книги / Теплопередача в скважинах

Г Л А В А I

ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ В СТВОЛЕ СКВАЖИНЫ

§ КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ В СКВАЖИНЕ

В зависимости от назначения скважины, характера операций и технологии их проведения, в скважине могут устанавливаться ста­ ционарные, нсевдостационарные и нестационарные температурные условия (рис. 2).

Рис. 2. Классификация температурных условий в сква­ жинах

Стационарное распределение температуры в стволе скважины устанавливается в результате ее длительной остановки, когда запол­ няющий ствол скважины агент принимает естественную температуру окружающих горных пород. Подобные условия создаются в наблюда­ тельных, пьезометрических, а также в скважинах эксплуатационного фонда в период их длительной остановки или консервации. Степень стационарности температуры определяется, в первую очередь, дли­ тельностью! простоя скважины. Не последнюю роль нрн этом играют методы и технические средства определения температуры. Если измере­ ния вести с большой относительной погрешностью, то фиксирование

21

неизменной во времени температуры будет осуществлено гораздо раньше, чем в скважине установятся стационарные условия и прекра­ тится теплообмен ее с горными породами. Стационарная температура

вскважине является мерой геотермических условий разреза горных

породо

Нестационарные температурные условия устанавливаются в стволе сооружаемой скважины при ее проходке, креплении, освое­ нии. Указанные технологические операции связаны с циклическими промывками забоя различными агентами, приводящими к возмуще­ нию теплообмена между стволом скважины и окружающими горными породами. При этом кратковременные остановки недостаточны для восстановления естественной температуры в скважине. Нестационар­ ная температура изменяется в скважине скоротечно и определяется не только тепловым состоянием массива горных пород, но и техноло­ гическими показателями проводимых операций, т. е. интенсивностью тепломассопереноса внутри рассматриваемой системы.

Нестационарные температурные условия имеют место в эксплуа­ тационных скважинах в процессе их пуска, в период работ по интен­ сификации отдачи продуктивного пласта, при ремонте, при изменении режима эксплуатации, при сравнительно кратковременных останов­ ках для профилактическкх мероприятий и т. д.

В момент возмущения установившегося температурного поля скважины нестационарная температура обусловлена неупорядочен­ ным процессом теплообмена между скважиной и горными породами. В этот период изменения температуры в стволе наиболее интенсив­ ные. С течением времени по мере упорядочения процесса теплообмена темп изменений температуры уменьшается и порою становится едва заметным, если наблюдения ведут в небольшом отрезке времени.

Псевдостационарные температурные условия нами выделяются в особую категорию для того, чтобы определить границы примени­

в скважине при сравнительно длительном ведении технологического процесса с постоянными режимными показателями. Так, многоциклич­ ная промывка скважины буровым раствором с постоянной произво­ дительностью приводит к тому, что изменения температуры по про­ шествии нескольких циклов становятся малозаметными и в малом отрезке рассматриваемого времени условия теплообмена могут быть приняты стационарными. Температуру, соответствующую сравни­ тельно длительному процессу, будем считать псевдостационарной.

Псевдостационарные условия устанавливаются в фонтанирующих и нагнетательных скважинах спустя несколько суток после пуска, если режим фонтанирования или нагнетания сохраняется неизменным. Не последнюю роль при этом играют физические свойства движу­ щегося в скважине агента. Изменение этих свойств влечет за собой возмущение установившегося процесса теплообмена и приводит

кзамене псевдостационарной температуры нестационарной. Таким образом, деление температурных условий на стационарные,

22

псевдостационарные и нестационарные следует считать условным. Такая градация помогает использовать теоретические основы тепло­ передачи для описания процессов в скважине. Во многих случаях сложные аналитические зависимости нестационарного теплообмена могут быть заменены уравнениями, характеризующими стационар­ ный теплообмен. При этом ошибка, допускаемая в результате такой, замены, оказывается приемлемой.

Условия теплообмена и температурные условия в скважине определяются совокупностью геологических, географических и тех­ нологических факторов, без учета которых невозможно не только прогнозировать, но и изучать температуру и теплообменные процессы в ней. Однако роль каждого фактора своеобразна, поэтому необхо­ димо рассмотреть их более подробно.

§ 2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ

Литология. Стационарные температурные условия в скважине полностью определяются геотермической характеристикой разреза, одним из параметров которой считается геотермический градиент. Геотермический градиент (grand t) зависит от условий теплообмена на границах среды и ее теплопроводящих свойств.

Естественно предположить, что основной глубинный источник тепла расположен ниже вскрытого скважиной разреза горных пород,, а коэффициент теплоотдачи на поверхности Земли примерно постоян­ ный, поэтому распределение температуры в глубь массива горных пород в значительной мере определяется их теплофизическими свойствами

Отдельные литолого-стратиграфические подразделения разрезов характеризуются разными геотермическими градиентами. Именно на этом принципе основано литологическое расчленение разреза скважин по данным геотермических наблюдений.

Многочисленные исследования, проведенные в СССР [22, 41, 56, 65, 67, 107, 122], показали, что при прочих равных условиях темп роста стационарной температуры в скважине с увеличением глубины тем больше, чем ниже теплопроводность вскрытого разреза горных пород. Чаще всего именно поэтому наблюдается закономерное увели­ чение геотермического градиента в глинистых отложениях и умень­ шение его в песчаниках.

Исследования, проведенные в скважинах Краснодарского края [22], показали, что колебания стационарной температуры по региону в значительной мере зависят от фациально-литологической характе­ ристики разреза (табл. 1).

Отложения киммерия, представленные песками, песчаниками и конгломератами с высоким коэффициентом теплопроводности,

23

характеризуются низкой величиной геотермического градиента. Более высокая величина градиента отмечается в более глинистых понтических и миоценовых отложениях. Наибольший теми роста

температуры в рассматриваемом районе наблюдается с углублением в литологически однородную толщу глин верхнего и среднего М ай ­ копа, которая характеризуется низкой теплопроводящей способ­ ностью. В более древних песчано-глинистых слоях эоцена и палео­ цена геотермический градиент снова убывает. Таким образом, измене­ ние геотермического градиента находится в полном соответствии с фациально-литологической характеристикой массива горных пород.

Интервалы разрезов скважин, сложенные глинистыми породами, характеризуются наиболее высокими величинами геотермического

.24

градиента. Так, в скважинах Ставропольского края величина градиента в глинах достигает 0,06—0,13° С/м.

В интервалах залегания песчаных пород геотермический градиент значительно меньше, чем в глинистых отложениях. Наименьшие величины геотермического градиента отмечаются в хорошо проница­ емых водоносных песчаных отложениях и в плотных песчаниках, сцементированных карбонатным материалом (0,008—0,02° С/м).

Карбонатные породы по сравнению с терригенными осадками характеризуются более низкой величиной геотермического градиента (0,003-0,025 °С/м).

Известняки и доломиты имеют примерно одинаковый градиент температуры, если в них отсутствуют прослои глин.

Согласно полученным в последние годы результатам исследова­ ний темп роста температуры с углублением в соленосных отложениях весьма низкий и составляет 0,0025—0,01° С/м. Это объясняется тем, что теплопроводность каменной соли в несколько раз выше, чем теплопроводность глин.

По данным исследования Кузнецовской опорной скважины в Сибпри, геотермический градиент в магматических породах доюрского фундамента не превышает 0,0164е С/м. Низкие значения геотермиче­ ского градиента (0,006—0,008е С/м) были установлены в магматиче­ ских и метаморфических породах на Балтийском щите и в Кривом Роге.

Рассматривая термограмму, характеризующую естественную тем­ пературу в скважинах Прикумской равнины Ставропольского края (рис. 3), убеждаемся, что темп роста температуры с глубиной наи­ больший в отложениях майкопских глин (интервал 500—2300 м). В верхнемеловых известняках и нижнемеловых песчаниках темп увеличения температуры снижается.

Исследованиями Г. М. Сухарева и М. В. Мирошникова [167] показано, что неоднородные по литологическому составу горные породы Предкавказья и Кавказа выделяются на геотермах разными величинами геотермических градиентов. При этом подчеркивается, что температурные условия в скважинах того или иного района существенно зависят от литологического состава массива горных пород. Именно поэтому высокотемпературные условия в скважинах Ставропольского поднятия объясняют наличием в их разрезе мощной толщи майкопских глин с низким коэффициентом теплопроводности.

25

Следовательно, температурные условия в глубокой скважине существенно зависят от литолого-стратиграфической характеристики горных пород, слагающих разрез данной площади.

Внутренняя радиация недр Земли. В настоящее время абсолют­ ное большинство исследователей считает, что термический режим земной коры обусловлен главным образом теплом радиоактивного распада. Содержание основных радиоактивных элементов в земной коре, по данным А. П. Виноградова [42] (в г на 1 г массы коры) составляет: урана 1*10~6, тория 7 • 10“6, калия 1,5 -10“ 2.

Установлено также, что концентрация радиоактивных элементов убывает с глубиной. Так, в кислых породах их сосредоточено 70%, в основных 20%, в ультраосновных 10%.

Авторы [42] считают, что радиоактивные элементы сосредоточены в земной коре и подкоровом слое и их концентрации примерно соот­ ветствуют величинам, приведенным в табл. 2.

Закон Фурье позволяет считать, что при относительно постоянной температуре поверхности Земли глубинная температура при прочих равных условиях тем выше, чем больше плотность теплового потока, проходящего через слои горных пород,

t ~ Q.

А так как плотность теплового потока определяется главным образом теплом радиоактивного распада, то можно без особых дока­ зательств считать, что радиоактивный распад — один из основных факторов, определяющих температурные условия глубокой скважины.

Не следует думать, однако, что большую роль при этом играют радиоактивные элементы, сосредоточенные в осадочном чехле. Не­ смотря на то, что концентрация их в осадочных породах характери­ зуется большой величиной, суммарная мощность тепловыделения •осадочными породами ничтожно мала в общем балансе генерируемого глубинного тепла, так как масса осадочных горных пород также весьма мала по сравнению с массой вещества, составляющего зем­ ную кору. Поэтому попытки установить обычными методами влияние пластов с повышенной радиоактивностью на распределение стацио­ нарной температуры в скважине пока заканчиваются неудачей. Впрочем, известны случаи, когда месторождение радиоактивных руд ■открывали в результате обнаружения аномалий температуры и теп­ лового потока вблизи поверхности Земли.

Подземные воды. Вследствие широкого распределения в осадоч­ ной толще горных пород, подвижности и высокой теплоемкости под­ земные воды часто играют большую роль в переносе тепла и формиро­ вании стационарной температуры в скважине. В областях питания, занимающих повышенные участки артезианских бассейнов, инфильтрационные воды, продвигаясь по пластам на сотни и тысячи метров, вызывают отрицательные температурные аномалии. В зонах раз­ грузки подземные воды выносят тепло, аккумулированное на погру­ жениях в центральных частях бассейна, создавая положительные аномалии температуры. Большая роль подземных вод в формирова­

26

нии геотемлературного поля и заметные температурные аномалии, вызванные циркуляцией этих вод, заставляют всесторонне учиты­ вать при исследованиях температуры в скважинах различные гидро­ геологические факторы.

В качестве примера рассмотрим влияние подземных вод на фор­ мирование геотермических условий разреза горных пород Октябрь­ ской (Новогрозненской) антиклинали, представляющей собой край­ ний юго-восточный элемент складчатости Кабардино-Сунженской антиклинальной зоны. Режим залежи водонапорный, с большим количеством воды, поступающей в пласты из области пи­ тания.

Активное движение пластовых вод в карагано-чокракских отло­ жениях является одной из основных причин существования в нефте­

влияние гидрогеологического фактора становится едва заметным* Так, температура пород на глубине 1000 м в Октябрьском районе около 90° С, а на месторождении Хаян-Корт — менее 60° С; на глу­ бине 3000 м температуры почти одинаковы и соответственно равны 132 и 127° С. Следовательно, даже в районах, активных в гидродина­ мическом отношении, температурные аномалии, вызванные гидрогео­ логическим фактором, носят локальный характер.

В горных породах вокруг трещин, по которым идет восходящее движение воды, возникают аномальные температурные условия. Когда вода из этих трещин попадает в окружающие породы, темпе­ ратурные аномалии более значительны.

Наряду с интенсивным восходящим или нисходящим перемеще­ нием воды в локальных трещинах часто наблюдается вертикальная фильтрация через слабопроницаемые пласты. Как показали расчеты Н. А. Огильви [134], достаточно слабого восходящего или нисходящего

27

фильтрационного перем ещ ения воды, чтобы вызвать аномалию температурного поля скважины .'

Таким образом, гидрогеологический фактор может оказать сущ е­ ственное, хотя и локальное, влияние на распределение стационарной температуры в стволе скважины .

Тектоника. Известно, что конфигурация геоизотермических по­ верхностей часто повторяет рельеф кристаллического фундамента, характеризующегося сравнительно высоким' коэффициентом тепло­ проводности. Схема геоизотерм, составленная для горных пород Ставропольского края, залегающих на глубине 4000 м (рис. 5) пока­ зывает, что контуры изотерм повторяют в общих чертах очертания изогипс кровли метаморфизованных и кристаллических пород погре­ бенного палеозойского фундамента. Именно положению темпера­ турного максимума соответствует наименьшая глубина залегания кристаллического фундамента.

Однако при оценке влияния тектонического фактора на формиро­ вание температурных условий осадочного чехла следует иметь в виду совместное влияние тектоники и гидрогеологии.

Замечено, что аномалии температуры наблюдаются также над погребенными поднятиями пород, обладающих высокой теплопро­ водящей способностью. Это обстоятельство положено в основу гео­ термического метода поисков солянокупольных структур и оценки рельефа складок кристаллического фундамента.

Аналогичные явления наблюдаются вблизи зон глубинных разло­ мов земной коры. Как правило, разломы заполнены излившимися породами, имеющими сравнительно высокий коэффициент теплопро­ водности. В результате этого глубинный источник тепла как бы «приближен» к осадочному чехлу и способствует более быстрому росту температуры с углублением ствола скважины.

В последние годы на Кубани проведены работы по изучению строе­ ния земной коры и верхней мантии с помощью продольных, попереч­ ных и обменных волн, регистрируемых от далеких и местных земле­ трясений сейсмологическими станциями типа «Земля». Совмещение профиля геоизотерм с разрезом коры и верхней мантии Земли по трассе Ленинградская — Дивноморск (рис. 6) показывает, что тем­ пературные аномалии разреза приурочены к зонам глубинных разломов [142].

Влияние тектонического фактора на формирование стационарной температуры в стволе скважины установлено работами УкрНИПИ (С. Г. Думанский, Д. И. Кульчицкий) при изучении Предкарпатского прогиба. Ш. Ф. Мехтиевым и С. Т. Овнатановым [132] пока­ зано, что на нефтяных месторождениях Апшеронского полуострова наблюдаемые на одних и тех же глубинах температуры в сводовых частях складок выше, чем на крыльях. Аналогичные выводы сделаны некоторыми зарубежными исследователями (Guyond, 1946).

Таким образом, несмотря на трудность дифференцированной оценки, можно уверенно считать, что температурные условия района зависят от его тектонического строения.

28