An in-well heat-tracer-test method for evaluating borehole flow conditions

Abstract

An improved method is presented for characterizing vertical borehole flow conditions in open boreholes using in-well heat tracer tests monitored by a distributed temperature sensing (DTS) system. This flow logging method uses an electrical resistance heater to warm slugs of water within bedrock boreholes and DTS monitoring of subsequent heat migration to measure borehole flow characteristics. Use of an electrical resistance heater allows for controlled test initiation, while the DTS allows for detailed monitoring of heat movement within the borehole. The method was evaluated in bedrock boreholes open to Cambrian sandstone formations in south-central Wisconsin (USA). The method was successfully used to measure upward flow, downward flow, and zero flow, and to identify changes in borehole flow rates associated with fracture flow and porous media flow. The main benefits of the DTS-monitored in-well heat tracer test method of borehole flow logging are (1) borehole flow direction and changes in borehole fluid velocity are readily apparent from a simple plot of the field data, (2) the case of zero vertical borehole flow is easily and confidently identified, and (3) the ability to monitor temperatures over the full borehole length simultaneously and in rapid succession provides detailed flow data with minimal disturbance of the borehole flow. The results of this study indicate that DTS-monitored in-well heat tracer tests are an effective method of characterizing borehole flow conditions.

Résumé

Une méthode améliorée est présentée pour caractériser les conditions d’écoulement vertical en forage ouvert en utilisant des tests de traçage à la chaleur par un système (DTS) de suivi de la température de manière distribuée. Cette méthode d’enregistrement du flux utilise un appareil chauffant à résistance électrique afin de chauffer des masses d’eau des forages en trou nu dans la roche, ainsi que le suivi DTS de la migration provoquée de la chaleur afin de mesurer les caractéristiques d’écoulement du forage. L’utilisation d’un appareil chauffant à résistance électrique permet le contrôle de l’initiation des tests alors que le DTS permet un suivi détaillé du mouvement de la chaleur au sein du forage. La méthode a été évaluée dans des forages en trou nu dans la roche interceptant les formations des grés du Cambrien dans le Wisconsin central du Sud (Etats-Unis d’Amérique). La méthode a été utilisée avec succès pour mesurer les écoulements ascendants, descendants et les flux nuls, et pour identifier les modifications dans le forage des vitesses d’écoulement associées aux écoulements de fracture et de milieu poreux. Les principaux avantages de la méthode d’essais de traçage par chaleur en puits suivi par DTS pour l’enregistrement des écoulements en forage sont (1) la direction d’écoulement en forage et les changements de vitesses du fluide en forage sont évidents à partir d’un simple graphique de données de terrain, (2) le cas d’un écoulement vertical nul en forage est facilement et en toute certitude identifié, et (3) la possibilité de mesurer les températures sur toute la longueur d’un forage de manière simultanée et répétée rapidement fournit des données détaillées de flux avec une perturbation minimale sur l’écoulement dans le forage. Les résultats de cette étude indiquent que les tests de traçage à la chaleur en forage suivi par DTS constituent une méthode efficace pour caractériser les conditions d’écoulement en forage.

Resumen

Se presenta un método mejorado para caracterizar de las condiciones de flujo vertical en pozos abiertos utilizando pruebas con trazadores de calor dentro del pozo monitoreados por un sistema distribuido de detección de temperatura (DTS). Este método de registro de flujo utiliza un calefactor de resistencia eléctrica para calentar volúmenes de agua dentro de pozos en la roca de base y el monitoreo DTS de la migración de calor posterior para medir las características de flujo en el pozo. El uso de un calefactor de resistencia eléctrica permite el control de la iniciación de la prueba mientras que el DTS permite un seguimiento detallado del movimiento de calor dentro del pozo. El método se evaluó en los pozos de la roca de base abiertos en formaciones de arenisca del Cámbrico en el centro-sur de Wisconsin (EE.UU.). El método se utilizó con éxito para medir el flujo ascendente, el flujo descendente y el flujo nulo, y para identificar cambios en las tasas de flujo del pozo asociados con el flujo en fracturas y el flujo en el medio poroso. Las principales ventajas del método de las pruebas con trazadores de calor los monitoreados con DTS en pozos para el registro del flujo en la perforación son (1) la dirección del flujo y los cambios en la velocidad del fluido en el pozo son evidentes rápidamente a partir de un diagrama simple de los datos de campo, (2) el caso de un flujo vertical nulo en el pozo es fácilmente y confiablemente identificado, y (3) la capacidad para monitorear las temperaturas superiores a través de la longitud total del pozo de forma simultánea y con una rápida sucesión proporciona datos detallados de flujo con una mínima perturbación del flujo en el pozo. Los resultados de este estudio indican que las pruebas de monitoreo DTS en pozos por ensayos de trazadores de calor son un método efectivo para caracterizar las condiciones de flujo en el pozo.

摘要

本文展示了通过由分散热敏系统监测的井内热量示踪实验描述垂直钻孔水流条件特征的改进方法。这个水流记录方法采用电阻加热器加热基岩钻孔内的水管及开展随后热量迁移的分散热敏系统监测,测量钻孔水流特征。采用电阻加热器可以启动控制实验,而分散热敏系统可以详细监测钻孔内的热量运移。在(美国)威斯康星州中南部寒武砂岩层基岩钻孔中对该方法进行了评估。成功利用该方法测量了上向流量、下向流量和零流量,并确定了与断裂水流和孔隙介质水流相关的钻孔水流的变化。分散热敏系统监测的钻孔水流记录井内热量示踪试验方法的主要好处是:(1)从现场资料的简单标绘上就能很容易看清楚钻孔水流方向和钻孔流体速度变化;(2)垂直钻孔零流量的情况很容易并且毫无悬念地确定;(3)同时接连不断监测整个钻孔上的温度的能力提供了钻孔水流受到最小干扰的详细水流资料。本研究结果表明,分散热敏系统监测的井内热量示踪试验方法是描述钻孔水流条件特征的有效方法。

Resumo

Um método aperfeiçoado é apresentado para caracterizar as condições de fluxo vertical em poços não revestidos usando ensaios com traçadores de calor em poços monitorados por um sistema de sensoriamento de temperatura distribuidos (STD). Este método de registro de fluxo emprega um aquecedor com resistência elétrica para aquecer parcelas de água em poços não revestidos em rocha e por meio do monitoramento do STD da subsequente mudança térmica para avaliar as características de fluxo no poço. A utilização de um aquecedor de resistência eléctrica permite iniciar o teste, enquanto o STD permite monitorar detalhadamente o movimento de calor no interior do poço. O método foi avaliado em poços sem revestimento perfurados em arenitos cambrianos da região centro-sul de Wisconsin (EUA). O método foi utilizado com sucesso para medir o fluxo ascendente, o fluxo descendente, a ausência de fluxo e para identificar as alterações nas taxas de fluxo nos poços associadas ao fluxo nas fraturas e no meio poroso. Os principais benefícios do método de monitoramento pelo STD em testes de traçadores de calor em poços abertos: (1) a direção do fluxo e mudanças na velocidade do fluido no interior do poço são facilmente visíveis a partir da plotagem dos dados de campo, (2) a ausência de fluxo vertical no interior do poço é identificada de modo fácil e confiavel, e (3) a capacidade de monitorar as temperaturas ao longo da extensão do poço simultaneamente e em rápida sucessão, fornece dados detalhados de fluxo com o mínimo de perturbação no fluxo do poço. Os resultados deste estudo indicam que o monitoramento de pelo STD em testes de traçadores de calor em poços abertos são um método eficaz de caracterização das condições do fluxo em poços abertos.