5.4 Апаратура і методика для термічних досліджень у свердловині

Апаратура для термічних досліджень. Найбільш поширені прилади для термометрії свердловин це електричні термометри по опору, чутливими елементами яких служать або резистори з великим коефіцієнтом температурного опору, або чутливі напівпровідникові з’єднання, які змінюють свій електричний опір при зміні температури.

Якщо термометр з середовища з температурою Т₀ перемістити в середовище з температурою Т, то температура чутливого елементу Т_д, а значить, і покази термометра наближаються до величини Т не миттєво, а поступово за законом:

(5.27)

де t – час від моменту переміщення термометра;  – стала часу або теплова інерція термометра.

Фізичний зміст величини  це час, протягом якого різниця температур зовнішнього середовища Т і датчика (тобто похибка вимірювання температури середовища) зменшується в е разів. Величина  тим менша, чим менша теплоємність датчика і чим більші його поверхня і коефіцієнт тепловіддачі.

При достатньо великих значеннях часу від моменту переміщення термометра t >(5-7) температуру чутливого елементу Т_д можна визначити за формулою:

(5.28)

де V – швидкість переміщення термометра; Г – геотермічний градієнт.

При загальних дослідженнях свердловин швидкість спуску термометра повинна дорівнювати 10⁴/ м/год, а при детальних – 1200/ м/год (при []=[с]).

Інший тип вимірювальної апаратури – диференційні термометри (градієнт- і аномалій-термометри). При запису термограми з невеликою кількістю переносів доводиться загрублювати масштаб запису, що дозволяє визначати тільки зміни температур, що перевищують декілька десятих долей градуса.

В градієнт-термометрах використовують два однакових чутливих елементи з малою , рознесені на 1-2 м. Вимірюють різницю їх показів з компенсацією середнього градієнту Г.

В аномалій-термометрах окрім компенсації градієнта використовують чутливі елементи, інерція яких () відрізняється на декілька порядків.

Електричний термометр опору є основним приладом для виміру температур у свердловинах. Його дія заснована на зміні опору металевого провідника зі зміною температури:

, (5.29)

де R_t0 і R_t – опір провідника при деякій початковій температурі t₀ і вимірюваній температурі t; a – температурний коефіцієнт опору, який характеризує зміну опору провідника при нагріванні його на 1 К.

За величиною R_t можна визначити температуру середовища в свердловині.

Переважно в свердловинних електричних термометрах опорів використовують мостову схему виміру для трьохжильного й одножильного кабелів. У схемі для трьохжильного кабелю всі чотири плеча мостової схеми розташовані в свердловинному приладі, а в схемі для одножильного кабелю одне чутливе плече моста змонтоване в свердловинному приладі, а три плеча розташовані на поверхні.

У мостовій схемі термометра з трьохжильним кабелем (рис. 5.1, а) плечі R₂ і R₄ є інертними з дуже малим температурним коефіцієнтом, а плечі R₁ і R₃ – чутливими зі значним температурним коефіцієнтом. Інертні плечі виготовляють з манганіну або константану (a=(1-3)·10^-5 К^-1), чутливі плечі – з міді. Живлення моста здійснюють постійним струмом з поверхні, зворотним проводом служить Земля. В іншій діагоналі моста між точками М і N вимірюють різницю потенціалів DU, яка пропорційна зміні температури середовища в свердловині.

Рисунок 5.1 – Схеми виміру температур у свердловині електричними термометрами на трьохжильному (а) і одножильному (б) кабелях та електричним термометром типу ТЕГ (в)

Опори інертних плечей практично при будь-якій температурі не змінюють своєї величини та рівні один одному, тобто R₂=R₄. При деякій температурі t₀ спостерігається рівновага моста, тобто дотримується умова R₁R₃=R₂R₄. При цій температурі різниця потенціалів між точками М і N дорівнює нулю. Температура, що вимірюється, рівна:

, (5.30)

де C=2/R₀a – стала електротермометра, що відповідає зміні температури при зміні опору містка на 1 Ом; t₀ – температура, за якої електричний місток є збалансованим (тобто DU=0).

Визначення сталої термометра С і температури t₀ рівноваги моста проводиться шляхом градуювання електричного термометра за допомогою точного ртутного термометра.

Методика термічних дсліджень. Методика запису геотермограм має певні особливості:

- запис геотермограм проводять після певного часу, достатнього для сприймання свердловиною температури гірських порід (від годин при дроселюванні до діб в інших випадках);

- термометрію завжди проводять першою з усього комплексу ГДС і тільки при спуску свердловинного приладу.

- термометрію проводять через 0,5-1,5 доби (при штучному тепловому полі при різниці температур рідин >3 К);

- термометрію проводять через декілька діб чи тижнів для реєстрацій Г;

- термометрію проводять через кілька годин після запуску свердловини в експлутацію (при високій герметичності лубрикаторів);

- при відповідних швидкостях спуску термометра (10⁴/τ м/год, а при детальних-1200/τ м/год).

Масштаби запису термограм вибирають 0,5-1 град/см й установлюють за відомими стандарт-сигналами температури. Заданому масштабові запису термограм відповідає відхилення записувального пристрою реєстратора. Температура t на певній глибині свердловини за термограмою визначають за формулою:

(5.31)

де t₀ – температура, за якої електричний місток є збалансованим (тобто DU=0); l – довжина відхилення на реєстраторі, см; n_t – масштаб записутермограми, К/см

Застосування результатів термометрії. Дані термічних досліджень свердловин використовують для:

- вивчення геологічного розрізу свердловини за теплофізичними параметрами при відомій густині теплового потоку;

- виділення потужних газоносних пластів, легкорозчинних солей, вугілля, сульфідних руд, високопроникних водоносних пластів;

- вивчення тектоніки, гідрогеологічних режимів окремих районів;

- контролю за процесами розробки нафтових і газових пластів;

- вивчення технічного стану свердловин.

Вивчення геологічного розрізу свердловин. За допомогою метода регіонального теплового поля можна диференціювати породи по  (при відомій q).

За допомогою методу природнього локального теплового поля виявляють легкорозчинні солі, вугілля, сульфідні руди, породи з інтенсивним рухом пластових вод (з іншою температурою), інтервали, що виділяють газ.

За допомогою методу штучного теплового поля розділяють породи по температуропровідності (при наявності “миттєвого” джерела тепла). Реєструють серію кривих виміру температури в часі після теплового збурення, віднімають температуру природнього поля і, порівнюючи з теоретичними залежностями, визначають a_V. Враховують швидкість руху рідини (фільтрату ПР) в залежності від ∆р і t (швидкість встановлення температури в часі).

Вирішення регіональних геологічних задач. Будують карти термоізогіпс та вивчають структури (над тілами і антикліналями підвищується температура); вирішують гідрогеологічні питання (в пластах з рухом води також підвищується температура).

Контроль за розробкою родовищ. Термометрія є одним із основних методів в повному комплексі геофізичних досліджень свердловин з метою контролю за розробкою нафтових і газових родовищ. Результати досліджень методом термометрії використовуються при вирішенні практично всіх задач експлуатації і розробки. У перфорованих пластах термометрію застосовують для виділення інтервалів притоку, визначення віддаючих (поглинаючих) пластів, встановлення інтервалів обводнення та кількісного визначення дебіту.

В неперфорованих пластах термометрію застосовують для простеження температурного фронту води, яку закачують в пласт, шляхом порівняння термограм з геотермограмою в сусідніх непрацюючих свердловинах.

При контролі технічного стану свердловин термометрію використовують для виявлення затрубної циркуляції і визначення місць негерметичності обсадної колони і ліфтових труб.

Вивчення технічного стану. Встановлюють факт наявності і рівня підйому цементу за колоною; виявляють затрубну циркуляцію і визначають місця негерметичності обсадної колони і ліфтових труб.