СПОСОБ ТЕМПЕРАТУРНОГО МОНИТОРИНГА В ВОДОНАПОЛНЕННЫХ СКВАЖИНАХ
METHOD OF TEMPERATURE MONITORING IN WATER-FILLED WELLS

Изобретение относится к области термометрии. Область применения: высокоточный температурный мониторинг в водонаполненной скважине на заданных интервалах в течение длительного периода времени. Технический результат: упрощение технологии, повышение точности измерений температуры за счет подавления температурных колебаний, вызванных свободной тепловой конвекцией.
Температурные измерения в буровых скважинах являются одним из главных методов геотермических исследований. Они используются для оценки работы добывающих и нагнетательных скважин на месторождениях углеводородов, оценки геотермических тепловых потоков, при температурном мониторинге гидрогеологических и геодинамических процессов. Однако точность температурных измерений существенно ограничивается влиянием свободной тепловой конвекции жидкости в скважинах. Нестационарный характер конвекции ведет к температурным вариациям, что является значительным источником погрешностей при проведении высокоточных температурных измерений в скважинах. В водонаполненных буровых скважинах свободная тепловая конвекция возникает когда вследствие положительного температурного градиента более теплый и, следовательно, более легкий флюид располагается ниже холодного и тяжелого. Восходящие и нисходящие потоки стремятся выровнять плотностные и температурные неоднородности, однако температурное поле в горных породах поддерживает положительный градиент.
Возникновение и развитие СТК определяется значением безразмерного числа Рэлея. Для скважинных условий (вертикальный цилиндр):
а
а
a
a
crit
где g - ускорение свободного падения, β - коэффициент объемного температурного расширения, ν - кинематическая вязкость,  температуропроводность, r - радиус скважины, G - температурный градиент. Входящие в это соотношение параметры β, ν, , в свою очередь, зависят от температуры. Конвекция возникает, когда R превышает некоторое критическое значение R. Из (1) видно, что наиболее эффективным способом для уменьшения числа Рэлея является уменьшение характерного размера r свободного заполненного водой пространства. Этот принцип лежит в основе всех существующих методов подавления свободной тепловой конвекции в скважинах.
Известен способ подавления свободной тепловой конвекции при оценке характера насыщенности пласта [1]. Колонну насосно-компрессорных труб опускают в скважину на исследуемый интервал, благодаря этому в значительной степени уменьшается эффективный радиус и, следовательно, число Рэлея. Недостатком метода является высокая стоимость исследований и большая трудоемкость.
Известен способ подавления свободной тепловой конвекции с помощью пакеров, расположенных на небольшом удалении друг от друга, между которыми располагается датчик температуры [2]. При установке системы в интервале измерений пакеры изолируют участок скважины, предотвращая движение жидкости в районе датчика. Недостатком метода является его трудоемкость и, кроме того, невозможность применения для изучения геодинамических и гидрогеологических процессов, проявляющихся движением жидкости внутри скважины.
ГОСТ 25358-82. «Грунты. Метод полевого определения температуры» [3] для подавления свободной тепловой конвекции воздуха в неглубоких (до 5 м) скважинах диаметром более 100 мм предписывает после установки датчиков засыпать скважину сухим песком, мелким гравием или местным сухим измельченным грунтом. Очевидно, в более глубоких скважинах этот метод неприменим.
Наиболее близким к предлагаемому является способ получения «Улучшенных характеристик потоков подземных вод в гетерогенных водоносных горизонтах» [4], основанный на нагревании заполняющей скважину воды с помощью греющего кабеля и мониторинге температурного поля вдоль скважины. Зоны притока холодных вод из водоносных горизонтов в скважину проявляются отрицательными температурными аномалиями. Однако эти аномалии быстро исчезают благодаря перемешиванию воды в скважине, в том числе, вследствие тепловой конвекции. Для увеличения гидравлического сопротивления и предотвращения тепловой конвекции предлагается заполнять всю скважину полиакриламидным гелем. В результате температурные аномалии, фиксирующие водоносные горизонты, становятся более интенсивными и контрастными, что позволяет точнее оценивать гидравлические характеристики пластов.
Этот способ имеет ряд недостатков. Для проведения исследований в скважинах глубиной более первых десятков метров необходимо большое количество геля. При необходимости повторных исследований в уже заполненной гелем скважине возникают трудности с доставкой температурных датчиков в нужный интервал. Частицы геля различной формы и размеров плотно заполняют пространство скважины и препятствуют вертикальным движениям воды, например, связанным с приливными или тектоническими деформациями среды. Это сильно ограничивает круг задач температурного мониторинга.
5
8
Целью предлагаемого способа является упрощение технологии и повышение точности температурного мониторинга скважин путем более эффективного подавления свободной тепловой конвекции. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1. Поставленная цель достигается тем, что перед установкой в скважине (1) к гирлянде температурных датчиков (2) прикрепляют цилиндрический рукав из растягивающейся полимерной сетки (3), в который помещены сферические гранулы гидрогеля (4), например, созданного на основе сополимеров акриламида и акрилатов калия и натрия. В течение нескольких часов после установки гирлянды датчиков в скважине сферические гранулы набухают и увеличиваются в размерах в 30-100 раз, растягивая сетку пока не заполнят все пространство скважины в пределах исследуемого интервала. Так как размеры свободного пространства меньше радиуса сферических гранул тепловая конвекция полностью подавляется даже в случае больших чисел Рэлея (10-10). В то же время наиболее плотная упаковка сфер (гранецентрированная кубическая и гексагональная) сохраняют пористость е=0,26, а при произвольной упаковке она увеличивается до е=0,48. Это обеспечивает возможность вертикальных движений столба жидкости в скважине. При извлечении гирлянды после проведения мониторинга рукав из полимерной сетки разрывается и гранулы опускаются в отстойник скважины.
Эффективность применения способа исследовалась с помощью лабораторного эксперимента. Свободная тепловая конвекция в вертикальной водонаполненной трубе возникала вследствие температурного градиента на ее внешних стенках, поддерживаемого восходящим потоком теплого воздуха от нагревателя. Колебания температуры внутри трубы измерялись с помощью термопар и регистрировались логгером. На фиг. 2 приведены колебания температуры внутри трубы до (а) и после установки сетки с гидрогелем и подавления конвекции (б). Среднеквадратическое отклонение температурных колебаний уменьшилось с 0,133 до 0,026°С. Остаточные колебания температуры на фиг. 2б представляют собой аппаратурный шум.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1. Схема реализации способа. Расположение сфер гидрогеля непосредственно после установки гирлянды датчиков в интервале мониторинга (а) и через несколько часов - после набухания гранул (б). 1 - скважина, 2 - гирлянда датчиков, 3 - рукав из полимерной сетки, 4 - сферические гранулы гидрогеля.
Фиг. 2. Графики колебаний температуры внутри трубы, а - до установки рукава с гранулами гидрогеля, б - после установки.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект №19-05-00050-а
Источники информации
1. Ас. 796399 СССР. МКИЗ Е21В 47/10. Способ оценки характера насыщенности пласта / Дворкин И.Л., Филиппов А.И., Буевич А.С., Рамазанов А.Ш., Пацков Л.Л. (СССР). - №273871/22-03. Заявл. 11.03.79; Опубл. 15.01.81. Бюл. №2.4 с.
2. Colombani N., Giambastiani В. М. S., Mastrocicco М. Use of shallow groundwater temperature profiles to infer climate and land use change: interpretation and measurement challenges //Hydrological Processes. - 2016. - T. 30. - №.14. - C. 2512-2524..
3. ГОСТ 25358-82. Грунты. Метод полевого определения температуры. - М.: Изд-во Госкомитета СССР по делам строительства, 1982. - 14 с.
4. Klepikova М.V., Roques, С., Loew, S., & Selker, J. Improved characterization of groundwater flow in heterogeneous aquifers using granular polyacrylamide (РАМ) gel as temporary grout //Water Resources Research. - 2018. - T. 54. - №.2. - C. 1410-1419.