной температуры пластов), при отыскании мест притока воды в скважину, затрубного движения жидкости и при определении высоты подъема цемента, а также при термокаротаже скважин.

Глава 1. Термометры для измерения температуры в скважинах

1.1 Ртутные термометры

Температуру в скважинах измеряют максимальными ртутными термометрами или электрическими термометрами сопротивлений.

Ртутные термометры проградуированы по 100-градусной шкале и позволяют отсчитывать температуру с точностью до 0,1° С. Ртутные термометры опускают в скважину на стальном тросе. Термометры заключены в герметические гильзы, предохраняющие их от раздавливания. Время остановки термометров для восприятия температуры скважины составляет приблизительно 30 мин. Для ускорения замера одновременно опускают два-три термометра, установленные один от другого на расстоянии 25-30 м. Ртутные термометры позволяют производить точечные измерения. В настоящее время ртутные термометры применяют только в тех случаях, когда требуется замерить точное значение температуры в скважине. Во всех других случаях температуру в скважине определяют при помощи электрических термометров сопротивлений.

.2 Электрический термометр сопротивлений для работы с трехжильным кабелем

В электрическом термометре сопротивлении использовано свойство металлического проводника менять сопротивление с изменением температуры.

На рис. 1 изображена схема измерения температуры в скважине термометром сопротивлений для работы с трехжильным кабелем. Термометр состоит из четырех сопротивлений, составляющих мостик Уитстона. Два противоположных плеча мостика R1 и R3 сделаны из медных проводников, сопротивление которых сильно меняется от температуры; изменение температуры на 1° вызывает увеличение сопротивления приблизительно на 0,45%. Плечи R2 и R4 сделаны из высокоомной проволоки, сопротивление которой мало меняется от изменения температуры; температурный коэффициент высокоомной проволоки (сплав манганина или константана) а = 0,00001- 0,00005.

Через жилу кабеля А пропускают электрический ток, который, разветвляясь в мостике, проходит по проводникам, попадает через точку В на корпус прибора и через землю возвращается обратно к источнику.

Точки М и N мостика при помощи двух жил кабеля соединены с измерительным прибором, находящимся на поверхности.

Сопротивления проводников мостика подобраны так, что при некоторой температуре t°0 разность потенциалов ∆U между М и N равна нулю, так как при этом все плечи мостика имеют одинаковое сопротивление R0, выполняются условия:

R1 = R3 = R0, R1R3 = R2R4                                                                  (1.1)

При иной температуре t° вследствие изменения сопротивления медных проводников R1 и R3 равновесие мостика нарушается, и между точками М и N появляется разность потенциалов. При температуре t° сопротивление каждого из чувствительных плеч R1 и R3 будет

Ra = R0 [1+ α(t0- t0°)]                                                                   (1.2)

Так как суммарное сопротивление R1 иR2 равно сопротивлениям R3 и R4, то ток в точке А делится на равные части; следовательно, при положении компенсации сила i/2. Отсюда потенциалы точек М и N будут

                                                                          (1.3)

                                                      (1.4)

где UА - потенциал точки А; α ~ 0,0045.

Измеряемая разность потенциалов пропорциональна силе тока i и разности температур t0- t0° и равна

                                                   (1.5)

Отсюда

Введя постоянный коэффициент Са = 2/ αRo , можно вычислить температуру по формуле

t°=t0+ Сα ∆U/I (1.6)

где tQ° - начальная температура, при которой разность потенциалов равна нулю, в °С;

Сα - постоянная прибора в град/ом;

∆U - разность потенциалов в мв;

i - сила тока в ма.

Величины t°o и Са являются постоянными прибора; их указывают в паспорте прибора после его градуировки.

Изменение разности потенциалов ∆U регистрируется на каротажной ленте. Получаемая диаграмма является температурной кривой, записанной в заранее выбранных горизонтальном и вертикальном масштабах. Термометр воспринимает температуру среды, в которую он помещен не мгновенно, а в течение некоторого времени, т. е. обладает определенной тепловой инерцией.

Рисунок 1. Схема измерения температуры в скважине термометром сопротивления при помощи трехжильного кабеля: R1, R3 - сопротивления с большим температурным коэффициентом; R2, R4- сопротивления с малым температурным коэффициентом: α- контакт на корпус; К- кабель; П- прибор для записи температурной кривой; КП-компенсатор поляризации; Б- батарея; Rp- реостат; Rб- балластное сопротивление

Мерой тепловой инерции является постоянная времени. Постоянная времени термометра равна времени, в течение которого термометр воспринимает около 2/3 разности температуры среды и начальной температуры термометра; чем меньше постоянная времени, с тем- большей скоростью можно производить измерения.

Одним из недостатков электрических термометров старых конструкций типа ЭС-СБ является их большая тепловая инерция. Это вызывало необходимость медленного передвижения термометра вдоль скважины при замерах температуры. Допустимая скорость измерения температуры в скважине- при определении этими термометрами высоты подъема цемента за колонной 600 м/час, притоков вод за трубами и термокаротаже - 250 м!час.

В последние годы на техническое оснащение промыслово-геофизических партий поступили малоинерционные электротермометры. Постоянная времени этих термометров. 0,5-1 сек. Это дает возможность измерять температуру в скважинах при определении естественной температуры (термокаротаж) и притоков вод со скоростью 1500 м/час, а для определения высоты подъема цемента за колонной 2500 м/час.

Малоинерционный термометр ЭТМИ-55, выпускаемый промыслово-геофизической конторой треста, представляет собой мостик Уитстона, помещенный в глубинный прибор. Три плеча мостика постоянные (манганиновые, по 220 ом), а четвертое (чувствительное) плечо выполнено из медного провода марки ПЭЛ диаметром 0,03 ммг помещенного в тонкостенную медную трубку малого диаметра; сопротивление чувствительного плеча равно 220 ом при t° = 20°. Термометр позволяет производить измерения в скважинах с температурой до 160° С.

1.3 Электрические термометры сопротивлений на одножильном кабеле

Наряду с электрическими термометрами, работающими на трехжильном кабеле, широко применяются в промысловой геофизике электрические термометры, работающие на одножильном кабеле, в станциях ОКС-52 и ОКС-56.

Термометр сопротивлений НИИ ГР (ЭСО). Схема измерений термометром на одножильном кабеле показана на рис. 1.2. Чувствительное плеча мостика Ra смонтировано в скважинной части прибора. Чем выше сопротивление чувствительного плеча, тем меньше влияние помех от ПС и изменения сопротивления кабеля и его брони.

При высоком сопротивлении плеча мостика в глубинном приборе сильно увеличивается влияние утечек. С учетом этих противоречивых требований сопротивление чувствительного плеча выбрано равным около 2000 ом при температуре 20° С.

Рисунок 1.2. Схема измерений термометром с одножильным кабелем: РП- канал регистрирующего прибора; Rα- чувствительный элемент термометра, 2000 ом при 200; R1, R2, R3, r1-r8 - сопротивления; П1- П4 - переключатели; ЦЖК- жила кабеля; ОК- броня кабеля, мА- миллиамперметр

Питание мостика осуществляется постоянным током напряжением в 270 в и силе тока равной 40-80 ма.

Три плеча мостика (R1, R2, R3) представлены постоянными сопротивлениями. Сопротивления r1-r4 включены в плечо с чувствительным элементом и служат для установления равновесия (приведение к сопротивлению соответствующего ему плеча R2) при помощи переключателей П1-П4.

При изменении позиций переключателей П1 - П4 на одно положение вводится сопротивление, соответствующее 0,1; 1; 5 и 20° (для чувствительного элемента с сопротивлением 2000 ом при 20° одному градусу соответствует 8 ом).