Распределение температуры горных пород при бурении скважины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Башкирский государственный университет

Распределение температуры горных пород при бурении скважины

Акчурин Руслан Зуфарович, аспирант

Рмазанов Айрат Шайхуллович,

доктор наук, профессор, профессор

Нагимов Венер Морисович, ведущий специалист

При бурении скважины происходят теплообменные процессы, в результате которых меняется естественная температура горных пород. Знание геотермического распределения имеет большое значение в скважинной геофизике, однако в настоящий момент не существует точных методов определения естественной температуры горных пород. В связи с этим необходим новый метод определения геотермического распределения. Для этого необходимо разработать симулятор, который моделирует распределение температуры горных пород при бурении скважины.

Одним из эффективных методов исследования Земли и решения практических задач геофизики является термометрия. Для наиболее эффективного использования термометрии необходимо знание параметров естественного геотермического поля Земли. Бурение искажает геотермическое поле и для восстановления естественного теплового поля Земли необходима длительная выстойка скважины в покое перед измерением температуры, что является неприемлемым для практики разработки нефтяных месторождений. бурение скважина геотермический порода

Сложность состоит в определении параметров геотермического поля для переходных процессов, в частности в процессе восстановления температурного равновесия в горных породах после бурения. Однако, исследования показывают, что ранние оценки естественной температуры пород часто бывают неточными и пластовая температура может быть значительно недооценена. Представленная работа направлена на разработку модели, описывающей распределение температуры в скважине и горных породах в процессе бурения и при выстойке с учетом тепловых свойств горных пород и режима бурения. Разработанная модель позволит в дальнейшем на основе решения обратной задачи определить естественную температуру горных пород.

Для моделирования примем следующие предположения: известны тепловые свойства разреза. Разбуриваемая среда однородная по r. Учитывается слоистость горных пород. Тепловые свойства, такие как теплоемкость c, теплопроводность л, плотность с бурового раствора будем считать постоянными в пределах одного слоя. Скорость бурового раствора в скважине постоянна.

Постановка задачи

Распределение температуры в скважине и пласте при бурении описывается следующими уравнениями:

Рисунок 1 Формула, где z - расстояние вдоль скважины; r - расстояние вдоль пласта; t -время; T_d - температура бурового раствора внутри буровой трубы; T_a - температура бурового раствора в затрубном пространстве; T_f - температура пласта; б - температуропроводность пласта; h_d -коэффициент теплопередачи между потоком жидкости в буровой трубе и потоком в затрубном пространстве; h_a -коэффициент теплопередачи между потоком жидкости в затрубном пространстве и породой; с_m-плотность бурового раствора; c_m-теплоемкость бурового раствора; S_d, S_a-площадь поперечного сечения буровой трубы и затрубного пространства; х_d, х_a-скорость бурового раствора в буровой трубе и затрубном пространстве

Первое и второе уравнения системы описывают распределение температуры в буровой трубе и затрубном пространстве, третье уравнение описывает процесс переноса тепла в горных породах. Теплообмен между буровым раствором и горными породами описывается законом Ньютона-Рихмана.

Задача решается численно методом конечных разностей. Для дискретизации используется метод контрольных объемов. Решаются одномерные задачи: в скважине одномерная по z и в породе одномерная по r для каждого слоя горной породы

Для скважины шаг по координате z задается, шаг по времени рассчитывается на основе условия Куранта (исходя из расходов в текущий момент времени берется минимальное значение шага по времени, рассчитанное для буровой трубы и затрубного пространства).

Примеры моделирования

Моделируется бурение слоистой среды. Количество слоев горной породы равно трем. Мощность каждого слоя 1000м. Тепловые свойства представлены в таблице 1:

Таблица 1

Тепловые свойства горных пород

Моделируется бурение до глубины 3000м в течение 60 часов с постоянной скоростью. Затем продолжается промывка скважины путем циркуляции бурового раствора при неизменной глубине в течение 20 часов, после чего идет восстановление температуры в течение 70 часов. Таким образом, длительность моделирования составляет 150 часов.

На рис. 2 приведены результаты расчетов:

Рисунок 2 Термограммы в стволе скважины: а) t=60ч, б) t=150ч. Шифр кривых: 1-геотермическое распределение, 2-температура в буровой трубе, 3-температура в затрубном пространстве. Свойства слоев заданы в таблице 1

Как видно из рис. 1 б), температуры в буровой трубе и затрубном пространстве в простаивающей после бурения скважине сравнялись и стремятся к равновесной температуре горных пород.

На рисунке 3 показано изменение температуры на глубине z=z(t) во времени:

Рисунок 3 Распределение температуры по времени на долоте. 1-период бурения, 2-промывка скважины, 3-восстановление температуры

Выводы

Разработан симулятор, позволяющий моделировать распределение температуры в бурящейся скважине. Симулятор протестирован на известных аналитических решениях для частных случаев и будет использоваться при решении обратной задачи с целью определения равновесной естественной температуры пород по нестационарным распределениям температуры в стволе скважины после бурения.

Статья написана при поддержке Российского Фонда Фундаментальных Исследований.

Список литературы

1. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.

2. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965. 238 с.

3. Zazovsky A., Haddad S. and Tertychnyi V. Thermal History Reconstruction and Estimation of Formation Temperature Using Wireline Formation Tester Measurements. SPE 92263, 2005.

4. Zazovsky A., Haddad S. and Tertychnyi V. A Method for Formation Temperature Estimation Using Wireline Formation Tester Measurements. SPE 92262, 2005.

5. Kutasov I. M. Applied Geothermics for Petroleum Engineers. ?Developments in Petroleum Science, vol.48, Elsevier, 1999. P. 360.

Размещено на Allbest.ru