thermal models in emeraude a sensitivity study

23
Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 19882011 Emeraude 2.60 1/23 Thermal models in Emeraude A Sensitivity Study This document aims at helping the Emeraude user to understand the differences between the Segmented Model and the Energy Model, facilitating the selection of one or the other when interpreting a PL job. This document provides a brief theoretical description of each model, followed by a sensitivity study exhibiting the influence of different parameters (geophysical, geometrical or PVT) on these models. Finally, time dependency for both models is compared and the Energy model is checked versus a real multiphase case exhibiting the possible importance of annular free convection.

Upload: others

Post on 02-Apr-2022

6 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 1/23 

 

 

Thermal models in Emeraude 

A Sensitivity Study 

 This  document  aims  at  helping  the  Emeraude  user  to  understand  the  differences  between  the Segmented  Model  and  the  Energy  Model,  facilitating  the  selection  of  one  or  the  other  when interpreting a PL job.  This  document  provides  a  brief  theoretical  description  of  each model,  followed  by  a  sensitivity study  exhibiting  the  influence of different parameters  (geophysical,  geometrical or PVT) on  these models. 

Finally, time dependency for both models is compared and the Energy model is checked versus a real multiphase case exhibiting the possible importance of annular free convection. 

   

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 2/23 

 

Table of Contents I.  Physical properties of some common materials ............................................................................. 3 

II.  Segmented Model ........................................................................................................................... 4 

I.a.   Theory ...................................................................................................................................... 4 

I.a.1  Within inflow zones ............................................................................................................. 4 

I.a.2  Between inflow zones ......................................................................................................... 5 

I.b.   Sensitivity analysis ................................................................................................................... 5 

I.b.1  dP Joule‐Thomson ............................................................................................................... 6 

I.b.2  Heat loss coefficient ............................................................................................................ 7 

I.b.3  Parameters acting on the HLC ............................................................................................. 7 

I.b.4  Fluid heat capacity ............................................................................................................... 9 

I.b.5  Fluid thermal conductivity ................................................................................................. 10 

I.b.6  Sensitivity summary .......................................................................................................... 10 

III.  Energy model ............................................................................................................................. 11 

II.a.   Theory .................................................................................................................................... 11 

II.a.1  Mass balance ..................................................................................................................... 11 

II.a.2  Energy balance .................................................................................................................. 11 

II.a.3  Heat loss coefficient calculation ........................................................................................ 13 

II.a.4  Pressure drop calculation .................................................................................................. 14 

II.b.   Sensitivity analysis ................................................................................................................. 15 

II.b.1  Reservoir thermal conductivity ..................................................................................... 15 

II.b.2  Reservoir radius ............................................................................................................. 15 

II.b.3  Fluid heat capacity ......................................................................................................... 16 

II.b.4  Heat loss coefficient ...................................................................................................... 16 

II.b.5  Parameters acting on the HLC ....................................................................................... 18 

II.b.6  Parameters acting on heat transport from/to the reservoir ......................................... 19 

II.b.7  Sensitivity summary ...................................................................................................... 21 

IV.  Influence of other parameters .................................................................................................. 22 

III.a.   Time dependency .................................................................................................................. 22 

III.b.   Annular free convection .................................................................................................... 22 

 

   

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 3/23 

 

I. Physical properties of some common materials  The heat  transfer magnitude along  the wellbore, across  the completion and  through  the reservoir, strongly depends on  the  thermal properties of  these  elements:  reservoir  rock, well  fluids,  tubing, casing and cement.  

The following table gives typical values for thermal properties (in different set of units) and density of some common materials. 

  Thermal conductivity  Heat capacity  Density 

W/(m.K)  Btu/(ft.D.°F)  J/(kg.K)  Btu/(lbm.°F)  kg/m3 

Aluminum  204 – 250  2830 – 3470  875  0.21  2700 

Carbon steel  36 – 54  500 – 750  480  0.12  7840 

Alloy steel  26 – 49  360 – 675  500  0.12  7750 – 8050 

Stainless steel  11 – 37  155 – 510  500  0.12  7900 

Concrete  0.4 – 1.7  5.6 – 23.6  650 – 960  0.18 – 0.23  1750 – 2400 

Cement  0.29 – 1.73  4 – 24  780 – 1550  0.2 – 0.37  1200 – 2200 

Earth  0.6 – 8  8 – 111  1200  0.29  5500 

Limestone  1.26 – 1.33  17.5 – 18.5  840  0.2  1500 – 2600 

Sandstone  1.7  23.6  920  0.22  1770 – 2580 

Water  0.56 – 0.60  7.8 – 8.3  4180  1  1000 

Air  0.025  0.35  1000  0.24  1.29 

Insulating mat.  0.035 – 0.16  0.48 – 2.22  ‐  ‐  ‐ 

Tab. 1: Physical properties of common materials at standard temperature 

In absence of accurate information regarding a specific job, this table could be used as a guide by the user, recalling that usually: 

‐ The thermal conductivity (K) order of magnitude is: Kgas     <   Kliq ≈ Kcem   <   Kres     <   Ktbg ≈ Kcsg  ≈ Ktbg / 1000    ≈ Ktbg / 100             ≈ Ktbg / 10 

‐ The specific heat capacity (Cp) order of magnitude is: Cptbg ≈ Cpcsg   ≤  Cpres ≈ Cpcem  ≤  Cpgas ≈ Cpliq  ≈ Cpgas / 20    ≈ Cpgas / 10       

‐ The density (ρ) order of magnitude is: ρgas     <   ρliq     <  ρres  ≈ ρcem  <  ρtbg  ≈ ρcsg ≈ ρtbg / 10000    ≈ ρtbg / 10              ≈ ρtbg / 5   

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 4/23 

 

II. Segmented Model  

II.a.   Theory Two distinct models are used, whether the simulation is made within, or outside inflow zones. 

II.a.1  Within inflow zones The temperature is calculated from enthalpy balance.  

  

The enthalpy of the fluid at the bottom of the inflow zone is calculated as: 

 Tb, the bottom temperature,  is read directly from the reference temperature  log. The Cp’s are the heat capacities of the various fluids, defined in the PVT model. The enthalpy at the top of the inflow zone is given by: 

 It is assumed that the geothermal temperature profile is given. The incoming fluids are supposed to enter at a  temperature equal  to  the geothermal  temperature at  the mid‐point of  the  inflow zone, Tgeo. For the gas, the entry temperature is corrected for Joule‐Thomson.  Joule‐Thomson: For the gas, an isenthalpic process is assumed, leading to:  

  Enthalpy balance between the top and bottom of the inflow zone gives: 

 Therefore: 

  Note  that  this equation does hold only  if all  the contributions are positive. Extensions are made  in other situations.    

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 5/23 

 

II.a.2  Between inflow zones With Reference to the SPE Reprint Series No 19, and more specifically the paper "Use of Temperature Log For Determining Flow Rates in Producing Wells", by Curtis & Witterholt, the temperature above a fluid entry zone is given by: 

  

This equation was introduced by Ramey. Tf   = wellbore temperature TGe   = geothermal temperature at depth of fluid entry gG   = geothermal gradient z   = distance from fluid entry measured upwards Tfe   = wellbore temperature at depth of fluid entry A   = relaxation distance 

 Under certain assumptions, the relaxation distance A can be expressed as:  

 In Emeraude, the user is asked to input a Heat loss coefficient equal to the inverse of: 

  Heat loss coefficient: it can be expressed using the formation heat conductivity, and diffusivity. The time  function,  f(t),  is given by Ramey and  could  then be  calculated  knowing  the production  time. Another  approach  allows  calculating  this  coefficient directly  from  the  log,  if  the  surface  rates  are known. Both approaches are available  in Emeraude, but note that  in the  latter case, the calculation will be done automatically when reaching Zone Rates the first time. Also, the heat loss coefficient can be included in the regression when matching surface conditions (only if kept constant over the entire log interval).   II.b.   Sensitivity analysis  As described above, two parameters are governing the Segmented Model:  ‐ Delta‐P Joule‐Thomson (dPJT):   applies on the  inflow zones to quantify a temperature change 

due to a pressure change. However, the equation describing the heat transfer from the reservoir to  the  well  neglects  several  phenomena  such  as:  thermal  conduction,  kinetic  and  potential energy changes.  In order to properly consider them, the dP value must be corrected for these effects: as it corresponds to a non linear equilibrium, the correction cannot be simply evaluated a priori, but must be obtained by a trial and error procedure. 

‐ Heat loss coefficient (HLC): applies between the inflow zones and accounts for the heat transfer by conduction in the reservoir and across the completion. 

The  following  figures show the  influence of dPJT and HLC on the Segmented Model predictions, as well as  the  influence of other parameters on  the HLC. The  results have been obtained by  running several  cases  on  a  single  phase  gas  producer  (methane),  with  three  contributing  zones  (this corresponds to Emeraude Guided Session B10). 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 6/23 

 

 

Fig. 1: Temperature profiles for different dPJT 

 

Fig. 2: Temperature profiles for different HLC 

II.b.1  dP Joule‐Thomson Fig. 1 above shows the thermal profiles predicted by the Segmented Model when the dPJT (pressure drop) increases from 0 psi ( ) to 100 psi ( ), the zone contributions being unchanged from one case to another. The calculated temperature profiles range from 163.8°F to 166.6°F.  

Starting from the geothermal ( ) below the lower inflow (white zones visible on the zones track), the cooling over  this  inflow  increases with dPJT. Then, between  the bottom  inflow and  the middle one, the Segmented Model restarts calculating the temperature from the geothermal with the same HLC  for all cases, and  independently of  the  temperature  found at  the  top of  the  inflow below: all curves  are  identical. When  reaching  the middle  inflow,  the  dPJT  induces  a  cooling  as  expected, although possibly counter balanced by the heating  induced by the temperature of the fluid coming from below and the thermal conduction through the reservoir. 

The  dPJT  effect  is  only  on  inflow  zones:  the  higher  the  pressure  drop,  the  higher  the  cooling, although this cooling may sometimes not entirely counter balance the geothermal effect. 

 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 7/23 

 

II.b.2  Heat loss coefficient Fig. 2 above shows the thermal profiles predicted by the Segmented Model when the HLC increases from 0.1 W/(m.°C) ( ) to 1000 W/(m.°C) ( ), the zone contributions being kept unchanged. The calculated temperature profiles range from 164.2°F to 166.6°F.  

Starting  from  the geothermal  ( ) below  the  lower  inflow,  the dPJT value  induces an  important cooling over  this  inflow. There  is no effect of  the HLC. Then, between  the bottom  inflow and  the middle one, the HLC governs the heat transfer, and it can be seen that the larger the HLC, the more the  temperature  tends  to  the  geothermal.  This  is due  to  an  increasing  thermal  conduction  effect through  the  wellbore,  which  tends  to  homogenize  the  temperature  at  each  depth.  Then  in  the middle  inflow, the dPJT governs the heat transfer and the HLC value has no effect  (note that  in all case,  as  explained  in  section  I.a,  the  temperature  restarts  from  the  input  thermal  profile  at  the bottom of the inflow). Between the middle and the top inflow, again, the increasing HLC induces an increasing  thermal    conduction and makes  the  thermal profile  tends  to  the geothermal.  It  can be noticed  that  the  temperature can stabilize above  the geothermal, as shown  in  this example,  if  the conduction  is  not  large  enough  to  overcome  the  heat  transported  by  convection  by  the moving fluids. The same explanation holds for the last inflow and above. 

The  HLC  effect  is  only  between  inflow  zones:  the  higher  the  HLC,  the  higher  the  temperature tendency  to  homogenize  and  reach  the  geothermal  profile  at  each  depth.  However,  this  can sometimes be counter balanced the heat transported by convection by the moving fluids. 

II.b.3  Parameters acting on the HLC In  the segmented model,  the HLC accounts  for conduction across  the completion as well as  in  the reservoir.  Several  parameters  can  then  affect  its  value,  such  as  the  thermal  conductivity  of  the completion materials and the reservoir rock, or the production time. 

0

10

20

30

40

50

60

70

0.01 0.1 1 10 100

HLC = f(Ke) ‐ Ke [W/m/°C]HLC = f(Cpe) ‐ Cpe [Btu/lbm/°F]HLC = f(ρe) ‐ ρe [g/cc]

 

Fig. 3: HLC in W/(m.°C), function of the reservoir physical properties 

The dependency of the HLC on different reservoir properties is shown on the previous graph (Fig. 3, thermal  conductivity,  Ke,  heat  capacity,  Cpe,  and  density,  ρe).  It  can  be  noticed  that  while  the 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 8/23 

 

reservoir density and heat capacity have a negligible effect,  the  thermal conductivity presents a strong effect on the HLC value (exponential increases of HLC with the increase of Ke). 

0

1

2

3

4

5

6

7

0.01 0.1 1 10 100

HLC = f(csg K) ‐ csg K [W/m/°C]HLC = f(cem K) ‐ cem K [W/m/°C]

 

Fig. 4: HLC in W/(m.°C), function of the completion material thermal conductivity 

The dependency of the HLC on the thermal conductivity of the completion materials can be seen on Fig. 4 above (casing thermal conductivity, csg K, and cement thermal conductivity, cem K). It shows that  the  influence  of  both  parameters  on  the  HLC  is  (1)  of  the  same  order  of magnitude,  (2) bounded by an asymptote, (3) can be negligible when compared to the rock thermal conductivity effect  (see above), and  (4)  is comparable  in magnitude  to  the other  rock properties effects  (see above). 

1

10

100

1000

0.01 100 1000000 1E+10 1E+14 1E+18

HLC = f(t prod) ‐ t prod [hr]

 

Fig. 5: HLC in W/(m.°C), function of the production time 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 9/23 

 

The dependency of the HLC on the production time can be seen on Fig. 5 above.  It shows that the longer  the  production  time,  the  lower  the HLC,  i.e.  the  smaller  the  thermal  conduction  effect. Further remarks on the time dependency of the Segmented Model  is given  in a  later section, when comparing both the Segmented Model and the Energy Model. 

II.b.4  Fluid heat capacity Fig. 6 below shows the thermal profiles predicted by the Segmented Model when the produced fluid specific heat  capacity  (Cpg)  increases  from 0.043 Btu/(lbm.°F)  ( )  to 9.9 Btu/(lbm.°F)  ( ),  the zone  contributions  being  unchanged  and  identical  on  each  zone  (initial  solution  of  the  global improve). The calculated temperature profiles range from 163.7°F to 166.6°F.  

   

Fig. 6: Temperature profiles for different Cpg  Fig. 7: Temperature profiles for different Kg 

Starting  from  the geothermal  ( ) below  the  lower  inflow,  the dPJT value  induces an  important cooling over this inflow. It can be seen that the higher the fluid heat capacity, the lower the cooling effect on  the  inflow  zones  (the  same  can be  seen on each  inflow):  the  fluid heat  capacity effect 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 10/23 

 

counter balances the pressure drop effect on inflow zones, by facilitating convective heat transport by the fluid coming from below. Between the inflows, the temperature profile has a tendency to stay close to the temperature at the top of the  inflow below when the fluid heat capacity  is  increasing: between  the  inflows,  the  fluid heat  capacity  tends  to  counter balance  the  thermal  conduction  , again by facilitating convective heat transport by the fluid coming from below. 

II.b.5  Fluid thermal conductivity Fig. 7 above shows the temperature profiles predicted by the Segmented Model when the produced fluid  thermal conductivity  (Kg)  increases  from 0.01 W/(m.°C)  ( )  to 40 W/(m.°C)  ( ),  the zone contributions being kept unchanged and identical on each zone. The calculated temperature profiles range from 164.2°F to 166.6°F. 

It  can  be  seen  that  increasing  the  fluid  thermal  conductivity  has  no  influence  on  the  thermal response given by the model. 

II.b.6  Sensitivity summary The  following  table  summarizes  the  effects  identified when  increasing  the  value  of  the  different parameters considered in this sensitivity study. 

Parameter  Effect 

dPJT  Inflow zones:  Cooling 

HLC  Between inflow:  T. homogenizes and tends to geothermal 

Fluid Cp  Inflow zones: Between inflow: 

T. homogenizes and tends to geothermal T. tends to the T. above or below (flow direction) 

Fluid K    No effect 

Res. thermal cond.  Between inflow:  On HLC only – Large T. homogenizes and tends to geothermal 

Production time  Between inflow:  On HLC only – Large T. tends to the T. above or below (flow direction) 

Res. Cp and ρ  Between inflow:  On HLC only – Small 

Casing thermal cond.  Between inflow:  On HLC only – Small 

Cement thermal cond.  Between inflow:  On HLC only – Small 

Tab.2: Segmented Model sensitivity to various parameters 

 

   

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 11/23 

 

III. Energy model 

III.a.   Theory In  this model  the wellbore  is discretized  into small well segments. Each segment  is defined by its bottom pressure ( ) and temperature 

( ),  its bottom mass  flow rate  ( ) and  its 

mass  contribution  from  the  reservoir  ( ). 

Note that we refer hereafter to mass rates by and  to  volumetric  rates  by  .  The 

wellbore/reservoir  interface  is  defined  by  its pressure  ( )  and  temperature  ( ),  while 

the  reservoir  is  characterized,  far  from  the well,  by  its  geothermal  temperature  ( ) 

and by its average pressure ( ). 

−sP

−sT

q

−sq

Q

sfT

isq

geoT

sfP

eP  

Fig. 8: well discretization

III.a.1  Mass balance The mass balance equation applied to each segment gives: 

 

Where )2

,2

(~ −− ++= ssss TTPPρρ  denotes the average segment density.  

III.a.2  Energy balance Energy conservation equations can be written for the individual well segments on the one hand, and for the reservoir part on the other hand. We will refer to these equations as E1 and E2 respectively, and expressions are given below for different flow directions. The resulting set of equations needs to be  solved  simultaneously  for  the  couple of unknown  ( ), which  is performed by  an  iterative 

method until convergence is achieved.  sfs TT ,

For a producer, the temperature  is updated starting from the  lowest producing segment and going up the well to the top reservoir. For an injector, it is updated from the injection point going down the well.  

The schematics below are respectively showing three different configurations: a producer (Fig. 9a), a producer with thief(s)  inflow zones (Fig. 9b), and an  injector (Fig. 9c). The corresponding equations 

are given next, where tildes denote averaged segment quantities and ,  .  2wrA ⋅= π dLrA wsf ⋅= π2

 

 

 

−−− ⋅+⋅=+= ssississ QQqqq ρρ~

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 12/23 

 

 

(Fig. 9a) 

 

(Fig. 9b) 

  

(Fig. 9c)

   

( ) 0~22

12

12

12

2

22

2

22

2

2 =−⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅+⋅+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅+⋅

−−−− ssfwb

sf

is

sfsfis

s

sss

s

ssss TTDdlgq

Ahqq

Ahqdlgq

AhQ

ρρρρ1 =E

a) Energy equations for a producer (Fig. 9a):  

 

 

b) Energy equations for a producer with a thief zone (Fig. 9b):  

 

 

c) Energy equations for a injector (Fig. 9c):       

The energy balance  in each well element  (E1)  includes convective heat  fluxes  (the  internal, kinetic and potential energy being transported by fluid movement from / to the segment below, above and the  reservoir),  as well  as  conductive heat  flux between  the wellbore  sand  face  and  the  segment itself.   The  reservoir  energy  balance  (E2)  considers  convective  heat  fluxes  (the  internal,  kinetic  and potential  energy  being  transported  by  fluid movement  from  /  to  the  well  segment),  as  well  as 

( ) ( ) 0~2

12 2

2

2 =−⋅+−⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅+⋅= geosfresssfwbres

sf

is

sfsfis TTDTTDhq

AhqE

ρ

( ) 0~2~2

1~2

12

12

2

22

2

22

2

2 =−⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅+⋅−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅+⋅

−−−− ssfwb

is

sfis

s

sss

s

ssss TTDdlgq

Ahqq

Ahqdlgq

AhQ

ρρρρ1=E

( ) ( ) 0~~2

1~2 2

2

2 =−⋅+−⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅+⋅−= geosfresssfwbres

is

sfis TTDTTDhq

AhqE

ρ

( ) 0~2~2

1~2

12

11 2

2

22

2

22

2

2 =−⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅−⋅+⋅−⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅+⋅+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅+⋅−= ++

−−− ssfwb

is

sfis

s

ssss

s

sss TTDdlgq

Ahqdlgq

AhQq

AhqE

ρρρ

ρ

( ) ( ) 0~~2

1~2 2

2

2 =−⋅+−⋅+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⋅+⋅−= geosfresssfwbgeo

is

sfis TTDTTDhq

AhqE

ρ

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 13/23 

 

conductive  heat  flux  between  the wellbore  sand  face  and  the  segment  itself,  and  between  the wellbore sand face and the reservoir.  The conductance terms, D’s, are computed based on the well completion and reservoir parameters information (see HLC calculation below). In these equations, the enthalpies (h), densities (ρ) and flow rates (q, Q) are those of the fluid mixture.  

Finally,  to  close  the  system,  the  external  sand  face, ,  and  the  reservoir  pressure, , must  be 

known: these can either be user  inputs or calculated by Emeraude on the basis of the well and the reservoir description (see Pressure drop calculation below). 

sfP eP

III.a.3  Heat loss coefficient calculation The thermal conductance terms are defined as:  

)/ln(/2*weresres rrdLD ⋅⋅= πλ

wwb rdLUD ⋅⋅⋅= π2  

The Heat Loss coefficient (HLC) is defined as  wrUHLC ⋅⋅= π2 where the Heat Transfer Coefficient, 

U, is evaluated from the general formulae: 

)(

lnlnlnln1

rcci

to

cem

co

wto

c

ci

coto

ann

to

cito

t

ti

toto

hhrr

kr

rr

kr

rr

kr

rr

kr

rr

U ++

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

=

Where   denote  thermal conductivities and  terms   and   are corrective  terms accounting  for 

the annulus  free convection and  the annulus radiation respectively  (Hassan and Kabir, 2002). Note that  the presence of  these corrective  terms  for  the annulus  introduces a dependence of U on  the temperature,  increasing  the  nonlinearity  of  the  system,  which  may  lead  to  a  large  increase  in computational time. It  is hence recommended NOT to use these corrections unless for very specific problems such as when the annulus is filled with gas.  

k ch rh

Neglecting the free convection and radiation in the annulus, we can rewrite 

)2()1(

)2()1(

1

2

ln

2

ln

2

ln

2

ln

wbwb

wbwb

cem

co

w

c

ci

co

ann

to

ci

t

ti

to

wb DDDD

kr

r

kr

r

kr

r

kr

r

dLD+⋅

=

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⋅

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⋅

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⋅

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⋅=

ππππ

1

)1(

2

ln

2

ln−

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⋅

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⋅=ann

to

ci

t

ti

to

wb kr

r

kr

r

dLDππ

1

)2(

2

ln

2

ln−

⎥⎥⎥⎥

⎢⎢⎢⎢

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

+⋅

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

⋅=cem

co

w

c

ci

co

wb kr

r

kr

r

dLDππ

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 14/23 

 

Where   accounts  for  tubing and annular, and  accounts  for casing and cement. Note  that 

the  first  term needs a  thermal conductivity  for  the annular and should be  taken  into account only when the static annular fluid is known (typically only above the production packer).  

)1(wbD )2(

wbD

If the annular/tubing term is not to be taken into account (infinite conductivity):  .  )2(wbwb D=D

In the special case of a tubing leak into the annulus, the thermal conductivity of the annulus is taken as equal to that of the flowing fluid mixture in the annulus. 

III.a.4  Pressure drop calculation In  the absence of prescribed external pressure needed  to  compute  the enthalpy  (see equation E2 above), one can  try  to back‐calculate  this pressure based on  the well skin  (S),  the geometry of  the perforations and the reservoir characteristics. 

 

These pressure drops are computed iteratively at the average pressure point and at flowing wellbore temperature, in order to fulfill: 

  

The viscosity is the mixture viscosity at the average pressure. The external pressure is then computed iteratively:  

Positive skin  

   Negative skin 

   

])ln([2

)(G

T

THsese S

rwreS

Lwh

hkQPPP ++⋅⋅

⋅⋅⋅

=−=Δπ

μ

])[ln(2

)(

][2

)(

};{|

};{|

GTH

TPsfe

T

TH

TPssf

Srwre

hkQ

PP

SLwh

hkQ

PP

sR

sW

+⋅⋅⋅

⋅+=

⋅⋅⋅⋅

⋅+=

πμ

π

μ

])[ln(2

)( };{| SLwhS

rwre

hkQ

PP

PP

TG

TH

TPsfe

ssf

sR ⋅++⋅⋅⋅

⋅+=

=

πμ

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 15/23 

 

The Pseudo‐skin, SG, depends on the slant, the anisotropy, the geometry of the perforations and the formation.  It  is evaluated  from Chen et al.  (1995), with an anisotropic  correction  from Pucknell & Clifford (1991).

III.b.   Sensitivity analysis  As described above, several parameters are governing the Energy Model predictions:  ‐ Reservoir  geophysical  properties:  on  the  inflows. Govern  the  heat  transport  by  the moving 

fluids from or to the reservoir. This includes the Joule‐Thomson effect. ‐ Heat  loss  coefficient  (HLC): over  the  entire well. Governs  the  thermal  conduction  across  the 

completion. ‐ Reservoir thermal properties: over  the entire well. Govern  the  thermal conduction across  the 

reservoir. 

The following presents the influence of these parameters on the Energy Model predictions, as well as the influence of other parameters on the HLC. As for the Segmented Model, this has been obtained by  running  several cases on a  single phase gas producer  (methane), with  three contributing  zones corresponding to Emeraude Guided Session B10. 

III.b.1  Reservoir thermal conductivity Fig. 10 below  shows  the  temperature profiles predicted by  the Energy Model when  the  reservoir thermal  conductivity  (Ke)  increases  from  0.1 W/(m.°C)  ( )  to  1000 W/(m.°C)  ( ),  the  zone contributions being unchanged. The calculated temperature profiles range from 163.9°F to 166.6°F.  

Starting from the geothermal ( ) below the lower inflow, a cooling can be seen over this inflow: it corresponds to an important pressure drop across the reservoir. One can notice that the higher the reservoir  thermal  conductivity,  the  lower  the  cooling.  Then,  between  the  bottom  inflow  and  the middle one, the temperature predicted by the Energy Model tends to the geothermal value, and this tendency increases with Ke.  

As  the  reservoir  thermal conductivity  increases,  the  temperature  in  the well homogenizes  faster  and tends towards the geothermal value. This effect can become predominant. 

III.b.2  Reservoir radius Fig. 11 below  shows  the  temperature profiles predicted by  the Energy Model when  the  reservoir radius (re) increases from 0.03 ft ( ) to 1e5 ft ( ), the zone contributions being unchanged. The calculated temperature profile ranges from 163.9°F to 166.6°F.  

In essence, this would mean that the geothermal profile  is reached further away from the wellbore with  an  increase  in  the  reservoir  radius:  for  a  given  set  of  parameters,  the  bigger  the  reservoir radius, the lower the temperature homogenization due to  conduction. This effect is expected to be opposite  to  that  of  the  production  time,  because  the  larger  the  production  time,  the  closer  the geothermal to the wellbore. 

 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 16/23 

 

 

Fig. 10: Temperature profiles for different Ke 

 

Fig. 11: Temperature profiles for different re 

III.b.3  Fluid heat capacity Fig. 12 below  shows  the  temperature profiles predicted by  the Energy Model when  the produced fluid heat capacity (Cpg) increases from 0.043 Btu/(lbm.°F) ( ) to 9.9 Btu/(lbm.°F) ( ), the zone contributions  being  unchanged  and  identical  on  each  zone.  The  calculated  temperature  profiles range from 164.2°F to 166.6°F.  

It can be seen that at each depth, the temperature below propagates in an easier way: increasing the fluid  heat  capacity  strongly  reduces  the  Joule  Thomson  cooling  effect.  This  facilitates  the  heat transport by convection along the wellbore. 

III.b.4  Heat loss coefficient Fig. 13 below shows the temperature profiles predicted by the Energy Model when the HLC increases from  0.06 W/(m.°C)  ( )  to  630 W/(m.°C)  ( ),  the  zone  contributions  being  unchanged.  The calculated temperature profiles range from 164.1°F to 166.6°F.  

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 17/23 

 

Starting from the geothermal ( ) below the lower inflow, a cooling can be seen over this inflow: it corresponds  to  an  important pressure drop  across  the  reservoir,  independent of  the  value of  the HLC. Then, between the bottom inflow and the middle one, the temperature predicted by the Energy Model tends to the formation temperature close o the wellbore with increasing HLC values.  

As  the  HLC  increases,  the  temperature  homogenizes  faster  and  tends  towards  the  sandface temperature, this effect strongly limited by small reservoir thermal conductivity (Ke) which tends to limit  the  temperature difference between  the  sandface and  the  flowing  fluid  in  the wellbore. The HLC effect would be more pronounced for larger Ke or smaller values of production time, for which the sandface temperature profile would be closer to the geothermal one. 

 

 

Fig. 12: Temperature profiles for different Cpg 

 

Fig. 13: Temperature profiles for different HLC 

 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 18/23 

 

III.b.5  Parameters acting on the HLC Different  parameters  act  on  the  HLC  value,  such  as  the  thermal  conductivity  of  the  completion materials, and the completion geometry. 

The dependency of the HLC on the thermal conductivity of the different completion materials can be seen on the Fig. 14 (casing thermal conductivity, csg K, and cement thermal conductivity, cem K). The plot shows that influence of both parameters on the HLC presents the same behavior, and is limited by  an  asymptote.  For  common  materials,  the  influence  of  the  casing  (or  tubing)  is  usually predominant (the inverse would correspond to unrealistic cement conductivities).  

 

 

Fig. 14: HLC in W/(m.°C), function of the completion material thermal conductivity 

 

The dependency of  the HLC on the completion geometry can be seen on Fig. 15  (ratios of  internal diameter, ID, to outer diameter, OD). This plot shows that influence of the casing thickness, tubing (by extension) and cement  is of the same order of magnitude, and  that  the HLC highly  increases with a decreasing annulus space between the casing and the cement. 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0.01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000

HLC = f(csg K) ‐ csg K [W/m/°C]

HLC = f(cem K) ‐ cem K [W/m/°C]

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 19/23 

 

 

Fig. 15: HLC in W/(m.°C), function of the completion geometry 

 

III.b.6  Parameters acting on heat transport from/to the reservoir Heat  transport  due  to  the  fluid moving  from  the  inflow  zones  to  the well  (or  reverse),  strongly depends on the pressure drop across the considered reservoir zones. In addition, the Joule‐Thomson effect can also play a role.  

As explained earlier, Emeraude allows the user proceeding with one of the following choices: 

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

HLC = f(Csg ID / Csg OD)

HLC = f(Csg OD / Cem OD)

HLC = f(Csg ID / Cem OD)

1‐ Directly enter a pressure drop value for each inflow 2‐ Give the geophysical properties for each inflow together with the well skin, and let Emeraude 

calculates the corresponding pressure drop 

With unchanged zone contributions, each temperature track on Fig. 16 shows, from left to right, the temperature profiles when increasing the following parameters over the top inflow:  

• The pressure drop: from 1 psi to 150 psi,  • The permeability: from 0.1 mD to 1000 mD, • The vertical to radial permeability ratio: from 0.0001 to 1,  • The porosity: from 0.001 to 1, • The skin: from ‐20 to 20.  

 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 20/23 

 

 

Fig. 16: Temperature profiles for varying geophysical parameters  

The white arrows show the temperature profile evolution for an  increase of the above parameters. They point  to  the  left  for an  increase  in  the observed  temperature  cooling, and  to  the  right  for a decrease in the observed temperature cooling. The temperature varies between 157°F and 166.6°F. 

It can be  seen on  the  first  temperature  track  that, as expected,  the  larger  the pressure drop,  the larger the cooling.  

The  second  temperature  track  shows  that  an  increase  in  the  reservoir  permeability  reduces  the cooling: this is because the pressure drop required to achieve the zone contribution is reduced when the permeability increases. Hence, the larger the permeability, the lower the cooling.  

The third temperature track shows that, for a partially perforated interval, an increase in the vertical to  radial  permeability  ratio  reduces  the  cooling;  the  amplitude  of  the  reduction  being  bounded. Again, this is because the pressure drop required to reach the zone contribution is reduced when the vertical permeability  increases. Hence, for a partially perforated  interval, the bigger the vertical to radial permeability ratio, the lower the cooling (although bounded). Note that, because the flow is only radial to the well when considering a fully perforated  interval, there will be no  impact of the permeability ratio on the amplitude of the temperature cooling. 

The  fourth  temperature  track  shows  that  a  porosity  change  has  no  significant  effect  on  the temperature cooling. 

The  fifth  temperature  track  shows  that  an  increase  of  the  skin  value  increases  the  temperature cooling. This is because the pressure drop required to reach the zone contribution is increased when 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 21/23 

 

the skin increases. Hence, the bigger the skin, the bigger the temperature cooling. On the contrary, highly negative skin values induce a small temperature cooling and at a given depth, the temperature is strongly influenced by the temperature of the preceding point in the direction of the flow: for high negative skins, the heat transport by convection along the well dominates. 

 

III.b.7  Sensitivity summary The  following  table  summarizes  the  effects  identified when  increasing  the  value  of  the  different parameters considered in this sensitivity study. 

Parameter  Effect 

Ke    Can be large T. homogenizes and tends to geothermal 

Res. radius    Limits conduction  Limits T. tendency to geothermal 

Fluid Cp   Facilitates convection along the well  

T. tends to T. above or below (dep. flow dir.) 

HLC    Bounded effect T. homogenizes and tends to geothermal 

Kcsg, Ktbg, Kcem     Through the HLC The cement effect is the least 

Material thickness    Through the HLC Slightly increasing when annulus space decreases 

dP  Inflow zones:  Increases the cooling 

Permeability  Inflow zones:  Reduces the cooling 

Permeability ratio  Inflow zones:  Partially perforated intervals: reduces the cooling  Fully perforated intervals: no effect 

Skin  Inflow zones:  Increases cooling High negative skin facilitates convection along the well 

Porosity  Inflow zones:  No effect 

Tab.3: Energy Model sensitivity to various parameters 

 

     

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 22/23 

 

IV. Influence of other parameters 

IV.a.   Time dependency Time dependence of the models  is taken  into account only when considering the heat transport by conduction:  it appears  in the expression of the HLC. The following tracks show the evolution of the temperature profile at different production times in a single phase case, with one producing interval at  the very bottom:  the geothermal profile  is  in  red,  the Energy Model prediction  in blue and  the Segmented Model prediction in green. 

 Temperature profiles at different production times predicted by both models 

The Energy model solution appears to be more physically acceptable, as it is bounded, whereas the Segmented Model predicts a continuous increase of the temperature over the depth interval, due to the unlimited conduction effect carried over by the HLC. 

IV.b.   Annular free convection The Energy Model allows considering annular free convection when evaluating the heat transfer. This is often negligible, but  it may have  a  significant  impact on  the  solution when  the  annular  fluid  is particularly  sensitive  to  the  thermal  gradient  existing  across  and  along  the well  (typically, when invaded with gas). 

The  following plot shows  the multiphase  field case described by Hassan & Kabir  in SPE 22948. The red dots correspond to the measurements, the blue curve to the Energy Model without considering the annular free convection, and the green curve considering annular free convection. 

Emeraude thermal models: a sensitivity study © KAPPA 1988‐2011    Emeraude 2.60 ‐ 23/23 

 

 Geothermal ( ) and temperature profiles with ( ) and without ( ) free convection compared 

to measurements ( ) 

This shows the importance of the annular free convection and it also provides a good assessment of  the Energy Model  in multiphase  flow  (the  single phase  case has been  checked  versus a Rubis simulation, see Emeraude guided session B10).