Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков

Авторы патента:


Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков
Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков

 


Владельцы патента RU 2406081:

Гуров Петр Николаевич (RU)

Использование: для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков. Сущность заключается в том, что скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков содержит удлиненный трубчатый корпус из теплопроводного материала, на внутренней поверхности которого с тепловым контактом установлен осесимметричный резистивный измерительный нагреватель постоянной удельной тепловой мощности, теплоизолированный от полости корпуса как части единого открытого в скважину канала, полностью перекрываемого клапаном во время измерений, а на внешнюю поверхность корпуса посажены тепловые электроды из материала эталонной теплопроводности с датчиками температуры, установленными на их цилиндрических поверхностях, корпус с электронным блоком, при этом цельный толстостенный цилиндр, который посажен на внешнюю поверхность трубчатого корпуса, совпадает с длиной измерительного нагревателя и на котором с выбранным шагом установлены пары датчиков температуры вдоль его внутренних и внешних образующих, совпадающих с одним или несколькими радиальными направлениями и лежащими в соответствующих плоскостях осевых сечений цилиндра, причем расстояние по длине зонда между серединами соседних пар датчиков является высотой тепловых электродов, также зонд снабжен поверхностным обрабатывающим комплексом, выполненным с возможностью вырабатывать, согласно программе измерений, управляющие команды на этапах обработки и формировать конечные результаты измерений в автоматическом и автономном режиме. Технический результат: обеспечение возможности в автономном и автоматическом режимах измерять с высокой точностью тепловые свойства горных пород и плотность геотермальных тепловых потоков. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к измерению тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков (ПТП) в скважинах на суше или ниже морского дна. Такие измерения необходимы при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых, в частности нефтегазовых и радиоактивного сырья. Эти потоки влияют на тепловой режим океанов и являются уникальным инструментом для изучения геологического строения Земли на планетарном и прикладном уровнях.

Проблема прямых поисков месторождений нефти и газа возникла вместе с зарождением самой нефтегазовой промышленности, что связано со значительными капитальными затратами на поиски и разведку месторождений. Идея прямых поисков заключается в том, что существует естественный геотермальный градиент температур между глубинными и поверхностными слоями Земли. Этот градиент создает геотермальный тепловой поток, направленный к поверхности Земли. Если на пути такого потока встречается, например, нефтегазовая залежь, обладающая низкой теплопроводностью, то в поверхностных слоях наблюдается снижение потока, что является поисковым признаком.

Согласно закону Фурье, ПТП есть произведение двух исходных величин, измеряемых на заданном интервале глубин скважины: геотермального градиента температур и теплопроводности горных пород. Если температуру в скважинах измеряют давно и с высокой точностью, то для теплопроводности горных пород не существует не только измерений in situ, точность которых можно было бы охарактеризовать метрологическими средствами, но нет даже заслуживающих внимания методов измерения. Сегодня все сведения о тепловых свойствах горных пород получают измерениями на керне в лабораторных условиях. Предполагают, что в естественных условиях они отличаются значительно.

В таблице 1 приводится далеко не исчерпывающий список патентов, направленных на решение проблемы измерения ПТП. Измерение тепловых свойств горных пород предлагается производить зондами с источниками теплового поля либо подвижными, когда не прогревается даже стальная колонна, либо не имеющими цилиндрической осевой симметрии, что ведет к неконтролируемым потерям тепла. Такие измерения не доводятся до числового значения тепловых свойств. Предлагаются лишь зависимые от них различные методические суррогаты. Для определения ПТП измеряют геотермальный градиент температур непосредственно на заданном интервале глубин в скважине, а теплопроводность выбирают по справочникам для горных пород, встретившихся на интервале. Очевидно, что такие измерения ненадежны.

Другой путь предусматривает непосредственную оценку ПТП с помощью преобразователей геотермального теплового потока, установленных в скважине, заполненной буровым раствором или водой. Теплопроводность этих жидкостей (0,55-0,9) Вт/мК, тогда как теплопроводность окружающих скважину горных пород 1-7. Поэтому вдоль скважины распространяется весьма незначительная часть геотермального потока. Измеренная плотность теплового потока в сечении скважины плохо отражает величину такового в окружающих скважину горных породах.

Таблица 1
Номера патентов США и даты их публикаций.
1901431 04.1933 3808889 05.1974 4313342 02.1982 5121993 06.1992
2301326 11.1942 3864969 02.1975 4343181 08.1982 5159569 10.1992
2403704 03.1946 3874232 04.1975 4420974 12.1983 5321612 06.1994
3217550 11.1965 3892128 07.1975 4476716 10.1984 7086484 08.2006
3444669 10.1967 3981187 09.1976 4676664 08.1987
3410136 11.1968 4003250 01.1977 4933887 06 1990
3714832 02.1973 4120199 10.1978 4947682 08.1990
Номера патентов России и даты их публикаций.
А.С. 732515 05.1980 A.C. 922605 04.1982 RU 2190209 07.2002
A.C. 771520 10.1980 RU 2096772 02.1998

Известен зонд для определения теплопроводности горных пород в скважинах глубиной 30-50 м (патент Великобритании 2071319 МПК G01N 25/18 1981). Длина зонда превышает 20 его диаметров. Зонд содержит резистивный нагреватель, установленный по оси заполненной водой скважины на интервале измерений, изолированном двумя надувными пакерами. В центре интервала установлен датчик температуры воды, перемешиваемой в процессе ее нагревания. Утверждается, что угол наклона кривой зависимости температуры от логарифма времени обратно пропорционален теплопроводности горных пород. Такая суррогатная зависимость не дает численного значения тепловых свойств горных пород. Низкое разрешение толщины пластов.

Известна трехмерная установка из термопар, являющаяся датчиком для измерения геотермального потока (патент US 5121993 НПК 374/29, 73/152.12 1992). Она состоит из трех преобразователей теплового потока, установленных перпендикулярно осям Х Y Z, а также датчиков температуры с интервалом 1 м между ними. Утверждают, что таким образом измеряют три компонента теплового потока. Вертикальная составляющая потока сравнивается с потоком, вычисленным по закону Фурье с использованием градиентов температур на метровых интервалах и справочных данных для теплопроводности горных пород. Х и Y компоненты потока указывают на наличие пластовых течений жидкости (воды), вносящих погрешность в измеренный тепловой поток. Из-за низкой теплопроводности воды, заполняющей скважину, вдоль скважины распространяется и измеряется неизвестная незначительная доля теплового потока, пронизывающего окружающие скважину горные породы.

Принципиально новая организация зонда фокусированного теплового бокового каротажа (ТБК) предложена в патенте RU 2190209 (МПК G01N 25/18, 2002) и в статье «Обоснование метода и зонда теплового бокового каротажа» // НТВ «Каротажник». Тверь: Изд. АИС. 2005. Вып. 134. С.120-133. // Зонд ТБК - это аналог электрического зонда с фокусировкой в тепловом поле. Учитывая аналогию полей, получают выражение в терминах проводимости для регистрируемого параметра теплового зонда:

где Т12 - разность температур на тепломере заданной толщины в форме теплового электрода. Размер, теплопроводность λэт и радиальная толщина Δr электрода определяют значение А - конструктивную константу зонда. Тn - геотермальная температура на интервале измерений. Значение P=p×1000 принято в качестве регистрируемого параметра при измерениях.

Устройство (патент RU 2190209) для измерения теплопроводности и объемной теплоемкости пластов в скважине принято в качестве прототипа предлагаемого зонда. Оно содержит «бесконечно длинный» измерительный резистивный нагреватель, длина которого не менее чем в 20 раз превышает диаметр, и два фокусирующих нагревателя. Нагреватели установлены в трубчатом корпусе из материала высокой теплопроводности (бронза, дюраль), на котором с тепловым контактом посажены толстостенные кольца одинаковой высоты, цельные или разделенные разрезами на одинаковые секторы, торцы и разрезы которых теплоизолированные. Кольца выполнены из материала известной теплопроводности, например из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, рекомендуемой Госстандартом в качестве стандарта теплопроводности. На внутренних и внешних цилиндрических поверхностях колец установлены датчики температуры Т1 и Т2. Полость трубчатого корпуса образует единый перепускной канал, открытый в скважину, полностью перекрываемый клапаном во время измерений. Осесимметричные резистивные нагреватели прилегают к каналу и теплоизолированные от него. Измерительный и фокусирующие тепловые нагреватели имеют одинаковую и постоянную удельную тепловую мощность. Тепловые свойства горных пород, как таковые, устройством не измеряют. Наблюденные значения T1, T2 и Тn позволяют вычислить для каждой пары датчиков по формуле (1) параметр Р и построить наблюденные графики P=f(τ) и P=f(h) для фиксированных значений h (глубинное положение пар датчиков) и τ (время измерений) соответственно. Параметр P зависит от тепловых свойств горных пород, но не является их единицей измерения. Недостатки устройства прототипа:

1. В устройстве фактически используется пассивная фокусировка бесконечно длинного нагревателя, т.к. удельные тепловые мощности (тепловыделение на единицу длины) измерительного и называемых фокусирующими нагревателей одинаковые и постоянные. В обсаженной скважине требуется активная фокусировка, обеспечивающая компенсацию потерь тепла по колонне.

2. Низкая теплопроводность жидкостей, заполняющих кольцевой зазор между зондом и колонной, снижает темп теплообмена с окружающими горными породами и увеличивает и, без того значительное, время для исследования скважины. При этом не исключается конвективный вынос тепла из кольцевого зазора.

3. При движении по скважине зонд подвержен сильным механическим воздействиям: ударным в обсаженных и скользящим, приложенным к поверхности зонда, в необсаженных скважинах. Зонд прототипа не может работать в таких условиях, потому что невозможно создать механически прочную конструкцию и надежно закрепить на поверхности зонда тепловые электроды в форме отдельных толстостенных колец, разрезанных на секторы и теплоизолированных по разрезам.

4. Измерения не дают численных значений тепловых свойств горных пород и поэтому не позволяют определять плотность геотермальных тепловых потоков.

5. Устройством прототипа невозможно проводить измерения в сухих скважинах, например, в работающих газодобывающих.

6. Устройством не предусмотрен автоматический и автономный режим измерений.

Задачей настоящего изобретения является разработка зондов, позволяющих в автономном и автоматическом режимах измерять с высокой точностью тепловые свойства горных пород и плотность геотермальных тепловых потоков в:

1) неглубоких необсаженных скважинах, преимущественно специально пробуренных для измерения плотности геотермальных тепловых потоков и

2) глубоких необсаженных и обсаженных скважинах, пробуренных для решения конкретных геологических задач.

Исследования показали, что в обсаженной скважине контрастность теплового пятна (и, как следствие, дифференциация горных пород по тепловым свойствам), динамически поддерживаемого на поверхности теплового электрода в процессе измерений, снижается в первую очередь из-за высокой теплопроводности стальной обсадной колонны (50 Вт/мК), а не теплопроводности материала самого электрода (14,4 Вт/мК). Последняя является достаточно сбалансированной, и поэтому теплоизоляция торцов толстостенных колец не оправдана при измерениях в любых скважинах.

Согласно изобретению, зонд для неглубоких скважин спускается на интервал измерений на штангах и устанавливается без зазора со стенкой скважины. При отсутствии зазора достаточно эффективна пассивная фокусировка. Тепловые электроды расположены на цельном полом цилиндре из эталонной стали. На цилиндре с выбранным шагом установлены пары датчиков температуры вдоль его внутренних и внешних образующих, совпадающих с одним или несколькими радиальными (азимутальными) направлениями и лежащими в соответствующих плоскостях осевых сечений цилиндра.

Поверхностный обрабатывающий комплекс выполнен с возможностью вырабатывать, согласно программе измерений, управляющие команды и формировать конечные результаты измерений в автоматическом и автономном режиме. Это осуществляется путем сравнения наблюденной кривой P=f(τ) для каждой пары датчиков температуры с семейством аналогичных кривых (палетками) с заданными тепловыми свойствами и рассчитанными для текущих условий измерения, выявления на интервале измерений последовательности пластов горных пород с измеренными значениями теплопроводности и объемной теплоемкости, вычисления плотности геотермальных тепловых потоков умножением измеренного градиента температур на границах пластов и их теплопроводности. Измерения выполняются в автоматическом и автономном режиме.

Согласно изобретению, зонд для глубоких необсаженных и обсаженных скважин дополнительно содержит фокусирующие нагреватели, установленные на заданной длине на концах измерительного нагревателя, управляемые надувные пакеры, контейнер, заполненный составом высокой теплопроводности, средство для перекачки его по каналам в кольцевой зазор и канал, уравновешивающий давления в контейнере и в зазоре во время перекачки состава.

Поверхностный обрабатывающий комплекс имеет программируемый блок питания, выполненный с возможностью поддерживать стабильное питание измерительного нагревателя и заданное изменение удельных тепловых мощностей фокусирующих нагревателей во время измерений. Скважина может быть сухой, например работающей газодобывающей.

Установка тепловых электродов на цельном полом цилиндре обеспечивает прочность конструкции и технологичность изготовления зонда.

Установка зонда без зазора в скважине или с заполнением его составом высокой теплопроводности позволяет значительно снизить продолжительность измерений при одновременном значительном улучшении разрешения толщины пластов. Это позволяет выполнять измерения в сухих, например, работающих газодобывающих скважинах.

Результаты измерения тепловых свойств горных пород получают в стандартных для них единицах измерения, что позволяет измерять плотность тепловых потоков в автоматическом и автономном режиме.

Указанные отличительные признаки и другие преимущества предлагаемого изобретения будут понятны из последующего детального их описания и прилагаемых чертежей, на которых показано:

фиг.1 - схема предлагаемого зонда для неглубоких скважин;

фиг.2 - скважинная диаграмма. Пачка из 4 пластов толщиной 0.9, 1.0, 1.0, и 2 м, λ/Cv (теплопроводность Вт/мК и объемная теплоемкость МДж/м3К) которых 2/1, 2.5/1, 1/1 и 5/1, вмещающих пластов 3/1 и 4.5/1 соответственно. τ=10d3 сек (10000). Шифр кривой БЗ - установка без зазора;

фиг.3 - вертикальная характеристика зонда для неглубоких скважин. λ/Cv пласта 2/2, вмещающих пластов 3/2, τ=10d3 сек;

фиг.4 - палетка 1 для неглубоких скважин. Шифр кривых: БЗ - установка без зазора, теплопроводность и объемная теплоемкость горных пород;

фиг.5 - палетка 2 для неглубоких скважин;

фиг.6 - разрешение пачки из трех пластов толщиной по 1 см, λ/Cv которых 2/2, 3/2, 2/2, вмещающих пластов 3/2, τ=10d3 сек;

фиг.7 - схема предлагаемого зонда для глубоких скважин;

фиг.8 - скважинная диаграмма. Пачка из 4-х пластов толщиной 0.9, 1.0, 1.0, и 2 м, λ/Cv которых 2/1, 2.5/1, 1/1 и 5/1, вмещающих пластов 3/1 и 4.5/1 соответственно. τ=10d3 сек. Шифр кривых: ОБ - обсаженная скважина, НО - необсаженная;

фиг.9 - вертикальное разрешение пластов в необсаженной скважине. λ/Cv пласта 2/2, вмещающих пластов 3/2, τ=10d3 сек;

фиг.10 - вертикальное разрешение пластов в обсаженной скважине. λ/Cv пласта 2/2, вмещающих пластов 3/2, τ=10d3 сек;

фиг.11 - палетка 1. Шифр кривых: НО - необсаженная скважина, теплопроводность и объемная теплоемкость;

фиг.12 - палетка 1. Шифр кривых: ОБ - обсаженная скважина, теплопроводность и объемная теплоемкость горных пород.

фиг.13 - эффективность заполнения кольцевого зазора составом высокой теплопроводности на примере разрешения пластов толщиной 1-5 см. Кольцевой зазор заполнен составом в обсаженной (ОБ) и в необсаженной (НО), а также пресной водой (ПВ) в обсаженной скважинах.

Таблица 2
Расстояние м от центра нагревателя длиной 5 м Погрешность (%) измерений параметра Р относительно его значения в центре зонда при различных λ/Cv вмещающих горных пород, τ=10d3 сек
1/1 2/1 3/1 4/1 5/1 6/1
2,5 -6,21 -6,59 -7,22 -7,97 -8,74 -9,52
2,4 -4,87 -4,98 -5,08 -5,20 -5,33 -5,50
2,35 -3,57 -3,60 -3,62 -3,68 -3,75 -3,82
2,3 -2,49 -2,48 -2,49 -2,51 -2,53 -2,56
2,2 -1,10 -1,05 -1,04 -1,01 -1,02 -1,02
2,1 -0,39 -0,31 -0,26 -0,22 -0,24 -0,30
2 0,01 0,03 0,08 0,05 0,05 0,06
1,9 0,06 0,19 0,11 0,18 0,07 0,14
1,8 0,20 0,10 0,04 0,15 0,27 0,24
1,7 0,19 0,14 0,26 0,08 0,06 0,20
1,6 0,14 0,11 0,10 0,24 0,07 0,22
1,5 -0,02 0,12 0,11 -0,05 0,10 0,25
0 0 0 0 0 0 0

Пример возможного выполнения предлагаемого зонда для неглубоких скважин на фиг.1 представляет собой цилиндрической формы каротажный зонд, спускаемый в скважину на буровых штангах 11, прочно соединенных с головкой 12 зонда. Основой зонда является трубчатый корпус 13 из материала высокой теплопроводности. Резистивный измерительный нагреватель 14 имеет постоянную удельную тепловую мощность, а длина его составляет не менее 20 диаметров зонда. Нагреватель должен быть осесимметричным, например спиралевидным или составленным из множества вытянутых вдоль оси зонда линейных тепловых электрических нагревателей, вставленных в канавки, расположенные на фиксированном радиальном расстоянии на внутренней поверхности трубчатого корпуса. При этом обеспечивается хороший тепловой контакт нагревателя с трубчатым корпусом 13, например заливкой каналов сплавом типа Вуда. Такой нагреватель, как следует из данных таблицы 2, даже при жестких требованиях к погрешности измерений параметра Р не более 0,5%, обеспечивает хорошую пассивную фокусировку зонда независимо от тепловых свойств горных пород на границах интервала измерений. Внутренняя поверхность трубчатого корпуса 13 покрыта экранным теплоизолятором 15 и образует совместно с окнами 16 единый перепускной канал 17. Этот канал во время измерений закрывается клапаном 18, что препятствует конвективным потокам тепла по нему во время измерений.

На трубчатый корпус 13 посажен с тепловым контактом и механически закреплен на нем толстостенный полый цилиндр 19 из материала известной теплопроводности, например из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Цилиндр может быть цельным или по технологическим требованиям состоять из отдельных не изолированных по торцам отрезков. Общая длина цилиндра совпадает с длиной измерительного нагревателя. На цилиндре с выбранным шагом установлены пары датчиков температуры 20 (температура Т1) и 21 (температура Т2) вдоль его внутренних и внешних образующих, совпадающих с одним или несколькими радиальными (азимутальными) направлениями и лежащими в соответствующих плоскостях осевых сечений цилиндра. Расстояние по длине зонда между серединами соседних пар датчиков является высотой тепловых электродов. Шаг установки датчиков температуры выбирают в зависимости от минимальной толщины измеряемых пластов, например, равным (1-5) см.

Возможны и другие конструкции зонда. Например, можно объединить в одной детали трубчатый корпус 13 и толстостенный полый цилиндр 19 в один еще более толстостенный полый цилиндр из материала эталонной теплопроводности. Положение пар датчиков и нагревателя (нагревателей) в сечении зонда не изменяется, но они установлены в продольных отверстиях объединенного цилиндра. Сложность технологий термической посадки удлиненного цилиндра 19 на корпус 13 и изготовления удлиненных отверстий в объединенном цилиндре одинаковая. Однако во втором случае достигается гарантированный тепловой контакт, что является важным элементом в идентичности условий работы датчиков температуры.

К любым таким конструктивным вариациям зонда общее требование: цилиндрическая форма, осесимметричный резистивный нагреватель (нагреватели), пары датчиков температуры установлены вдоль образующей зонда и параллельной ей прямой на заданном радиальном расстоянии, между ними по одному или нескольким радиальным (азимутальным) направлениям, а пространство между парами датчиков заполнено материалом эталонной (известной) теплопроводности.

При конструктивной длине зонда не более 3 м не возникают проблемы его транспортировки на скважину. Однако при этом измерения возможны на интервале скважины около 1,5 м. Для увеличения интервала измерений эффективную длину зонда увеличивают путем наращивания при спуске зонда в скважину за счет стандартных вставок, являющихся копией зонда в пределах измерительного нагревателя. Они имеют необходимые для этого стыковочные окончания.

В корпусе электронного блока 22 установлены коммутатор опроса датчиков и телеметрическая система передачи данных измерения на поверхность по кабелю питания зонда. Поверхностный обрабатывающий комплекс (на фиг.1 не показан) выполненный с возможностью вырабатывать согласно программе измерений управляющие команды на этапах обработки, хранить поступающие on-line данные всех датчиков зонда и формировать конечные результаты измерений в автоматическом и автономном режиме. Стабилизированный блок питания обеспечивает постоянную удельную тепловую мощность измерительного нагревателя. В качестве датчиков температуры пригодны, например, волоконно-оптические интерференционные датчики "Интел-Сенсор", Россия. Они позволяют измерять температуру с погрешностью 0,01%. Следовательно, погрешность вычисления параметра Р по формуле (1) не хуже 0,04%, а основная погрешность измерения параметра Р с учетом данных таблицы 2 не превышает 0,5%. Миниатюрность датчиков - ⌀ 0,150 мм допускает измерения с плотностью до 200 датчиков на метр. Важным преимуществом является также исключение операций по компенсации дрейфа датчиков.

Работает предложенный зонд следующим образом. В обсаженной скважине 23 глубиной 30-50 м интервал предполагаемых измерений на забое 24 имеет диаметр открытого ствола, близкий к диаметру зонда. Такая скважина бурится преимущественно шнековым буром, чтобы избежать размыва и глинизации стенок скважины. На интервал предполагаемых измерений зонд устанавливают без зазора со стенками скважины принудительно на штангах 11 с помощью, например, вибратора. Отсутствие зазора исключает конвективный вынос тепла из интервала измерений. Дальнейший процесс измерения вплоть до завершения вычисления тепловых свойств каждого выявленного пласта и плотности теплового потока, а также выключение питания зонда, выполняются автоматически в соответствии с командами и действиями, осуществляемыми обрабатывающей программой. Подается напряжение питания электронного блока и, не включая нагревателей, измеряется по всем направлениям температура каждым датчиком Т2 как функция времени измерения T2=f(τ) до стабилизации показаний - теплового равновесия зонда с окружающим его пространством. Каждый датчик «запоминает» геотермальную температуру горных пород Тn в точке измерения, которую используют при вычислении измеряемого параметра и градиента температур на границах пластов. Далее включается питание нагревателя, и этот момент принимается за нуль отсчета времени измерения (τ=0). В процессе измерения показания всех пар датчиков 21 и 22 поочередно по всем азимутальным направлениям с заданным временным шагом подключаются на вход процессора в течение цикла опроса датчиков, показания датчиков кодируются и в принятом формате передаются на поверхность для регистрации. После каждого опроса датчиков по измеряемым температурам Т1 и Т2 для каждого теплового электрода программой измерений по формуле (1) рассчитываются значения Р и строятся для каждого азимутального направления наблюденные диаграммы на интервале измерений в форме кривых P=f(h) для фиксированных значений τ. Пример части такой скважинной диаграммы показан на фиг.2. Выделяются границы пластов, для которых значение параметра Р является значением Р∞ для пласта бесконечной толщины. Определяется среднее значение Р∞ выделенного пласта. Отнесение толщины пласта к бесконечной толщине осуществляется программой по признакам семейства кривых на фиг.3. Таковыми являются пласты, толщина которых превышает 12 см (для тонких пластов вводится поправка за толщину и определяется Р∞). Далее для этих пластов строятся для каждого азимутального направления кривые Р∞=f(τ) и сравниваются с теоретическими кривыми палетки 1 фиг.4. Она построена для всего диапазона известных значений теплопроводности от 1 до 7 Вт/м К с заданным шагом и для условий измерения без зазора со стенкой скважины. Каждое значение теплопроводности образует группу кривых с вариацией теплоемкости от 1 до 3 МДж/м3 К. Видно, что для малого времени измерения группы кривых, например с теплопроводностью 3, имеют различную крутизну (δP/δτ), а крутизна кривых одной группы постоянна. Значения P и δP/δτ для фиксированного момента времени являются признаками идентификации любой кривой на палетке. Эти признаки позволили выработать алгоритм и создать программу для распознавания наблюденной кривой, например кривой I-51,5. Наблюденная кривая дополнительно может быть сопоставлена на палетке 2 фиг.5 для условно большого времени измерения, когда наступает квазистационарный режим теплообмена и кривые лучше отражают теплопроводность горных пород. После завершения идентификации кривых для всех пластов на интервале измерения обрабатывающим комплексом формируется файл результатов измерений, содержащий исходные данные и итог измерений: скважинная диаграмма в терминах теплопроводности и объемной теплоемкости пород выделенных пластов, градиенты геотермальных температур на границах пластов. Плотность геотермального потока на интервале измерения определяется как произведение теплопроводности пласта пород на градиент температур

на его границах. Сколько пластов с различными значениями теплопроводности выделяется на интервале измерений, столько раз проверяется измеренная плотность геотермального теплового потока. После завершения программы измерений посылается сигнал для выключения зонда. Время измерений не превышает 3 часов, тогда как зондом прототипа оно составляет 10 и более часов.

Если на интервале измерений встречается водоносный горизонт с выраженным пластовым течением, то возникающий при этом вынос тепла из зоны исследования искажает измеряемые тепловые свойства по различным азимутальным направлениям Результаты измерений существенно различаются и поэтому не принимаются во внимание.

Зонд обладает высоким разрешением по толщине пластов. На фиг.6 показано, что на интервале в 3 см удовлетворительно разрешаются 3 пласта толщиной по 1 см. Это позволяет считать, что с не худшим разрешением будут проявляться и азимутальные неоднородности тепловых свойств среды. Следовательно, при диаметре зонда, например, 100 мм возможны независимые измерения по 10 азимутальным направлениям. Реально достаточно двух-трех, что возможно при любом варианте реализации зонда.

Предлагаемый зонд для глубоких необсаженных и обсаженных скважин показан на фиг.7. Он представляет собой цилиндрической формы каротажный зонд, свободно спускаемый в скважину на грузонесущем кабеле 10. Центраторами 25 зонд устанавливается с кольцевым зазором 31 на интервале измерений глубокой обсаженной или необсаженной скважины 24, сухой или заполненной жидкостью. Конструктивно он аналогичен зонду, показанному на фиг.1, и отличается тем, что на заданной длине на концах измерительного нагревателя дополнительно установлены фокусирующие нагреватели 33, устроенные подобно измерительному. Зонд также содержит управляемые надувные пакеры 26 и 27, контейнер 28, заполненный расчетным объемом состава высокой теплопроводности, средство для его перекачки 29 по трубам 30 в кольцевой зазор 31, ограниченный надувными пакерами. Имеется также канал, уравновешивающий величины давления в контейнере и в зазоре во время перекачки состава (на фиг.7 не показан). В качестве состава можно использовать, например, буровой раствор с добавками высокотеплопроводных дисперсных металлов или минералов. Буровой раствор обладает высокой статической вязкостью, что предотвращает расслоение смеси в процессе измерений.

Работает предложенный зонд для глубоких необсаженных и обсаженных скважин следующим образом. По команде программы измерений устанавливается нижний надувной пакер 26, включается средство перекачки 29 и кольцевой зазор 31 заполняется составом высокой теплопроводности, вытесняя заполнявшую его жидкость. Устанавливается верхний надувной пакер. Теперь исключен конвективный вынос тепла из интервала установки пакеров. В дальнейшем процесс измерения отличается следующим. После включения питания нагревателей программой поддерживается стабильное питание измерительного нагревателя 14 и регулируется в процессе измерений заданное повышение удельной тепловой мощности фокусирующих нагревателей 33. Как показано в таблице 3, такая активная фокусировка даже в обсаженной скважине обеспечивает приемлемую (до 0,5%) погрешность измерений параметра Р. Использование пассивной фокусировки в этих условиях не оправдано. В необсаженной скважине отношения удельных тепловых мощностей меньше. Процесс измерения, обработка данных всех датчиков зонда в соответствии с программой и формирование конечных результатов измерений выполняются, как в предыдущем варианте, в автоматическом и автономном режиме. При этом используются аналогичные зависимости для необсаженных и обсаженных скважин, показанные на Фиг.8-12. Зонд может быть установлен в сухих скважинах, например работающих газодобывающих. Показано, что применение высокотеплопроводного состава позволяет значительно снизить влияние зазора в обсаженной скважине и, несомненно, повышает геологическую эффективность зонда при изучении тонкослоистых разрезов скважин (см. фиг.13).

1. Скважинный зонд для измерения тепловых свойств горных пород и плотности геотермальных тепловых потоков, содержащий удлиненный трубчатый корпус из теплопроводного материала, на внутренней поверхности которого с тепловым контактом установлен осесимметричный резистивный измерительный нагреватель постоянной удельной тепловой мощности, теплоизолированный от полости корпуса как части единого открытого в скважину канала, полностью перекрываемого клапаном во время измерений, а на внешнюю поверхность корпуса посажены тепловые электроды из материала эталонной теплопроводности с датчиками температуры, установленными на их цилиндрических поверхностях, корпус с электронным блоком и при необходимости средство для измерения его азимутального положения в скважине, отличающийся тем, что цельный толстостенный цилиндр, который посажен на внешнюю поверхность трубчатого корпуса, совпадает с длиной измерительного нагревателя и на котором с выбранным шагом установлены пары датчиков температуры вдоль его внутренних и внешних образующих, совпадающих с одним или несколькими радиальными (азимутальными) направлениями и лежащими в соответствующих плоскостях осевых сечений цилиндра, причем расстояние по длине зонда между серединами соседних пар датчиков является высотой тепловых электродов, также зонд снабжен поверхностным обрабатывающим комплексом, выполненным с возможностью вырабатывать, согласно программе измерений, управляющие команды на этапах обработки и формировать конечные результаты измерений в автоматическом и автономном режимах.

2. Зонд по п.1, отличающийся тем, что он содержит фокусирующие нагреватели, установленные на заданной длине на концах измерительного нагревателя, управляемые надувные пакеры, контейнер, заполненный составом высокой теплопроводности, средство для перекачки его по каналам в кольцевой зазор между зондом и колонной, ограниченный надувными пакерами, и канал, уравновешивающий давления в контейнере и в кольцевом зазоре во время перекачки состава, кроме того, поверхностный комплекс зонда содержит программируемый блок питания, выполненный с возможностью поддерживать стабильное питание измерительного нагревателя и заданное изменение удельных тепловых мощностей фокусирующих нагревателей во время измерений.

3. Зонд по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для увеличенного интервала измерения длина зонда при спуске в скважину наращивается за счет одинаковых дополнительных секций, являющихся копией зонда на длине измерительного нагревателя и имеющих необходимые для этого стыковочные окончания.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплофизическим измерениям. .

Изобретение относится к области теплового контроля материалов. .

Изобретение относится к тепловым испытаниям. .

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к мукомольной, пищеконцентратной, крупяной, крахмало- и сахароперерабатывающим отраслям, и может быть использовано при управлении процессом тепловой обработки дисперсных пищевых продуктов, а именно зерна, крупы, муки, крахмала, сахара-песка и соли.

Изобретение относится к измерительной технике. .

Изобретение относится к области термической обработки деталей из стали, в том числе деталей, имеющих сложную форму

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляции теплоизолированной лифтовой трубы (ТЛТ) в скважине, имеющейся в составе конструкций нефтяных, газовых, термальных и других скважин

Изобретение относится к теплофизическим исследованиям теплозащитного покрытия на материале и условий работы, влияющих на коэффициент теплопроводности, и может быть использовано для определенна коэффициента теплопроводности тонкостенного теплозащитного покрытия (ТЗП) на лопатках турбин газотурбинных двигателей для создания материалов, защищающих рабочие лопатки от перегрева, так как современные материалы рабочих лопаток исчерпали свои возможности по предельно допустимым температурам

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения физических свойств веществ путем измерения электрической емкости, и может быть использовано для экспрессного определения теплофизических характеристик неметаллических материалов, например строительных

Изобретение относится к области тепловых испытаний дисперсных и пастообразных материалов

Изобретение относится к области измерительной техники и найдет применение практически во всех процессах строительства, производства, эксплуатации и ремонта различных технических объектов, где необходимы диагностика, контроль качества, обеспечение работоспособности и безопасности эксплуатации непосредственно объектов и их отдельных узлов, блоков и деталей

Изобретение относится к нестационарным способам определения теплофизических свойств твердых тел

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ
Наверх