Экспериментальные исследования по изучению теплового поля при индукционном нагреве обсадной колонны и возможности решения задач.
Оценка заколонных перетоков
Экспериментальные исследования проводились на максимально приближенной к реальной скважине физической модели (рис.1), которая подробно описана в работе [2,3].
Для измерения распределения теплового поля в модели был разработан температурный зонд (рис.2). Он представляет собой полипропиленовую трубу (1). На ней закреплены по 12 железных пластинок (2) шириной 4 мм. Пластинки с обоих концов припаяны термопистолетом к трубкам (3) большего размера. Расстояние между пластинками рассчитано так, чтобы угол между ориентированными датчиками был 30о. Пластинки прижимаются к стенке скважины при помощи установленной пружинки (4) в нижней части крепления. На трубе (1) сделаны специальные отверстия (4) сквозь которые будут продеты датчики температуры. Они плотно припаяны к внутренней стенке пластины.
В качестве датчиков температуры используются миниатюрные термопары (КХТА 01.02) как наиболее стабильные и не требующие подгонки датчики. Регистрация изменения температуры базируется на измерительном модуле от компании National Instruments – NI9214, позволяющем одновременно подключать до 16 термопар. Основное шасси содержит 4 таких модуля. Таким образом, система регистрации позволяет одновременно считывать данные с 64 термопар.
Были проведены экспериментальные исследования с помощью изготовленного температурного зонда. Эксперимент протекал при следующих условиях:
- Переток «сверху» (сектор «А», «В»), дебит перетока Q=6,2 м3/сут;
- Жидкость в колонне неподвижна;
- Мощность индуктора 800 Вт;
- Уровень датчиков расположен выше кровли индуктора на 20 см;
- Длительность эксперимента составляет 40 минут: 20 минут нагрева, 20 минут после отключения нагревателя.
Перед проведением эксперимента температура в колонне и в заколонном пространстве стабилизировалась. На рисунке 3 представлено распределение температуры во время работы нагревателя, временные промежутки 10 и 20 минут. Из рисунка видно, что образуется отрицательная тепловая аномалия (участки снижения температуры) в секторах с наличием перетока, при этом кривые полностью повторяют друг друга, отличие заключается в смещении связанной с постепенным прогревом стальной колонны и влиянием тепловой конвекции. На рисунке 4 представлено распределение температуры после отключения нагревателя, временные промежутки 10 и 20 минут. После отключения индуктора наблюдается медленное расформирование тепловой аномалии, при этом даже через 20 минут после отключения нагревателя выделяются участки, связанные с перетоком.
Приведенные данные показывают возможность определения канала ЗКЦ выше продуктивного пласта, при расположении прижатых датчиков температуры выше индуктора, при этом переток будет выделятся отрицательной тепловой аномалией.
На рис.5 приведена схема (рис.5 а) и результаты лабораторных экспериментов (рис. 5 б) по регистрации тепловых меток при наличии заколонного перетока «сверху» на модели скважины. При заколонном перетоке «сверху» жидкость из верхнего пласта по заколонному пространству поступает в интервал перфорации, а индуктор расположенный выше датчика температуры создает тепловую метку в нисходящем потоке жидкости в заколонном пространстве. Из рис.5 б видно, что через определенное время наблюдается выход тепловой метки из заколонного пространства в ствол скважины, что отмечается в повышении температуры на термометре расположенном ниже индуктора. При увеличении дебита как видно из рис.5 б разогрев уменьшается, а тепловая метка регистрируется раньше.
В результате проведенных исследований установлены:
- При расположении температурного зонда выше индуктора, сектор с перетоком отмечается отрицательной температурной аномалией, при этом после отключения индуктора наблюдается медленное расформирование температурной аномалии, поэтому определить наличие перетока возможно и после отключения индуктора.
- При расположении температурного зонда ниже индуктора, сектор с перетоком отмечается положительной куполообразной температурной аномалией, которая быстро расформируется, в связи с чем регистрацию температуры лучше производить во время работы индуктора.
- Азимутально- распределенный температурный зонд позволяет с большой достоверностью и эффективностью выделять ЗКЦ выше продуктивного пласта. Зонд позволяет не только определить наличие ЗКЦ, но и определить его каналы.
Результаты промысловых исследований
Оценка заколонных перетоков
Оценка заколонных перетоков основывается на изучении движения тепловых меток и распределении температуры в скважине в интервалах заколонных перетоков [1,2,3].
Ниже приведены примеры исследования скважины аппаратурой активной термометрии при определении заколонных перетоков. Исследования проведены на скважинах месторождений Западной Сибири и Урало-Поволжья при компрессорном опробовании и при свабировании. Единичные исследования проведены в нагнетательных скважинах при изливе.
На рис.6 приведен пример исследований методом активной термометрии по выявлению заколонного перетока «сверху» в скважине №1. Кривая 1 рис.6 соответствует фоновому распределению температуры после остановки скважины до индукционного воздействия. По данным традиционной термометрии судить о наличии заколонного перетока «сверху» не представляется возможным. Более информативными здесь являются данные полученные методом активной термометрии. Замеры температуры проведены в процессе кратковременного индукционного нагрева на глубине 2343 м во времени, и серии замеров по стволу скважины в интервале детальных исследований после прогрева (кривые 2 и 3) при притоке жидкости из пласта. После нагрева колонны наблюдается движение тепловой метки вверх по стволу скважины (рис.6, кривые 2 и 3).
Кратковременный (10 минут) локальный индукционный нагрев на глубине 2343 м проводили двукратно с интервалом отключения индуктора 15 минут. В течение этого времени проведены измерения температуры в точке на кровле пласта (глубина 2344 м). На рис.7 представлено изменение температуры во времени на датчике расположенном ниже индуктора. Жидкость нагретая в заколонном пространстве поступает в кровельную часть пласта, далее через интервал перфорации в ствол скважины. На температурной кривой отмечаются участки повышения и снижения температуры связанные с выходом тепловой метки из заколонного пространства в ствол скважины при двухкратном локальном индукционном нагреве колонны, что свидетельствует о наличии заколонного перетока «сверху».
Ниже приведены результаты исследования по выявлению заколонного перетока «снизу» в нижнем перфорированном пласте. Нижний интервал перфорации расположен на глубине 2120-2126 м. По данным электрометрии проницаемый пласт расположен до глубины 2130 м. На рис.8 приведено распределение температуры по глубине до и после индукционного нагрева на глубине 2130 м (рис.8 а) и детальное распределение температурной аномалии (рис.8 б) в исследуемом интервале в работающей скважине. Видно, что на границе перехода от непроницаемой горной породы в проницаемый пласт (глубина 2130 м) отмечается снос тепловой метки (нарушение симметрии аномалии температуры относительно середины нагрева колонны). Такой характер изменения температуры может быть связан с заколонным перетоком жидкости с глубины 2130 м.
Оценка дебита и приемистости скважины
На данный момент существует множество методов определения интервалов притока и поглощения в скважине. К ним относятся радиоактивные методы (закачка активированной жидкости), механическая расходометрия, термоанемометрия (СТИ), термометрия.
Возможности метода активной термометрии не ограничиваются только определением заколонных перетоков, а могут быть использованы и при оценке малых дебитов по движению тепловой метки по стволу скважины [1,2,3,4,5,6,7]. Для этого на определенной глубине проводится кратковременное индукционное воздействие: создается тепловая метка. Далее проводится серия замеров распределения температуры по стволу скважины. Скорость перемещения тепловой метки оценивается по прохождению максимума температуры тепловой метки за определнный промежуток времени. Для случая рис.6 оценка дебита дает значение 5 м3/сут. Следующий пример определения расхода жидкости по перемещению тепловой метки в процессе компрессорного опробования показан на рис.9, где кривые 1,2 и 3 зарегистрированы в различные моменты времени движения тепловой метки по стволу скважины в процессе восстановления давления после отключения компрессора. В момент времени 10 ч 25 мин тепловая метка находилась на глубине 2313.8 м, в 10 ч 39 мин максимум тепловой метки достиг глубины 2309 м, а в 11 ч 5 мин глубины 2301.5 м. Оцененный дебит по кривым 1 и 2 составил 6.4 м3/сут, а по кривым 2 и 3 значение 5.4 м3/сут. Наблюдается уменьшение дебита притока в процессе восстановления давления.
Оценка приемистости в нагнетательной скважине поясняет пример приведенный на рис.10. В остановленной скважине на глубине 921 м был проведен индукционный прогрев колонны и создана тепловая метка. Далее осуществлен спуск прибора и термометр установлен на 27,4 м ниже точки прогрева колонны. После этого начали закачку жидкости и наблюдали за изменением температуры. Из рис.10 видно, что с момента закачки жидкости наблюдается снижение температуры, а далее повышение температуры связанное с прохождением тепловой метки. Время прохождения расстояния 27.4 м тепловой меткой составляет 115 секунд, что соответствует средней приемистости 275 м3/сут.
Оценка профиля притока
На рисунке 11 приведены результаты промысловых исследований скважины №1 с использованием прибора активной термометрии основанного на индукционном нагреве обсадной колонны. Кривая 1 распределение температуры за индуктором при его движении по потоку. Видно, что работающий интервал отмечается снижением температуры разогретой обсадной колонны и флюида заполняющего ствол скважины, т.е. в данном случае нагретая обсадная колонна работает как «большой термоанемометр». Работающий интервал отмечается также и по данным термодебитомера (кривая 2, рис.11)
Таким образом, проведенные исследования показали эффективность использования индукционного нагревателя при решении задач по выявлению заколонных перетоков, канала заколонного движения жидкости, оценки работающих интервалов, негерметичности колонны.
Кроме того, индукционный нагрев обсадной колонны позволяет проводить очистку призабойной зоны пласта от АСПО, и следовательно, интенсификацию нефтеизвлечения в добывающих скважинах и увеличение приемистости в нагнетательных скважинах [8].
Заключение
Использование индукционного нагрева обсадной колонны, позволяет решать задачи по выявлению заколонных перетоков, оценку профиля отдачи или приемистости, оценку дебита в низкодебитных скважинах.
Проведенные исследования показали, что наличие заколонного движения жидкости приводит к нарушению симметрии в распределении температуры по пути движения жидкости. Поэтому измерение температуры стенки обсадной колонны датчиком экранированным от жидкости заполняющей ствол скважины, позволяет оценить по нарушению симметрии температурного сигнала наличие или отсутствие заколонного перетока.
При расположении температурного зонда выше кровли индуктора, сектора с перетоком отмечаются отрицательной температурной аномалией, при этом после отключения индуктора наблюдается медленное расформирование температурной аномалии, поэтому определить наличие перетока возможно и после отключения индуктора.
При расположении температурного зонда ниже подошвы индуктора сектор с перетоком отмечается положительной куполообразной температурной аномалией, которая быстро расформируется, в связи с чем регистрацию лучше производить во время работы индуктора.
Азимутально- распределенный температурный зонд позволяет с большой достоверностью и эффективностью выделять ЗКЦ выше продуктивного пласта. Зонд позволяет не только определить наличие ЗКЦ, но и определить его каналы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ по теме: "Создание интеллектуальной комплексной технологии исследования и интерпретации данных промыслово-геофизических исследований скважин,включая оптоволоконные измерения для контроля за разработкой нефтегазовых месторождений и экологического мониторинга состояния недр,на основе использования математического моделирования, машинного обучения, алгоритмов обработки и роботизированной аппаратуры индукционного воздействия", соглашение № 075-11-2021-061 от 25 июня 2021 г.
