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

Изобретение относится к области термометрии. Область применения: высокоточное измерение температуры и 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 (СТК) жидкости в скважинах. Нестационарный характер СТК ведет к температурным вариациям, что является значительным источником погрешностей при проведении высокоточных температурных измерений в скважинах. В водонаполненных буровых скважинах СТК 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,  - кинематическая вязкость,  температуропроводность, r - радиус скважины, G - температурный градиент. Входящие в это соотношение параметры β, , , в свою очередь, зависят от температуры. Конвекция возникает, когда R превышает некоторое критическое значение R.
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 удаление друг от друга, между которыми располагается датчик температуры [2]. При установке системы в интервале измерений пакеры изолируют интервал 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.
Известны также способы подавления свободной тепловой конвекции путем установки в скважине горизонтальных дисков, диаметром близким к диаметру скважины. В способе [3] используются полиэтиленовые диски диаметром немного превышающим диаметр скважины, устанавливаемые на резьбовом стальном стержне с пластиковыми центраторами. Недостатком способа является невозможность его применения для изучения геодинамических и гидрогеологических процессов и, кроме того, опасность прихвата системы в скважине. В другом способе [4], реализующем этот принцип, используются металлические диски диаметром несколько меньшим диаметра скважины и имеющие прорези для свободной циркуляции жидкости. Этот метод также не устраняет опасность прихвата.
Методы, использующие горизонтальные диски, разделяющие скважину на отдельные интервалы, базируются на широко распространенном до недавнего времени представлении об организации конвективных течений в скважине в виде отдельных замкнутых конвективных ячеек. Вертикальный размер ячейки определяет расстояние между дисками (оно должно быть меньше размера ячейки). Теоретические и экспериментальные исследования свободной тепловой конвекции в скважине [5, 6, 7, 8] показали, что течения СТК образуют вращающуюся спиральную систему восходящих и нисходящих струй и не ограничены по вертикали. В этих условиях наиболее эффективным методом подавления СТК является разделение скважины вертикальными пластинами на отдельные сектора или сегменты, уменьшающее эффективное сечение скважины и число Рэлея, с одной стороны, и предотвращающее возможность вращения системы - с другой.
Целью предлагаемого технического решения является упрощение технологии и повышение точности температурных измерений путем более эффективного подавления свободной тепловой конвекции. Поставленная цель достигается тем, что в интервале измерений дополнительно к установленным на косе датчикам размещают конструкцию, изготовленную из вертикальных полос полимерной пленки (не менее трех), соединенных между собой таким образом, что они разделяют скважину по сечению на несколько секторов, либо - сегментов.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1. На ней представлено 2 варианта реализации заявленного способа. В первом варианте (фиг. 1 а) устройство для подавления свободной тепловой конвекции, состоящее из полос полимерной пленки (1), устанавливается непосредственно на косу датчиков температуры (2). Так как коса располагается у стенки скважины (3), полосы разделяют сечение скважины на сегменты. Во втором варианте (фиг. 1 б) устройство (1) опускается на нужный интервал на отдельном подвесе (4) и разделяет сечение скважины на сектора, в одном из которых располагается коса с датчиками температуры.
Эффективность применения способа иллюстрируют результаты лабораторного эксперимента (фиг. 2, 3). 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 (1) и после установки устройства подавления конвекции (2). Амплитуда колебаний во втором случае уменьшилась в 5 раз. На фиг. 3 приведены соответствующие амплитудные спектры, показывающие, что подавление конвекции особенно эффективно на средних и низких частотах.
Краткое описание чертежей.
Фиг. 1. Схема устройства и его расположение в скважине а - на гирлянде температурных датчиков, 6 - на отдельном подвесе. 1 - полоса полимерной пленки, 2 - коса датчиков температуры, 3 - скважина, 4 - подвес.
Фиг. 2. Графики колебаний температуры внутри трубы. 1 - до установки устройства подавления свободной тепловой конвекции, 2 - после установки.
Фиг. 3. Амплитудные спектры колебаний температуры внутри трубы. 1 - до установки устройства подавления свободной тепловой конвекции, 2 - после установки.
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.M.S., Mastrocicco M. 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. Vroblesky D.A., Casey С.C., Lowery M.A. Influence of in-well convection on well sampling. - 2006. - №. 2006-5247.
4. Harries J.R., Ritchie A.I.M. The use of temperature profiles to estimate the pyritic oxidation rate in a waste rock dump from an opencut mine // Water, Air, and Soil Pollution. - 1981. - T. 15. - №. 4. - C. 405-423.
5. Хорошев А.С., Шахов В.Г. Моделирование ламинарного свободно конвективного течения в длинном вертикальном цилиндре // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - Т. 13. - №. 4-1.
6. Миндубаев М.Г., Демежко Д.Ю. Свободная тепловая конвекция в буровых скважинах: численное моделирование и экспериментальные данные // Мониторинг. Наука и технологии. - 2012. - №. 4. - С. 12-18.
7. Демежко Д.Ю., Миндубаев М.Г., Хацкевич Б.Д. ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЭФФЕКТЫ СВОБОДНОЙ ТЕПЛОВОЙ КОНВЕКЦИИ В БУРОВЫХ СКВАЖИНАХ // Геология и геофизика. - 2017. - Т. 58. - №. 10. - С. 1602-1610.
8. Демежко Д.Ю., Хацкевич Б.Д, Миндубаев М.Г. Лабораторная установка для исследований свободной тепловой конвекции в водонаполненной скважине: первые результаты. // Уральский геофизический вестник. 2017, №1(29), с. 28-33.