1、主讲教师：陈科贵生产测井生产测井 第四章 井温测井第一节 热力学基础理论第二节 井温测井基本原理第三节 井温资料的应用第四章 井温测井 第一节 热力学基础理论一、井筒热传递基本理论 1.井下地层热力学特性 2.井筒流体的热学基本关系 二、油气生产井、注水井中热传递 基本情况 第一节 热力学基础理论一、井筒热传递基本理论 温度测井基于井筒周围地层是一个热稳定体的这个假定，自然温度梯度是由地球热扩散造成的，当这种热平衡条件被打破时，井内的温度梯度或径向温度分布就会发生变化。井温测井就是通过测量井筒的局部温度异常和温度梯度来反映这些变化，从而根据这些变化来推断井筒可能出现的情况。第一节 热力学基础理
2、论1、井下地层热力学特性 地层温度主要来自地球内部的热能。地球可视为一个向外的散热体，是一个稳定温度场。在常温层以下，地层的温度是随深度增加而增加的，一个地层温度的高低主要取决于地层的埋藏深度。地温与深度之间有以下关系：0 （）式中 T0 地面活动层下边界处的温度；G平均地温梯度；H距活动层下边界处的距离；T在深度H处的地层温度。第一节 热力学基础理论地层温度同样可以用下式表达：)34(dGTTZHHZ00式中 Z点的地温梯度；0活动层下边界的深度。活动层：指其温度随太阳照射的热量的变化而周期变化，或者说随季节而变的这一段地层，厚度约40m。在活动层以下，地层温度受气候变化影响很微小，实际上几
3、乎不随季节而变。第一节 热力学基础理论 井内流体温度的变化取决于与周围介质所交换的热量。不同温度物体之间传输热量的大小可用付里叶定律来描述：积的热量。单位面等于在单位时间内流过称为热流密度，其数值式中,xT)x(KqS热流流过的横断面的面积；K(x)物质的热传导系数。dQqsdt付里叶定律用微分形式：第一节 热力学基础理论)54()zTyTxT(tT2222222mamamaC其中 在井温测井的井筒条件下，可以把井下地层看作为均匀无限的园柱体，假定无热源(f0)，式（）写为：)64(tT1rTr1rTf2f2f2式中 f地层温度；r距离；t时间；热传导系数；岩石密度；岩石比热；岩石的热导率。第
4、一节 热力学基础理论 岩石的比热：指地层岩石温度升高所需的热量，对沉积岩，比热的变化范围在0.190.25（）之间，而一般岩石的比热范围在0.150.5()之间。岩石的热导率表征岩石热传递能力的大小，在很大程度上取决于岩石中矿物的组成成分、孔隙度和含水饱和度等。热导率的单位可以是（），也可以是(m)。例如大庆油田，泥岩的热导率平均为1390.68（m），砂岩为1668.24(m)。第一节 热力学基础理论 2.井筒流体的热学基本关系 在生产井或注入井中，在一般情况下，井筒流体的流速比较高，而且井径小，流体在整个井筒内温度可看作为一个均匀体。这时，井内流体的热平衡方程为：)94()z,t(T|)r
5、,z,t(Twrrma 式中，Q表示在深度z处单位深度上在单位时间内从地层传给井筒流体的热量。式(4-7)的边界条件为：)84(QrTr2m am aw(,)|()(410)mar riTt z rT z3ffwffttC qrCQzx（47）第一节 热力学基础理论在生产或注入开始时刻，地层与井筒流体达到平衡状态，故初始条件应为：)114()z(T)r,z,0(T)z,0(Tima在注入情况下：（，）（，）0 （412）在生产情况下：（，）（，）0 （413）应用上述定解条件对式(4-7)求解，且满足下列条件:)144(3)t(qfCz2Dffma 第一节 热力学基础理论解得：)154()2/
6、()t(qfC)z(T)t,z(TmaDffi2wmamamaDDDrC/(tt405.0tln21)t(f式中 由式(4-15)可见，井内任何深度上流体的温度都是流量、时间、流体热学性质以及地层热学性质的函数。第一节 热力学基础理论二、油气生产井、注水井中热传递基本情况 油气生产和注入井中流体的温度往往与它们周围介质的温度不相同，当两物质之间存在温度差时，热量总是自发地由高温热源向低温热源传递。井筒内地质情况比较复杂，生产和注入情况差别很大，因而热量传递就更为复杂。热量传递存在三种方式，即传导、对流和辐射，一般说来，井筒内热量传递这种三方式均存在。1、热传导方式：井筒内地层与水泥环之间、水泥
7、环与套管之间、套管与井筒流体之间。2、热辐射方式：套管和油管环形空间内的动液面以上的气体部分。3、对流方式：井筒内有流体流动且井筒内流体各部分之间有温度差。第二节 井温测井基本原理一、仪器结构二、测量原理三、井温仪参数的标定方法 第二节 井温测井基本原理一、仪器结构 井温仪多采用电阻式温度计井温仪，其作用原理主要是利用导体的电阻随温度而变的特性。第二节 井温测井基本原理井温仪器温度传感利用桥式电子线路。在桥式电路中，利用不同金属材料制成的电阻元件的温度系数差异，将井下流体温度的差异转化为金属电阻阻值的变化，间接求出温度的变化。金属材料的电阻率与温度的关系为：2 （）式中 电阻率；T温度；、与金
8、属材料性质有关的常数。井温仪中的感温元件通常使用金属铂，主要是由于铂有较好的温度系数。金属材料感温元件的阻值一般随温度增加而呈指数规律变化：K(T)（）（）（418）式中 温度为时的阻值；温度为时的阻值。第二节 井温测井基本原理一、仪器结构二、测量原理三、井温仪参数的标定方法 第二节 井温测井基本原理二、测量原理井温仪的测量原理电子线路如图：热灵敏电阻热灵敏电阻固定电阻固定电阻固定电阻固定电阻固定电阻固定电阻 第二节 井温测井基本原理在桥式电路中，、两端点的电位差为：)214(RRRR)RRRR(IV43214231MN电桥平衡时(0)，有1，故 4RI)TT(4)TT(RIV00MN从而，温
9、测井的理论关系式：)224(IVR4TTMN0)234(IVCTTMN0或式中 C仪器常数；0电桥处于平衡时的温度。第二节 井温测井基本原理n梯度微差井温仪，桥式电路中有两个灵敏臂，如图：理论关系为：)244(IVCTIVR2TTMN0MN0显然，式(4-24)与式(4-22)的差别仅在于仪器常数C。第二节 井温测井基本原理u如下图所示的信号处理电路可以将井下温度信息转化为普通井温和梯度微差井温两种信号加以记录，实现了一次下井同时获得的两种测量结果，简化了下井仪器结构和操作过程。u普通井温曲线反映的是井内各个深度下的流体温度，测量结果体现了井内温度的梯度变化情况。u微差井温曲线反映的是井轴上一
10、定距离之间两点的温度差别情况，并以较大的比例进行记录，测量结果更能体现井内局部的温度梯度变化情况。第二节 井温测井基本原理一、仪器结构二、测量原理三、井温仪参数的标定方法 第二节 井温测井基本原理三、井温仪参数的标定方法 电阻式温度仪的仪器常数C和平衡点温度0一般采用点测实验法进行标定。其方法是首先依次把仪器浸入已知温度为1、的溶液中，对仪器供以恒稳电流I，测出相应的电位差、，次数应大于5，然后，以T为横标，为纵标，在坐标图上分别点出各测量点的位置，这些点构成一回归直线，如图4-5所示。该直线与横轴的交点即为0，该直线的斜率即为仪器常数C，并且实验C值与理论计算C值应该比较接近。第二节 井温测
11、井基本原理u井温测井既可以在稳定生产或注入的流动井中进行，也可以在关井后的静止条件下进行测量。u对于流动井，要求测前48h内生产或注入条件要保持稳定。u对于静态井，要求井内不允许有注入或泄漏，就是1m3左右的回流也会造成测井信息失真。u任何仪器都存在一个惯性问题(即时间常数)，井温测井也不例外，存在热惯性。热惯性表征仪器受周围介质温度影响的变化速度。通常，当仪器从一种温度的溶液进入另一种温度的溶液时，传感器受温度影响不是突变，而是按指数规律变化，时间常数越小，仪器感温就越快。因此，在井温测井中根据仪器特性，测速不应超550mh，在气井中最好采用点测方式进行。第三节 井温资料的应用一、井温曲线的
12、类型二、井温曲线的定性应用 1、确定原始地层温度 2、求地层温度值 3、井温曲线在流动井中的应用 （1）注入井 （2）生产井 4、井温曲线在关井中的应用 5、确定漏失层位 6、确定窜槽层位 7、确定固井水泥上返高度 8、评价酸化压裂效果三、井温资料的定量分析 第三节 井温资料的应用一、井温曲线的类型一、井温曲线的类型 根据测井时井所处的状态，把井温测井分为两种基本类型：A、流动型：主要的特征是测井时有地层流体从井口流出地面，或者有流体从井口注入井筒内，即井口有流体的流出流入。B、关井型：主要特征是测井时井是处于关闭状态，无任何流体从井口的流入流出。l在评价一条井温曲线时，常将所测的井温曲线与同
13、一井中相应深度处的地层温度作对比。一口井的地层温度随井深变化的曲线近于一条直线，此直线显示出地层温度随井深增加而增加，它的斜率就是在这口井中地层的地温梯度值。习惯上，人们把地层温度线称为地温梯度线，在进行资料手工对比时常常要作出这条线。并在这条线上标出其斜率值，即地温梯度值。第三节 井温资料的应用二、井温曲线的定性应用二、井温曲线的定性应用 1.确定原始地层温度 根据均匀无限园柱体的热扩散方程，如果地层的温度扩散系数和井内温度梯度都可以当作常数处理，由确定的初值和边值定解问题条件，可解得由温度恢复资料计算原始地层温度的公式：)254(tttlgCTTh式中 h井底h深度处的地层温度；t 稳定生
14、产或注入时间，单位h；关井时间，单位h；在时刻的地层温度；与地层性质有关的常数。第三节 井温资料的应用l根据不同时间测的井温资料选择若干个及相应的井底温度，作图4-6所示的半对数交会图，这些点的回归直线与温度轴的交点即为所求的原始地层温度。u确定原始地层温度 原始地层温度 第三节 井温资料的应用2.求地温梯度值 在井关闭时间较长，井筒内无流体流动的情况下，当井内流体与地层温度达到平衡时，井温几乎接近于地层温度，这时可用井温测井资料来进行地温梯度值估算：)264()100/C(100HHTTG1212式中 地温梯度值；1、两个不同的深度值；T1对应1深度处的地层温度；对应深度处的地层温度。第三节
15、 井温资料的应用u估算地温梯度l地温梯度值随井和地区不同有很大变化，实际的地温梯度值在全井段并非固定不变，一般要随深度和岩性而变化，只有在温度变化相对较稳定的井段才能用此法对地温梯度值作近似估算，如图4-7所示。另外也可以用不同时间所测得的温度恢复资料所确定的原始地层温度沿垂向上的变化率来获得地温梯度值。第三节 井温资料的应用3.井温曲线在流动井中的应用(1)注入井 在注入井，井温曲线是深度、注入流体的温度、注入量、注入时间、地层及流体的热学性质与井中地温剖面的函数。图4-8是一口注入量和注入时间相同，不同注入流体温度的井温曲线。从图上可以发现，当注入水的温度较高时，在很深的深度内注入水的温度
16、比地温高，随深度增加注入水从井筒获得来自地层的热量温度增加，但增加程度比较缓慢，自上而下使得注入水的温度先是高于地温逐渐到等于地温到最后低于地温的变化，并与地温梯度线平行。井温曲线上与地温梯度线平行的那部分线称为渐近线。对较低温度的注入水也有类似情况，主要区别在于自浅部一开始井温就比地温低。第三节 井温资料的应用不同注入量和注入时间的井温曲线。注入水的温度等于地层温度。第三节 井温资料的应用(2)生产井 产层出油的井温曲线 在生产井中，由于产出流体从地层中携带了热量，再加上流动过程中摩擦作用产生的热量，使井温比地温高，在产层上部井温曲线总是在地温梯度线上方并且逐渐趋于与地温梯度线平行 第三节
17、井温资料的应用产气井的井温曲线 对产气井，当自由气从储层的高压状态进入井筒后，由于压力降低，气体分子扩散，体积膨胀而吸收出气口附近的热量，造成在出气口附近形成局部的低温异常。然而，随气体向上流动，通过热交换气体温度照样会超过地温并趋于与地温梯度线平行。第三节 井温资料的应用4、井温曲线在关井中的应用 负异常负异常 在一口注水井注水一段时期，然后关井并在某一周期内多次进行温度测井，观察井温剖面恢复到原来地温值的过程。由于吸水层冷却带半径大而且强，未吸水层降温带半径小而且弱，吸水层位恢复到地温的速率比未吸水层段要慢得多，从而在不同的时间的井温恢复曲线上显示出负异常。第三节 井温资料的应用5、确定漏
18、失层位 漏失层位 射孔段补救方法：在6500ft处挤水泥封堵 第三节 井温资料的应用6、确定窜槽层位 u由于固井作业质量原因或其他井下作业问题，可能会导致管外水泥环窜槽，造成层间流动，窜流的流体与原来的地层温度不同，在井温曲线上能记录到这种异常 窜槽层位图4-16是一口裸眼油井有气窜的情况，气向下窜流到裸眼井段的顶部。这个气窜的曲线特征是井温曲线的斜率在气顶发生变化而且在尾管底部温度有明显下降 第三节 井温资料的应用7、确定固井水泥上返高度 固井水泥上返高度 第三节 井温资料的应用8、评价酸化压裂效果 在对地层进行酸化作业时，挤入地层的酸液与地层孔道中的堵塞物产生化学反应，并释放热能。因此，酸
19、化作业的井温曲线在酸化效果好的地方将有明显显示。曲线上出现正异常显示的地方，表示酸化液被挤入地层，异常幅度越大，说明挤入的酸化液越多。在压裂作业时，压裂液在高压的作用下会经射孔孔道进入地层，对地层流体流通通道进行改造。如果压裂液的温度与地温差别较大，则在压裂作业后进行井温测量，根据曲线的异常变化便可确定被压裂开的层位。压裂层 压裂层 第三节 井温资料的应用三、井温资料的定量分析 根据Ranmey等人提出的用流动井温资料估算流量的基本公式，对于注入井：)274(e)AgTT(AgzgT)t,z(TA/zGGSfiGGGSf式中 深度，ft；t 总注入时间，；f（，）井内流体的温度，0F；平均地温
20、梯度，0Fft；地表温度，A驰豫距离，ft；Tfi注入流体的温度，0F。第三节 井温资料的应用对于生产井，井内流体温度的表达式为：)284(e)AgTT(AgzgT)t,z(TA/zGGefeGGGef式中 产液点的地温，0F；fe进入井筒的流体温度，0F；距流体入口处以上的距离，ft。注：式(4-27)和式(4-28)只适用于射孔层间的井段上 当流量和t大于数天时，驰豫距离A 1.66f()f (429)式中 f流体密度；f流体的比热，对淡水f1.0，对油气f略小于1。第三节 井温资料的应用当天时，()可由下式估算：)304(290.0t2rln)t(fce式中 ce 套管外径，ft；地层热
21、扩散系数，ft2。Romero-Juarez提出了求解A的简单方法。对式(4-28),在任一点对求导：A/zGGefeGfe)AgTT(A1gdzdTA/zGGefeGGGefe)AgTT(AgzgTT 第三节 井温资料的应用)zgT(TdzdTAGGeff)314(dzdTTT|AffG 式(4-31)中G由地温梯度线给出，f和f/由流动井井温曲线给出。当f、f、f(t)及A已知或求出后，便可由式(4-29)估算体积流量。对于注入井，除可按式(4-29)计算各分层流量外，还可按以下简单形式：)324(GTKq式中 Gf；f/，值可用地温梯度值代替。K值与注入流体的物理性质及地层性质有联系。当射孔段上流体和岩 石性质变化不大时，对一定注入量的井K值认为是一个常数。GeGzG，表示数据点地温，则A的估计式为：第三节 井温资料的应用u如图4-19是一口根据注入井流动井温资料解释各层注入量的实例，A层上部对应的总流量t250d，14，层和B层之间对应于B层的吸水量，230F。首先计算B层的吸水百分比和注入量：b213475 btb2500.75187.5(d)A层计算结果为：a10.750.25 ata62.5(d)
