Спосіб визначення щільності теплового потоку у свердловині
Номер патенту: 92743
Опубліковано: 26.08.2014
Автори: Стасенко Володимир Миколайович, Карпенко Василь Миколайович, Карпенко Олександр Васильович
Формула / Реферат
Спосіб визначення щільності теплового потоку геотермального фактору складається з термометра, свердловини, математичної моделі теплообміну між гірськими породами навколо простору свердловини, який відрізняється тим, що два термометри встановлюють на земній поверхні для виміру температури промивальної рідини на вході і виході з свердловини, при цьому визначаються: питома теплоємність, густина, витрати промивальної рідини, конструктивні параметри свердловини, обсадних і бурильних труб, розробляється математична модель теплообміну між гірськими породами і промивальною рідиною, яка враховує енергетичні параметри процесів теплопровідності, теплопередачі і теплопереносу значеннями різниці внутрішньої енергії промивальної рідини на вході і виході з свердловини, часом її руху у бурильних та обсадних трубах, контактною поверхнею в обсадних трубах, яку утворює маса промивальної рідина, відповідна заданій продуктивності.
Текст
Реферат: Спосіб визначення щільності теплового потоку геотермального фактору складається з термометру, свердловини, математичної моделі теплообміну між гірськими породами навколо простору свердловини. Два термометри встановлюються на земній поверхні для виміру температури промивальної рідини на вході і виході з свердловини, визначають: питому теплоємність, густину, витрати промивальної рідини, конструктивні параметри свердловини, обсадних і бурильних труб розробленням математичної моделі теплообміну між гірськими породами і промивальною рідиною враховуючи енергетичні параметри процесів теплопровідності, теплопередачі і теплопереносу значеннями різниці внутрішньої енергії промивальної рідини на вході і виході з свердловини, часом її руху у бурильних та обсадних трубах, контактною поверхнею в обсадних трубах, яку утворює маса промивальної рідини, відповідної заданій продуктивності. UA 92743 U (12) UA 92743 U UA 92743 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Корисна модель стосується нафтогазової галузі для забезпечення промислових геофізичних досліджень інформацією про щільність теплового потоку від гірських порід до промивальної рідини (п/р) у просторі свердловини. Даний тепловий потік обумовлений дією геотермального фактору (ГТФ), що проявляється у стиснутих гірських породах геологічного середовища (ГС). Сучасні геофізичні дослідження свердловин [1-4] передбачають термометричні дослідження у свердловині, що проводяться за допомогою спеціальних термометрів, які опускаються у свердловину. Свердловина заповнена промивальною рідиною. Після припинення процесу буріння метод термометрії передбачає тривалий термін витримки свердловини для врівноваження температур між п/р і ГС. Перенос тепла від нагрітої п/р внизу свердловини до охолодженої п/р на усті свердловини відсутній. Даний факт дозволяє проводити прямий контроль температури п/р шляхом спускання термометра від устя до вибою свердловини. Визначена на певній глибині температура п/р однозначно ідентифікується з температурою гірських порід. За даними температури п/р та коефіцієнту теплопровідності гірських порід визначається щільність теплового потоку з використанням відомої моделі процесу передачі тепла Фур'є [5]. Даний спосіб визначення щільності теплового потоку у гірських породах є єдиним відомим методом, за яким побудовані карти розподілу щільності теплових потоків на території Україні [6] на різних глибинах за даними розподілу температур у свердловинах. Досвід буріння глибоких свердловин доводить, що визначена даним методом щільність теплового потоку ГТФ з боку гірських порід на промивальну рідину не може пояснити реальні значення внутрішньої енергії п/р на виході з свердловини [7]. Даного фізичного факту не можуть пояснити і інші методи визначення щільності теплового потоку ГТФ, які базуються на коефіцієнті теплопровідності гірських порід [8]. Технічна задача корисної моделі: розробити спосіб визначення об'єктивного значення щільності теплового потоку ГТФ у простір свердловини. Технічний результат корисної моделі досягається шляхом: використання двох термометрів, що встановлюються на земній поверхні для виміру температури п/р на вході і виході з свердловини; визначення теплоємності, густини, витрат п/р, конструктивних параметрів свердловини, обсадних і бурильних труб; розробленням математичної моделі теплообміну між гірськими породами і простором свердловини, що враховує значення різниці внутрішньої енергії промивальної рідини на вході і виході з свердловини, час її руху у бурильних та обсадних трубах, контактну поверхню в обсадних трубах, яку утворює маса промивальної рідина, відповідна заданій продуктивності. На кресленні наведена фізична модель теплообміну між гірськими породами і п/р у свердловині: 1 - термометри, встановлені на вході і виході п/р з свердловини, 2 - колона бурильних труб, 3 - колона обсадних труб, конструктивні параметри якої дорівнюють параметрам свердловини, 4 - гірські породи або геологічне середовище (ГС), 5 - п/р масою m , що відповідна продуктивності, кг/с. Запропонований експрес-метод визначення щільності теплового потоку ГТФ від гірських порід у простір свердловини полягає в наступному. На земній поверхні встановлюються два термометри - 1 для вимірювання температури п/р на вході і виході з свердловини. Визначаються параметри: питома теплоємність, густина, продуктивність, внутрішня енергія на вході і виході з свердловини п/р масою m - 5, а також, конструктивні параметри свердловини - 4 в ГС, обсадної- 3 і бурильної - 2 колони труб. За даними параметрами, за моделлю (1) теплообміну між гірськими породами і п/р, що враховує енергетичні параметри процесів теплопровідності, теплопередачі і теплопереносу, виконується визначення щільності теплового потоку ГТФ у свердловині за рівнянням (2). Дія ГТФ на п/р масою m кг/с, і загальну масу п/р - Mp , що заповнює простір свердловини моделюється системою енергетичних рівнянь: Uв (L ) Uв х U2 (L ) Uв их Uв (L ) U1(L) , ' ' Ug0 (L ) (Uв их Uв х ) U2 (L) U1(L) N (L ) n (L )s η (L)s η (L)s g 1 1 1 2 2 0 (1) 50 де перше рівняння - моделює нагрівання п/р масою m , що рухається від устя до вибою в бурильних трубах (БТ); 1 UA 92743 U 5 10 15 друге рівняння - моделює нагрівання п/р масою m , що рухається від вибою до устя у між колонному просторі обсадних труб (ОТ) і БТ; третє рівняння - моделює загальну теплову енергію ГТФ, що складається з енергії п/р масою , яка виходить на земну поверхню, теплової енергії п/р у просторі ОТ і теплової енергії п/р у m просторі БТ; четверте рівняння - моделює потужність теплового потоку ГТФ, що нагріває п/р масою m у просторах ОТ та БТ; п'яте рівняння - моделює загальну теплову потужність ГТФ, що генерується гірськими породами у простір свердловини заданої конструкції; Uв х - початкова на усті свердловини внутрішня енергія п/р масою m , кг/с; Uв х - кінцева на усті свердловини внутрішня енергія п/р масою m , кг/с; Uв (L) CmT m - внутрішня теплова енергія п/р на вибої свердловини при промивці свердловини, Дж; ~ Uв (L) CmT m ξ Б - внутрішня теплова енергія п/р на вибої свердловини при бурінні свердловини, Дж; Tm - максимальна температура п/р на вибої свердловини, Дж; Ug0 (L) η g (L)t 1(L) t 2 (L)s1 - теплова енергія, віддана геологічним середовищем (ГС) у простір свердловини для нагрівання п/р масою m у просторах труб ОК і БК, Дж, (прийнято ηg (L) = ηg = η1 = η2 - стабільні в часі середні значення щільності теплових потоків, що 20 змінюються на кожний метр глибини свердловини, запис (L) опущена); Ng (L) Ug (L) / t 0 - загальна потужність передачі теплової енергії від ГС до всього простору свердловини крізь всю поверхню ОТ за 1 секунду, Вт; N0 (L) Ug0 (L) / t 0 - зосереджена потужність теплової енергії від ГС до простору 25 свердловини, що поглинається п/р масою т в процесі контакту з поверхнею s1 ОТ за одну секунду, Вт; ζ Б - енергетичні витрати на механічне руйнування гірських порід, Дж; ΔU2 (L) = η2 t 2 (L)s2 - енергія нагрівання п/р масою m у просторі БТ, Дж; ' ΔU1(L ) = ΔU1(L ) + ΔU'2 (L ) = η1t1(L )s1 + η 2 t1(L )s 2 - загальна енергія нагрівання п/р масою m у ' просторі ОТ, що складається з енергії ΔU1(L ) нагрівання п/р і переданої ним теплової енергії 30 ΔU'2 (L ) до БТ, відповідно (товщини стінок БТ і ОТ прийняті рівними 0), Дж; 2 n g = η1,η 2 - щільності теплових потоків ГС, стінок ОТ, і стінок БТ, відповідно, Вт/м . З системи рівнянь (1) визначаються середні параметри n g , Ng n gS om . Введемо наступні позначення: η 2 x 2 Uв (L) y, Uв х a, Uв их b U2 x 2C2 t 2 (L)s 2 C 2 η g x 1 , η1 x 1 Ug0 x 1C 0 t 1(L) t 2 (L)s1 C 0 U1 t 1(L)s1 C1 x 1C1 x 2 C 3 t (L)s C 2 3 1 35 де a , b - задані параметри початкових і граничних умов енергетичного стану енергоносія, C0 , C1 , C 2 , C3 - задані константи, що визначаються за даними t1 , t 2 , s1 , s 2 , що наведені у таблиці 1, які враховують: глибину і конструкцію свердловини, продуктивність бурового насоса. Систему рівнянь (1) з невідомими: y , x 1 , x 2 перепишемо у вигляді 40 y a x 2 C 2 ζ Б x 2 (C 2 C 3 ) (b a) x 1C1 . ⇒ C3 (b a) b y x 1C1 x 2 C 3 x C (b a) x C x C x 1 C C x 2 C 0 1 0 C1 1 1 2 3 1 0 З системи рівнянь (1.1) визначаємо шукані параметри у вигляді 2 (1.1) UA 92743 U (C 2 2C 3 ) x 1 (b a ζ Б ) C C C C 2 0 3 0 C 2 C1 (C 2 2C 3 ) N (b a ζ ) S om Б g C 2 C 0 C 3 C 0 C 2 C1 (1.2) або у вигляді (2) для режиму промивання свердловини n g (Uв их Uв х ) (2t 1 t 2 ) 2 s1 ( t 1 t 2 t1 t2 ) 2 , Ng (Uв их Uв х ) ( 2t 1 t 2 ) 2 s1 ( t 1 t 2 t1 t 2 ) 2 S om . (2) 5 Використовуючи значення таблиці, знаходимо значення шуканих параметрів: n g (3,57 137 ) , 10 (2 3876 1799 ) 0,695(3876 2 3876 1799 1799 2 ) 10 6 ≈ 2680 Вт / м 2 , Тп = 2680 2474 = 6б63 МВт , з якої 3,57 МВт виходить на устя, а 3,06 МВт постійно циркулює у свердловині крізь стінки БТ між вниз і вверх текучими потоками п/р. Таблиця Параметри циркуляції п/р у свердловині Сентянівська № 10 № Позначення, значення і міра параметру =22 л/с Q 2 ρ =1380 кг/л m =30,4 кг/с С=2500 Дж/кг °C Tв х 18 °C 3 w p =125 м Параметр 1 2 3 4 5 Подача п/р буровим насосом Густина п/р Подача маси п/р за 1 с Теплоємність п/р Температура п/р на входу у свердловину 6 Об'єм п/р у свердловині 7 10 Mp =172000 кг Маса п/р у свердловині Температура п/р на виході з свердловини Tв их =47 °C (промивка) Температура п/р на виході з свердловини (буріння) T'в их =49 °C Потужність роторного буріння Nб =62 кВт 11 Діаметр труб бурильної колони (ОК) (зовнішній) 12 Діаметр труб бурильної колони (ОК) (внутрішній) 13 Діаметр труб бурильної колони (БК) (зовнішній) 14 Діаметр труб бурильної колони (БК) (внутрішній) 15 Швидкість руху п/р у просторі труб БК 16 Швидкість руху п/р у міжтрубному просторі ОТ і БТ 17 Довжина БК, що займає п/р масою 30,4 кг 18 Довжина ОК, що займає п/р масою 30,4 кг 19 Площа теплообмінну в БК для п/р масою 30,4 кг 20 Площа теплообмінну в ОК для п/р масою 30,4 кг Глибина вибою свердловини де виконані L =3500 м спостереження Час руху п/р у просторі БК - t2 (L=3500 м) t 2 =1799 с 8 9 21 22 3 Dom =0,245 мм dom =0,225 мм Dбm =0,140 мм dбm =0,120 мм Vбm =1,945 м/с Vom =0,903 м/с Iбm =1,945 м Iom =0,903 м 2 s 2 =0,733 м 2 s1 =0,695 м UA 92743 U 23 Час руху п/р у просторі ОК - t1 (L=3500 м) t1 =3876 с 24 Температурний середній градієнт ГС α g grad(Tg ) =0,04 °C/м 25 Потужність продуктивності бурового насосу 26 Тиск на викиді насосу під час буріння NH =180 кВт PH =9 ΜΠа 27 Час взаємодії п/р масою 30,4 кг з долотом 28 Загальна площа внутрішніх стінок БТ 29 Загальна площа внутрішніх стінок ОТ Som =2474 м Внутрішня енергія п/р масою 30,4 кг на вході у Uв х =1,37 МДж свердловину Внутрішня енергія п/р масою 30,4 кг на виході з Uв их =3,57 МДж свердловини 30 31 t 0 =1 с 2 s бm =1320 м 2 Модель (2) теплообмінів у свердловині дозволяє прогнозувати температуру п/р на вибої за формулою Т бк Т в х n g S ок ( t 2 t 1 ) Mp C , °C. (3) 5 Так, для свердловини № 10 Сентянівської площі п/р під час промивання свердловини нагрівається на вибої до температури: Т бк 18 2680 2474 (1799 3876 ) 105,35 °C 172000 2500 10 15 20 25 при температурі ГС на глибині 3500м Tg = L α g =35000,04=140 °C, а для свердловини № 189 Карадаг [3] температура нагрівання п/р на вибої складає 59,42 °C проти фактичного виміру 60 °C. Джерела інформації: 1. Патент RU 2334100. Способ теплового каротажа скважин. 2008. 2. Патент RU 2381361. Устройство для измерения температуры в скважине. 2006. 3. Патент RU 2386028. Способ теплового каротажа скважин и устройство для его осуществления. 2006. 4. Патент US № 3892128 A.Methods for thermal well logging.1975. 5. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. Т. 5. - Μ.: Большая Росийская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. - 1998. - 691 с. 6. Національний Атлас України. -К.: ДНВП "Картографія". - 2007. - 440 с. 7. Карпенко В.М., Стасенко В.М., Карпенко О.В. Геотермальні ресурси України. Геоінформатика. № 2 (46), 2013. - С. 1-18. 8. Кулиев С.М. Температурный режим бурящихся скважин/ Кулиев С.М., Есьман Б.И., Габузов Г.Г./ Надра. 1968. - 186 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 40 Спосіб визначення щільності теплового потоку геотермального фактору складається з термометра, свердловини, математичної моделі теплообміну між гірськими породами навколо простору свердловини, який відрізняється тим, що два термометри встановлюють на земній поверхні для виміру температури промивальної рідини на вході і виході з свердловини, при цьому визначаються: питома теплоємність, густина, витрати промивальної рідини, конструктивні параметри свердловини, обсадних і бурильних труб, розробляється математична модель теплообміну між гірськими породами і промивальною рідиною, яка враховує енергетичні параметри процесів теплопровідності, теплопередачі і теплопереносу значеннями різниці внутрішньої енергії промивальної рідини на вході і виході з свердловини, часом її руху у бурильних та обсадних трубах, контактною поверхнею в обсадних трубах, яку утворює маса промивальної рідина, відповідна заданій продуктивності. 4 UA 92743 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5
ДивитисяДодаткова інформація
МПК / Мітки
МПК: E21B 47/00, H01L 35/02
Мітки: потоку, свердловини, визначення, теплового, щільності, спосіб
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/7-92743-sposib-viznachennya-shhilnosti-teplovogo-potoku-u-sverdlovini.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб визначення щільності теплового потоку у свердловині</a>
Попередній патент: Система визначення достовірності товару з використанням графічних захисних елементів
Наступний патент: Мішок для прання білизни
Випадковий патент: Спосіб діагностики алергічної реакції