...
Show If |
---|
user | ama@naftacollege.com |
---|
group | sofoil |
---|
|
123
123 |
В отличие от задач гидравлики процессы теплообмена существенно нестационарны и температурный профиль жидкости и окружающих скважину пород будет непрерывно меняться в процессе закачки.
Хотя со временем изменения могут становиться настолько малы, что ими можно пренебречь в пределах погрешности измерительной аппаратуры в пределах времени конкретного исследования скважины.
В этом случае говорят о квазистационарном распределении температурного поля.
Помимо этого процесс распространения тепла идет не только в стволе скважины, где распространяется поток, но и далеко за ее пределами, что приводит к необходимости решать задачу и температурном поле скважины в совокупности с прилегающими к ней породами, что увиливает размерность задачи с одномерной до трехмерной (или двухмерной в случае осевой симметрии теплофизических параметров пород).
Поэтому решение задачи термометрии в стволах скважины формулируется на две температурные функции:
| температурный профиль потока воды вдоль ствола скважины , отсчитываемой вниз от поверхности |
| распределение температуры в массиве горных пород |
Температурный профиль
потока воды ствола скважины формируется кондукцией и конвекцией вдоль потока и теплообменом с окружающими породами и описывается следующим уравнением: LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
\rho \, c \, \frac{\partial T}{\partial t} = \frac{d}{dl} \, \bigg( \lambda \, \frac{dT}{dl} \bigg) - \rho \, c \, v \, \frac{dT}{dl} |
с начальным условием:
LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
T(t=0, l) = T_g(l) |
и граничным условием на поверхности:
LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
T(t, l=0) = T_s(t) |
Распределение температуры в массиве горных пород
формируется кондукцией горных породах и теплообменом со стволом скважины и описывается следующим уравнением: LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
\rho_e \, c_e \, \frac{\partial T_e}{\partial t} = \nabla ( \lambda_e \nabla T_e) |
с начальным условием:
LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
T_e(t=0, l, r) = T_g(l) |
и граничным условием на бесконечном удалении от скважины:
LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
T_e(t, l, r \rightarrow \infty) = T_g(l) |
Геотермическое распределение температуры (также называемое геотермой) вдоль ствола скважины
задается следующей моделью LaTeX Math Block |
---|
| 1 |
T_g(l) = T_{0e} + \int_{z_0}^{z(l)} G_T(z) dz = T_{0e} + \int_{l_0}^l G_T(z(l)) \sin \theta dl |
геотермический градиент задается отношением регионального теплового потока из недр Земли
и теплопроводностью пород LaTeX Math Block |
---|
|
G_T(z(l)) = \frac{j_e}{\lambda_e(l)} |
где
| величина регионального теплового потока из недр Земли (см. также Геотермия) |
| профиль теплопроводности пород вдоль траектории скважины |
| абсолютная отметка глубины залегания нейтрального слоя (обычно единицы ) |
| отметка нейтрального слоя вдоль траектории скважины (обычно так как начальные участки скважин не имеют сильного отклонения от вертикали) |
В регионах, где геотермический градиент остается постоянным
до глубины залегания продуктивных пластов, геотермическое распределение температуры в породах принимает простой вид: LaTeX Math Block |
---|
anchor | T_g_const |
---|
alignment | left |
---|
|
T_g(l) = T_{0e} + G_T \, z |
Однако в большом количестве практических случаев это не так и применение среднего по всему разрезу значения геотермического градиента для оценки геотермического распределения температур по формуле
LaTeX Math Block Reference |
---|
|
может привести к значительным погрешностям.Справедливости ради стоит заметить, что эта проблема становится актуальной при анализе термограмма в бурящих и добывающих скважинах, а при анализе водяных нагнетательных скважин, использование постоянного усредненного термоградиента вполне допустимо.
Замыкает систему уравнений условие теплобмена между жидкостью в стволе скважины и окружающими горными породами, задаваемое условием непрерывности радиального теплового потока:
LaTeX Math Block |
---|
|
2 \pi \, \lambda_e \, r_w \, \frac{\partial T_e}{\partial r} \, \bigg|_{r=r_w} = 2 \pi \, r_f \, U \, \bigg( T_e \, \bigg|_{r=r_w} - T \bigg) |
где
– радиальное направление к оси скважины.
Expand |
---|
title | Вывод условия теплообмена |
---|
|
Если между внутренней стенкой НКТ и внутренней стенкой скважины по долоту нет источников или стоков тепла, то линейная плотность радиального потока тепла LaTeX Math Inline |
---|
body | \frac{\delta \, E_T}{\delta \, t \: \delta h} |
---|
| (количество тепла переносимого вдоль радиального направления в единицу времени на метр длины скважины) будет сохраняться вдоль радиального направления.Плотность радиального теплового потока между закачиваемой жидкостью и стенкой трубки НКТ может быть выражена через коэффициент теплопередачи между средами: LaTeX Math Block |
---|
| j = \frac{\delta \, E_T}{\delta \, t \: \delta S_f } = \frac{\delta \, E_T}{\delta \, t \: \delta h \: 2 \pi \, r_f } = U \, \bigg( T_e \, \bigg|_{r=r_w} - T \bigg) |
Это по-сути эта формула является определением коэффициента теплопередачи. Плотность радиального теплового потока между стенкой скважины и породами определяется законом теплопроводности Фурье: LaTeX Math Block |
---|
| j = \frac{\delta \, E_T}{\delta \, t \: \delta S_w } = \frac{\delta \, E_T}{\delta \, t \: \delta h \: 2 \pi \, r_w } = \lambda \, \frac{\partial T}{\partial r} |
Исключая из вышеприведенных уравнений линейную плотность теплового потока LaTeX Math Inline |
---|
body | \frac{\delta \, E_T}{\delta \, t \: \delta h} |
---|
| получим условие теплообмена LaTeX Math Block Reference |
---|
| . |
Эта задача решается численными методами.
Но для простых случаев есть аналитические оценки, которые правильно воспроизводят крупномасштабные формы температурного профиля.
Одна из популярных аналитических моделей для стационарной (
LaTeX Math Inline |
---|
body | q_s = {\rm const}, \quad T_s(t) = T_s = \rm const |
---|
|
) закачки в скважину с постоянным наклоном ( LaTeX Math Inline |
---|
body | \theta(l) = \rm const |
---|
|
), в окружении акисально-симметричного однородного пласта(
LaTeX Math Inline |
---|
body | \rho_e = {\rm const}, \lambda_e (l) = {\rm const}, \, c_e (l) = {\rm const} |
---|
|
) с постоянным геотермическим градиентом вдали от поверхности LaTeX Math Inline |
---|
body | l \, \sin \theta \gg r_w |
---|
|
, дается следующей формулой (Ramey, 1962): LaTeX Math Block |
---|
anchor | Tf_Ramey |
---|
alignment | left |
---|
|
T(t, l) = T_{0e} + G_T \, z - R(t) \, G_T \, \sin \theta + \big( T_s - T_{0e} + R(t) \, G_T \, \sin \theta \big) \, e^{ - l/R(t)} |
где
LaTeX Math Block |
---|
anchor | RelaxationRamey |
---|
alignment | left |
---|
| R(t) = \frac{q_s}{2 \pi \, a_e} \, \bigg( T_D(t) + \frac{\lambda_e}{r_f \, U} \bigg) |
|
релаксационное расстояние |
LaTeX Math Block |
---|
| T_D(t) = \ln \big[ e^{-0.2 \, t_D} + (1.5 - 0.3719 \, e^{-t_D}) \, \sqrt{t_D} \big] |
|
безразмерная температура (Hasan, Kabir, 1994) |
LaTeX Math Block |
---|
| t_D(t) = \frac{a_e \, t}{r_w^2} |
|
безразмерное время |
LaTeX Math Block |
---|
| a_e = \frac{\lambda_e}{ c_e \, \rho_e} |
|
температуропроводность пород |
| теплопроводность пород |
| объемная теплопроводжность пород при постоянном давлении |
| плотность пород |
| температура закачиваемого флюида на поверхности |
| радиус трубы вдоль контрой идет движение флюида |
| радиус скважины по долоту |
LaTeX Math Inline |
---|
body | G_T = \frac{dT_G}{dz} |
---|
|
| геотермический градиент невозмущенных пород |
| дебит скважины на устье |
| плотность закачиваемого флюида |
| коэффициент теплопередачи между закачиваемым флюидом и породами |
q
При больших дебитах скважины формула
LaTeX Math Block Reference |
---|
|
предсказывает малое значение
и следовательно в экспоненте формулы
LaTeX Math Block Reference |
---|
|
можно удержать только линейный член разложения по
:
...