Исследование теплового поля в скважине при заколонном движении жидкости в процессе индукционного воздействия

Abstract

Актуальность. Одним из перспективных методов промыслово-геофизических исследований скважин является активная термометрия. Технология проведения исследований данным методом включает локальный индукционный нагрев металлической обсадной колонны, регистрацию и анализ изменения температуры колонны. При некачественном цементировании скважин возможно возникновение потока жидкости в кольцевом пространстве между обсадной колонной и цементным кольцом (заколонного перетока). По каналу перетока в скважину поступает вода из непродуктивных пластов, что снижает рентабельность добычи нефти. В этой связи своевременное выявление и ликвидация заколонных перетоков является важной задачей эффективной эксплуатации скважин. При индукционном нагреве обсадной колонны в потоке жидкости, движущейся в канале заколонного перетока, благодаря теплообмену с нагретым участком колонны возникает тепловое возмущение, которое может быть использовано для выявления наличия перетока. Объект: добывающая скважина, в которой проводятся исследования методом активной термометрии с помощью локального индукционного нагрева обсадной колонны. Цель: разработка математической модели расчета теплового поля, вызванного индукционным нагревом участка металлической обсадной колонны, с учетом движения жидкости в кольцевом пространстве между обсадной колонной и цементным кольцом (заколонного перетока); получение аналитических решений для расчета температуры обсадной колонны и жидкости в канале перетока; исследование особенностей формирования температурного поля в колонне и жидкости в канале перетока в процессе индукционного нагрева, а также влияния расхода жидкости в канале перетока на тепловое поле в обсадной колонне. Методы: метод интегрального преобразования Лапласа по времени и численный алгоритма Стефеста с целью получения аналитических решений для расчета температурного поля; сравнение результатов расчетов по аналитической модели с результатами численного моделирования в программном пакете Ansys Fluent (Лицензия ANSYS Academic Research CFD в рамках договора с Башкирским государственным университетом от 15.06.2020). Результаты. Методом интегральных преобразований Лапласа получены новые аналитические решения для расчета нестационарного поля температуры в скважине при индукционном нагреве участка металлической обсадной колонны с учетом потока жидкости в кольцевом пространстве между колонной и цементным кольцом. Исследованы особенности формирования температурного поля в процессе нагрева и после отключения индуктора, показано, что в течение 20 минут нагрева температурные возмущения в жидкости, движущейся в канале перетока, и обсадной колонне распространяются по направлению потока на расстояние более 2 м. Показано, что рост температуры колонны на расстояниях порядка 1-2 м выше интервала индукционного нагрева связан с теплоотдачей от нагретого флюида в канале заколонного перетока. Критерий роста температуры обсадной колонны на расстояниях 1-2 м относительно интервала индукционного нагрева может быть использован как признак заколонного движения жидкости. Исследовано влияние скорости (расхода) жидкости в канале перетока на характер формирования температуры колонны в процессе индукционного нагрева. Показано, что увеличение расхода жидкости в канале перетока при прочих равных условиях приводит к росту скорости распространения температурных возмущений в теле обсадной колонны, а также к снижению величины разогрева колонны вследствие роста интенсивности оттока тепла из интервала работы индуктора. Выполнено сравнение результатов расчетов по аналитической модели с результатами моделирования в программном пакете Ansys Fluent, установлено, что расчетные температуры колонны и жидкости несколько завышены по сравнению с численным решением в связи с применением упрощающих допущений в рамках аналитической модели.

Relevance. One of the promising methods of field geophysical studies of wells is active thermometry. The technology of conducting research by this method includes local induction heating of a metal casing, registration and analysis of changes in the temperature of the column. In case of poor-quality cementing of wells, a liquid flow may occur in the annular space between the casing and the cement ring (column overflow). Through the flow channel, water from unproductive reservoirs enters the well, which reduces the profitability of oil production. In this regard, timely detection and elimination of backwater flows is an important task of efficient well operation. During induction heating of the casing string in the liquid flow moving in the channel of the column overflow, due to heat exchange with the heated section of the column, a thermal disturbance occurs, which can be used to detect the presence of overflow. Object: a production well in which studies are carried out by the method of active thermometry using local induction heating of the casing string. Purpose of the research is to develop a mathematical model for calculating the thermal field caused by induction heating of a section of a metal casing string, taking into account liquid movement in the annular space between the casing string and the cement ring (column overflow); obtain analytical solutions for calculating the temperature of the casing string and liquid in the overflow channel; investigate the features of temperature field formation in the column and liquid in the overflow channel in induction heating, as well as the effect of fluid flow in the flow channel on the thermal field in the casing. Methods: method of the integral Laplace transformation in time and the numerical algorithm of Stefest in order to obtain analytical solutions for calculating the temperature field; comparison of the results of calculations based on an analytical model with the results of numerical modeling in the Ansys Fluent software package (ANSYS Academic Research CFD license, agreement with Bashkir State University dated 06/15/2020). Results. By the method of integral Laplace transformations, new analytical solutions were obtained for calculating the non-stationary temperature field in a well during induction heating of a section of a metal casing string, taking into account the fluid flow in the annular space between the column and the cement ring. The peculiarities of temperature field formation during heating and after switching off the inductor are investigated, it is shown that during 20 minutes of heating, temperature disturbances in the liquid moving in the overflow channel and the casing string propagate in the direction of flow at a distance of more than 2 m. It is shown that an increase in the column temperature at distances of about 1-2 m above the induction heating interval is associated with heat transfer from the heated fluid in the channel of the column flow. The criterion for increasing the temperature of the casing at distances of 1-2 m relative to the induction heating interval can be used as a sign of the column motion of the liquid. The influence of liquid velocity (flow rate) in the flow channel on column temperature formation nature during induction heating is investigated. It is shown that an increase in fluid flow in the overflow channel, other things being equal, leads to growth of temperature disturbance propagation rate in the casing body, as well as to a decrease in the heating value of the column due to an increase in the intensity of heat outflow from the inductor operation interval. The results of calculations based on the analytical model are compared with the results of modeling in the Ansys Fluent software package, it is found that the calculated temperatures of the column and liquid are somewhat overestimated compared to the numerical solution due to the use of simplifying assumptions within the analytical model.