Изучение теплообменных процессов при индукционном нагреве обсадной колонны применительно к определению заколонных перетоков

Abstract

Одним из перспективных методов геофизического исследования действующих скважин является активная термометрия. Технология проведения исследований данным методом включает индукционный нагрев участка металлической обсадной колонны, регистрацию и анализ изменения температуры в интервале индукционного воздействия. В результате теплообмена с нагретым участком колонны в потоке жидкости, движущейся внутри колонны или в канале заколонного перетока, создается тепловое возмущение. Анализ нестационарной температуры в процессе индукционного воздействия позволяет решать актуальные практические задачи, например определять наличие перетоков жидкости в пространстве за обсадной колонной. В данной работе на основе численного моделирования изучаются особенности формирования температурного поля в процессе индукционного нагрева обсадной колонны применительно к определению заколонных перетоков жидкости. Численное моделирование выполнено в программном пакете Ansys Fluent. Движение жидкости в скважине описывается уравнением Навье–Стокса в приближении Буссинеска–Обербека, а ее температура рассчитывается с учетом вынужденной и свободной конвекции. Для расчета температуры в индукторе, обсадной колонне, горных породах и цементном кольце используется нестационарное уравнение теплопроводности. Рассмотрено применение индукционного нагрева при диагностике заколонных перетоков в зумпфе, локализованных ниже работающих перфорированных пластов, в кольцевом пространстве между обсадной колонной и цементным кольцом. Построены кривые распределения средней по сечению температуры в теле обсадной колонны в интервале индукционного нагрева при различном расходе в канале заколонного перетока. Показано, что с увеличением объемного расхода в канале перетока максимальный разогрев колонны снижается за счет более интенсивной теплоотдачи потоку в канале перетока. Установлено, что на температурных кривых отмечается «затяжка» температуры (температурные возмущения в теле обсадной колонны распространяются по направлению потока в канале перетока), величина которой возрастает с ростом расхода в канале перетока. Показано, что «затяжка» температуры (величина расстояния, на которое распространяется тепловое возмущение) при перетоке вверх превышает «затяжку» при перетоке вниз, что связано с влиянием естественной тепловой конвекции в жидкости внутри обсадной колонны. На примере принятых в работе условий моделирования установлено, что перетоки вверх и вниз величиной более 0,5 м3/сут могут достоверно определяться по температурным замерам в процессе индукционного воздействия.

One of the promising methods of geophysical survey of existing wells is active thermometry. The technology for conducting research using this method includes induction heating of a section of a metal casing string, registration and analysis of temperature changes in the range of induction exposure. As a result of heat exchange with the heated section of the column, a thermal disturbance is created in the fluid flow moving inside the column or in the behind-the-casing flow channel. The analysis of non-stationary temperature in the process of induction action allows solving actual practical problems, for example, determining the presence of fluid overflows in the space behind the casing string. In this work, on the basis of numerical simulation, the features of the formation of a temperature field in the process of inductive heating of the casing string are studied in relation to the determination of behind-the-casing fluid flows. Numerical simulation was performed using the Ansys Fluent software package. Fluid movement in the well is described by the Navier–Stokes equation in the Boussinesq–Oberbeck approximation, and its temperature is calculated taking into account forced and free convection. To calculate the temperature in the inductor, casing string, rocks and cement sheath, a non-stationary heat equation is used. The application of induction heating in diagnosing behind-the-casing flows in the sump, localized below the working perforated formations, in the annular space between the casing string and the cement ring is considered. The distribution curves of the cross-sectional average temperature in the casing string body in the induction heating interval at different flow rates in the casing cross-flow channel are plotted. It is shown that with an increase in the volume flow in the overflow channel, the maximum heating of the column decreases due to more intense heat transfer to the flow in the overflow channel. It has been established that the temperature curves show a «pull» of temperature (temperature disturbances in the body of the casing string propagate in the direction of flow in the overflow channel), the value of which increases with the flow rate in the overflow channel. It is shown that the temperature «pull» (the distance over which the thermal disturbance propagates) during upward flow exceeds the «pull» during downward flow, which is due to the influence of natural thermal convection in the fluid inside the casing string. On the example of the modeling conditions adopted in the work, it was found that up and down flows of more than 0,5 m3/day can be reliably determined from temperature measurements during the induction effect.