Теоретическое изучение теплопереноса в скважине и горном массиве применительно к задачам геотермии

Актуальность работы.

Важным направлением геофизики является геотермия — наука о происхождении и параметрах температурного поля, термических свойствах пород и тепловом потоке Земли. Определение температуры горного массива является одной из основных задач геотермии. Поле температур массива используется для построения профиля плотности теплового потока, анализа его вариаций по глубине, определения глубинного теплового потока и прогноза температур горного массива на подзабойных глубинах. Информация о температурном поле в скважине и околоскважинном пространстве необходима также для решения задач прикладной геофизики, связанных с оценкой технического состояния скважин, таких как 1) расчет термоупругих напряжений в околоскважинном пространстве и оценка устойчивости ствола скважины, 2) выделение зон поглощения бурового раствора, 3) определение глубины протаивания при бурении мерзлых пород, 4) выбор цементного раствора и режима цементации обсадной колонны и др.

При бурении температурное поле вокруг скважины значительно искажается, а процесс его восстановления к первоначальному состоянию может продолжаться несколько недель, а для глубоких скважин — даже несколько месяцев. Как правило, геофизические исследования скважин (в том числе термокаротаж) проводят сразу после завершения бурения, поэтому температура, измеренная в невыстоявшейся скважине, может значительно отличаться от невозмущенной температуры горного массива. Для прогноза последней обычно используют результаты измерения температуры при различных временах выстойки и расчетные методы прогноза невозмущенной температуры горного массива, например, метод Хорнера. Все известные методы прогноза основаны на простых моделях теплового возбуждения горного массива при бурении и требуют проведения ряда циклов термокаротажа в течение нескольких дней после завершения бурения. Улучшение качества прогноза невозмущенной температуры массива по результатам термокаротажа в невыстоявшихся скважинах и уменьшение необходимого времени выстойки скважины перед его проведением может быть обеспечено путем создания детальной математической модели тепловых процессов, связанных с бурением и выстойкой скважины.

В настоящее время существует много аналитических и численных моделей для расчета температуры в скважине при циркуляции бурового раствора. Ряд работ посвящен математическому описанию тепловых процессов, связанных с бурением скважин (континентальных и морских), бурением мерзлых пород, потерей бурового раствора при бурении, влиянием термонапряжений на устойчивость ствола скважины при бурении и т. д. Однако ни одна известная из литературы модель не позволяет одновременно учесть все основные факторы, влияющие на температуру в процессе бурения, циркуляции, выстойки и цементации скважины.

В связи с этим потребовалась разработка математической модели, учитывающей наиболее важные факторы, влияющие на температуру в скважине и горном массиве, и позволяющей (1) определить невозмущенную температуру горного массива по результатам измерения температуры в невыстоявшейся скважине, (2) оптимизировать работы, связанные с бурением и цементацией скважины.

Цель работы.

Целью работы является повышение достоверности результатов экспериментальных исследований теплового поля горных массивов, улучшение качества геофизической информации о техническом состоянии скважин.

Основные задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

1. Создание математической модели тепловых процессов, связанных с бурением континентальных и морских скважин, бурением мерзлых пород, позволяющей учесть геометрию скважины и последовательность проведения технологических операций, тепловые эффекты, связанные с потерями давления и вращением буровой колонны, реологию бурового раствора и зависимость его свойств от температуры, потерю бурового раствора в проницаемые пласты.

2. Расчет температурных напряжений в горном массиве вблизи бурящейся скважины и оценка устойчивости ствола скважины с учетом температурных напряжений.

3. Создание математической модели тепловых процессов, связанных с цементацией скважины, включающей тепловое возбуждение массива при бурении, процесс «свободного падения» цементного раствора, его закачку в затрубное пространство и гидратацию.

4. Разработка способа определения невозмущенной температуры горного массива, который использует результаты измерения температуры в невыстоявшейся скважине и математическое моделирование тепловых процессов, связанных с бурением и выстойкой скважиныоценка его точности и чувствительности.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель тепловых процессов, связанных с бурением морских и континентальных скважин, бурением мерзлых пород, которая отличается тем, что позволяет учесть остановки и изменение скорости бурения, замену бурового раствора, реологию бурового раствора и изменение его свойств с температурой, потери бурового раствора, рассчитать температурные напряжения в горном массиве вблизи скважины и оценить их влияние на устойчивость ствола скважины.

2. Разработанная математическая модель тепловых процессов, связанных с цементацией скважин, включает в себя математическое описание теплового возбуждения массива при бурении, процесса «свободного падения» цементного раствора, его закачки в затрубное пространство и гидратации цементного раствора в условиях пространственно неоднородного, нестационарного распределения температуры горного массива.

3. Предложен способ определения невозмущенной температуры горного массива и выделения зон поглощения бурового раствора, который использует разработанную модель тепловых процессов, связанных с бурением скважины, и результаты измерения температуры в невыстоявшейся скважине.

Защищаемые научные положения.

1. Разработанная математическая модель тепловых процессов, связанных с бурением скважины, и созданный программный комплекс обеспечивают расчет температурного поля в бурящейся скважине и околоскважинном пространстве с учетом остановок и изменения скорости бурения, замены бурового раствора, потери бурового раствора в проницаемые пласты, реологии бурового раствора и изменения его свойств с температурой.

2. Прогноз невозмущенной температуры массива по результатам термокаротажа в невыстоявшейся скважине с использованием разработанной математической модели возможен при значительно меньшем времени выстойки скважины перед проведением термокаротажа по сравнению с другими методами прогноза. При наличии информации о температуре бурового раствора на забое во время бурения прогноз невозмущенной температуры возможен по результатам однократной регистрации профиля температуры в невыстоявшейся скважине.

3. Созданная математическая модель позволяет учесть влияние нестационарного распределения температуры в околоскважинном пространстве на устойчивость ствола скважины, глубину протаивания мерзлых пород при бурении и процесс цементации скважины.

Практическая ценность работы.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Разработана математическая модель тепловых процессов, связанных с бурением скважин, которая позволяет учесть основные факторы, влияющие на поле температуры в скважине и окружающем ее горном массиве.

2. На основе разработанной модели создан пакет прикладных программ, который может быть использован для количественной оценки влияния тепловых эффектов на устойчивость ствола скважины при бурении и на процесс цементации обсадной колонны.

3. Предложен способ, использующий математическое моделирование тепловых процессов, связанных с бурением скважины, и результаты измерений профиля температуры в невыстоявшейся скважине (в том числе однократного измерения), который позволяет выделить и охарактеризовать зоны потерь флюида и определить невозмущенную температуру горного массива.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Результаты работ использованы в работах по научным проектам Московского научного центра компании Шлюмберже.

Результаты работы внедрены в Научно-исследовательской лаборатории проблем геотермии Российского государственного геологоразведочного университета и Центре коллективного пользования уникальной геотермической аппаратурой РГГРУ.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Геофизика» (Новосибирск, 2001 г.), Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» (Москва, 2002 г.), IV и V Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика» (Санкт-Петербург, 2003 и 2005 г.), Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2001;2006 г.), научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые — наукам о Земле» (Москва, 2006 г.), V Международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» (Москва, 2006 г.).

Публикации.

Результаты работы отражены в 3 научных статьях и 8 тезисах докладов, опубликованных в сборниках трудов Международных научных конференций.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 119 страниц машинописного текста, 59 рисунков, 2 таблицы, библиографию из 78 наименований.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая модель процессов тепломассообмена, связанных с бурением скважины, которая позволяет рассчитать распределение температуры в скважине и окружающих горных породах во время бурения, выстойки и цементации скважины с учетом остановок и изменения скорости бурения, замены бурового раствора, потери бурового раствора в проницаемые пласты, реологии бурового раствора и изменения его свойств с температурой.

2. Показано, что расчетная температура бурового раствора на забое практически перестает зависеть от шага по бурению при Az<20−30 м, в то время как температура формации вблизи забоя скважины (на расстоянии 10−15 м от забоя) даже при Az < 1 м может существенно изменяться. Разработана двумерная программа, моделирующая непрерывный процесс бурения, которая может использоваться для более точного расчета температуры горного массива в призабойной зоне совместно с разработанной математической моделью.

3. Установлено, что инфильтрация бурового раствора в горные породы слабо влияет на температуру бурового раствора в процессе бурения, но существенно влияет на радиальное распределение температуры в формации и на скорость восстановления температуры после завершения бурения. С использованием математического моделирования показано, что по невыстоявшейся термограмме можно выделить и охарактеризовать зоны потерь бурового раствора, поглощающие вплоть до 0.25% от общего объема флюида, циркулирующего в скважине.

4. Разработанная математическая модель позволяет рассчитать температурный режим в скважине в процессе цементации, который включает в себя расчет положения цементной пробки в скважине с помощью модели «свободного падения" — расчет поля температур при закачке цемента, включая тепловыделение при его гидратации. Показано, что разработанная модель хорошо согласуются с аналитическим решением и экспериментальными данными.

5. Разработанная математическая модель тепловых процессов в бурящейся скважине позволяет определить невозмущенную температуру массива по результатам измерений температуры в невыстоявшейся скважине, причем время выстойки скважины перед проведением термокаротажа может быть сокращено до 3−5 часов.

6. Разработанный метод определения невозмущенной температуры горного массива может быть использован при наличии данных лишь одного цикла термокаротажа в невыстоявшейся скважине, однако для увеличения достоверности в этом случае необходимы данные по температуре бурового раствора на забое скважины во время бурения.

7. Установлено, что погрешность задания тепловых свойств по разрезу скважины существенно влияет на точность расчета профиля термоградиента и кондуктивного теплового потока при восстановлении невозмущенной температуры горного массива с использованием разработанной математической модели и результатов измерения температуры в невыстоявшейся скважине.

8. Наличие вечной мерзлоты слабо влияет на температуру бурового раствора в скважине во время бурения, однако оказывает значительное влияние на радиальное распределение температуры в массиве и на скорость восстановления температуры. Разработанная математическая модель позволяет оптимизировать параметры бурения для уменьшения теплового воздействия скважины на мерзлые породы.

9. Температурные напряжения, вызванные бурением скважины, могут достигать значений нескольких десятков МПа, и, следовательно, оказывать существенное влияние на устойчивость ствола скважины. Разработанная математическая модель позволяет оптимизировать параметры бурения для уменьшения напряжений в околоскважинном пространстве.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.