Локальные тепловые поля

Чаще всего встречаются следующие разновидности локальных тепловых полей.

1. Положительные температурные аномалии против сульфидных руд и углей, обусловленные экзотермическими реакция­ми окисления на их границе со скважиной.

2. Отрицательные аномалии против растворимых солей из-за эндотермической реакции растворения.

3. Аномалии против коллекторов, поглотивших буровой раствор с иной,  чем у пласта, температурой.

4. Аномалии против проницаемых пластов, перекрытых не­перфорированной колонной, связанные с интенсивной циркуля­цией вод с иной температурой, в том числе закачиваемых для поддержания пластового давления.

5. Аномалии против коллекторов, обусловленные расширением жидкости или газа при снижении их давления, в том чис­ле: а) аномалии против пластов, не отдающих газа или жидкос­ти в данной скважине; б) аномалии, возникающие при посту­плении жидкости или газа в скважину.

Аномалии 1—3 обнаруживаются через некоторое время пос­ле остановки бурения. Со временем они растут, затем медленно затухают. Термограммы против однородных пластов по форме симметричны (после вычитания температуры регионального теп­лового поля); ширина аномалии (на половине ее высоты) не­сколько больше толщины пласта.

Близки по форме к описанным термоаномалии типа 4 и 5а. Они четче всего наблюдаются в простаивающих скважинах, в которых соответствующие пласты перекрыты неперфорирован­ной колонной. Аномалии типа 5б на нефтяных месторождениях малы и их обнаружить трудно, а на газовых месторождениях они достигают десятых долей градуса и легко наблюдаются.

Термоаномалии, обусловленные притоком нефти, газа или воды в скважину, в том числе эффектом Джоуля — Томсона при их дросселировании через пористую среду, могут иметь более сложную и разнообразную форму. Важнейшие случаи рассмот­рены в разделах, посвященных использованию термометрии для выделения работающих интервалов (гл. X) и контроля  за тех­ническим состоянием скважин (гл. VIII).

Обнаружение и изучение аномалий на термограмме, обус­ловленных локальными тепловыми полями, позволяют выделять пласты, обладающие перечисленными выше особенностями, определять их мощность, судить об интенсивности соответствующих процессов.

Искусственные тепловые поля

Нестационарные поля, изучаемые методом искусственного поля, возникают чаще всего при заполнении скважины промывочной жидкостью, температура которой отличается от температуры горных пород, или же при помещении в скважину таких источ­ников тепла, как электронагреватели, цементный раствор (вы­деляющий тепло при схватывании) и т. п.

Если пренебречь различием в температуропроводности гор­ных пород и промывочной жидкости внутри скважины, то изме­нение температуры в скважине, заполненной горячей (холод­ной) жидкостью, в первом приближении можно описать уравне­нием

,                                               (III.8)

где θ - разность температур на оси скважины (Т_с) и горных пород (Т_п); θ₀ - начальное значение θ в момент смены промы­вочной жидкости, т. е. заполнения скважины более горячей (хо­лодной), чем породы, жидкостью; r_с - радиус скважины; t - время, отсчитываемое с момента смены промывочной жидкости; а - температуропроводность породы.

Изучая изменение температуры в скважине Т_с во времени (повторные замеры температуры в скважине), можно в прин­ципе определить температуропроводность пород. При определе­нии температуропроводности по выражению (III.8) необходимо использовать результаты измерений Т_с при достаточно больших значениях t, так как при малых значениях t реальная зависи­мость θ= f ( t ) может заметно отличаться от выражения (III.8)  из-за того, что при его получении игнорировались различия температуропроводности в пласте и в скважине, а также из-за, непостоянства температуры в породе в радиальном направлении в момент смены промывочной жидкости, обусловленного несовпадением до этого Т_с и Т_п. Для учета влияния всех этих факторов пользуются более сложными схемами обработки дан­ных.

Скважинные термометры

Наиболее часто для непрерывных измерений температуры в скважинах используют электрические термометры сопротивле­ния. Их чувствительными элементами обычно являются рези­сторы, изготовленные из материала с большим температурным коэффициентом β, т. е. заметно изменяющие свое электрическое сопротивление R при изменении температуры.

В интервале температур до 200—300 °С β=const и зависи­мость R(T) практически линейна:

,

где .

В чувствительных элементах скважинных термометров обыч­но используют медную проволоку, обладающую достаточно вы­соким температурным коэффициентом (β=4,45·10^-3 К^-1).

Существуют также чувст­вительные элементы из полупроводниковых материалов (термисторы), температурный коэффициент которых почти на порядок больше. Величина β у полупроводниковых материа­лов отрицательна и заметно меняется с изменением темпе­ратуры.

Чувствительные элементы (жгутики медной проволоки, термисторы и т. п.) помещают для их механической защиты в металлические трубки, обес­печив, естественно, электриче­скую изоляцию их друг от друга. Конструкция термометров предусматривает свободное омывание этих трубок средой, заполняющей скважину. О темпера­туре в скважине судят по величине электрического сопротивле­ния чувствительного элемента, а для ее измерения используют мостики сопротивления, электронные R С-генераторы и др.

Схема электрических термометров для измерений на трехжильном кабеле представляет собой обычно мостик сопротив­ления, содержащий четыре резистора (рис. 60, а). Одно из них R₁ (или два R_l и R₃, включенные в противоположные плечи мо­стика) изготовлено из материала с высоким значением β и служит чувствительным элементом; три или два других выполне­ны из материала с малым значением β, например, из манганина (β = 10^-5К^-1) или константана (β = 3·10^-5 К^-1). Последние практически нечувствительны к изменениям температуры внеш­ней среды.

Сопротивления всех R_i - подбираются равными друг другу при некоторой заданной температуре Т₀, называемой температурой равновесия мостика. Плечо АВ мостика питают постоянным током через одну из жил кабеля и землю и определяют разность потенциалов, возникающую в плече MN. Легко показать, что эта разность потенциалов линейно зависит от температуры среды:

                                                      (III.9)

Введя понятие постоянной термометра  и решив (III.9) относительно Т, получим формулу, используемую для оп­ределения температуры среды по результатам измерений:

                                                               (III.10)

Если регистрирующий прибор РП имеет чувствительность n (в В/см), то получаем термограмму в масштабе n/С_т (К/см). Чтобы диаграмма была достаточно дифференцированной, ис­пользуют крупный масштаб (малое значение n / C_т), а сдвига термограммы в пределах диаграммной ленты добиваются, вво­дя в измерительную цепь некоторую разность потенциалов от градуированного компенсатора поляризации ГКП.

В получивших широкое распространение термометрах типа ТЭГ, рассчитанных на работу с одножильным кабелем, измери­тельная схема содержит электронный R С-генератор, период ко­лебаний которого пропорционален сопротивлению чувствитель­ного элемента из медной проволоки (R_t), входящего в его ко­лебательный контур (рис. 60, б).

Период колебаний генератора линейно зависит от R_t, а зна­чит, и от температуры окружающей среды. Вырабатываемый генератором Г переменный сигнал передается на поверхность по одножильному кабелю и выделяется на резисторе R_σ, выпол­няющем роль нагрузки генератора Г, а частота этого сигнала измеряется частотомером Ч. Образующееся на выходе периодомера постоянное напряжение, пропорциональное частоте сигна­ла и температуре среды, подается на прибор визуального на­блюдения ИП и на регистрирующий прибор РП. Выпрямитель питает скважинный прибор постоянным током.

Преимущество ТЭГ и аналогичных ему приборов с преобра­зованием измеряемой температуры в частотно-модулируемый сигнал — их помехоустойчивость: практически отсутствие влия­ния утечек, изменений параметров кабеля и других факторов.

Если термометр, находившийся в среде с температурой Т_н, перенести в среду с температурой Т, температура чувствитель­ного элемента (а следовательно, показания термометра) при­ближается к Т не мгновенно, а постепенно. Скорость этого приб­лижения зависит от конструкции термометра, тепловых свойств конструкционных материалов и окружающей среды. Это явление называют тепловой инерцией термометра. Показания датчика (или, что то же, его температура Т_д), помещенного в среду с температурой Т и имевшего до этого момента температуру Т_н, изменяется во времени по закону

Таким образом, разность температур датчика и внешней среды уменьшается во времени экспоненциально от начального значения Т—Т_н до нуля при t = ∞. Скорость снижения разности зависит от параметра τ, поэтому эта величина (имеющая раз­мерность времени) называется постоянной времени или тепло­вой инерцией термометра. За время, равное τ, начальная раз­ность температур датчика и внешней среды (погрешность в определении температуры среды) уменьшается в е раз.

Тепловая инерция термометра тем меньше, чем больше поверхность датчика и коэффициент теплоотдачи и чем меньше теплоемкость датчика.

Из-за тепловой инерции показания термометра, движущегося со скоростью v, отстают от изменения истинной температуры t по скважине на величину Гто. Тепловая инерция как бы сдвига­ет диаграмму на величину Δz = τv. Если признать допустимым cдвиг диаграммы на Δz, то скорость регистрации не должна превышать

                                                                       (III.11)

Например, при Δz = 0,3 м и τ = 3 с, v_max = 0,10 м/с = 360 м/ч.

Термические исследования в скважинах предъявляют неко­торые специфические требования к подготовке скважин сверх обычных, выполняемых при всех ГИС.

При исследованиях с целью определения естественной темпе­ратуры горных пород скважина перед измерениями должна находиться в состоянии покоя в течение времени, необходимого для восприятия скважиной температуры горных пород с достаточной точностью. Это время в зависимости от начального различия в температуре скважины и породы, диаметра скважины, а также глубины зоны нарушения естественного теплового поля вокруг скважины может меняться от 1 до 50 сут, а иногда и более.

При исследованиях с целью определения температуропро­водности горных пород методом искусственного теплового поля скважина должна быть промыта жидкостью, температура кото­рой не менее чем на 3 °С отличалась бы от температуры иссле­дуемых пород.

При изучении локальных тепловых полей обычно необходи­мо простаивание скважины в течение нескольких десятков ча­сов. Аномалии дросселирования проявляются через десятки минут. Чтобы уменьшить перемешивание среды в стволе сква­жины до измерения температуры, регистрацию диаграмм, как правило, проводят при спуске прибора.

Максимально допустимую скорость движения прибора по скважине определяют по формуле (III.11). Обычно реко­мендуют скорость 10⁴/τ (м/ч) при общих исследованиях и 120/τ (м/ч) при детальных (где τ — тепловая инерция термо­метра, с).