WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ

им. О. Ю. ШМИДТА РАН

На правах рукописи

КУРБАНОВ АБДУЛГАДЖИ АХМЕДОВИЧ

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ  ФЛЮИДОСОДЕРЖАЩИХ КОЛЛЕКТОРОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПОРОВОГО ДАВЛЕНИЯ

Специальность 25.00.10 – геофизика, геофизические  методы поисков

полезных ископаемых

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва, 2007

Работа выполнена в Институте геологии ДНЦ РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, проф. Ю.А. Попов (МГГРУ, Москва)

доктор физико-математических наук, проф. Г.И. Петрунин (МГУ, Москва)

доктор физико-математических наук, проф. И.В. Голованова (Институт геологии Уфимского научного центра РАН)

Ведущая организация: Геологический институт РАН

Защита диссертации состоится 31 октября 2007 г.  в 11 часов на заседании диссертационного совета  Д.002.001.01 при Институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН по адресу: 123995, ГСП-5, Москва, Д-242, ул. Б. Грузинская, 10.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Автореферат разослан________________ 2007 года.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.002.001.01

К.ф.м-н.                                                                                А.П.Трубицын

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

        В диссертационной работе поставлена актуальная задача, состоящая в совершенствовании и создании аппаратурно-методических основ, проведении фундаментальных исследований теплофизических свойств газо -, водо - и нефтенасыщенных коллекторов (кернового материала) при совместном влиянии изменение  температуры и порового давления, направленные на развитие научного направления, связанного с изучением и установлением закономерностей изменения теплопередачи осадочного чехла земной коры, необходимые для научно обоснованного ведения работ в связи с комплексным освоением ресурсов недр (нефтегазовых, геотермальных и др.), имеющих важное хозяйственное значение. Приводятся примеры применения результатов исследования в геологии, геофизике, геотермии и разработке методических основ при решении некоторых задач.



Актуальность. Изучение теплофизических свойств горных пород осадочного чехла земной коры является задачей геофизических  исследований и имеет важное значение в исследовании его теплового режима, для понимания особенностей природы термодинамических и физико-химических процессов, проведения геотермических работ, прямых поисков и разведки в них минерально-сырьевых ресурсов, в том числе нефти, газа, парогидротерм и других полезных ископаемых. Исследование закономерностей изменения и распределения теплофизических характеристик глубокозалегающих слоев, в условиях моделирующих глубинные залегания, создают предпосылки решению различных геолого-геофизических задач, включая теоретические и прикладные задачи нефтегазовой терморазведки, прогнозирование закономерностей формирования и размещения очаговых зон (нефтегазовых, геотермальных, теплоэнергетических и др.), а также ряда вопросов, связанных с изучением и использованием энергетического потенциала геотермального тепла. В современной научной литературе незначителен накопленный материал по результатам исследования теплофизических характеристик коллекторов в условиях, моделирующих поровые, и связи их аномальных явлений с процессами полиморфизма. Практически отсутствуют обоснованные модели распределения теплофизических характеристик глубинных структур осадочного чехла Восточного Предкавказъя и оценки термодинамической обстановки глубокопогруженных зон. В связи с этим, особое значение придаются экспериментальным исследованиям теплофизических свойств горных пород в условиях, моделирующих совместное влияние поровых давлений и температур. В частности решается задача исследований в условиях, имитирующих пластовые, позволяющих повысить точность и надежность полученных результатов и приблизить их к природной ситуации, что имеет большое значение для правильной оценки глубинных температур и тепловых потоков, выявить связи аномальных явлений теплопроводности - с процессами полиморфизма в зависимости от глубины верхней части земной коры и установить значения этих характеристик и т. д., чему посвящена первая глава диссертационной работы.

Процессы теплопереноса в модельных условиях отвечают особенностям механизма теплопередачи в таких средах в естественной ситуации.

Недостаточность опубликованных данных по теплофизическим свойствам коллекторов, измеренных в условиях, совместного влияния изменения температур и поровых давлений объясняется сложностью техники и методики проведения эксперимента. В связи с вышеизложенным, возникает необходимость решения задачи получения экспериментальных данных теплопроводности флюидосодержащих коллекторов с помощью метода, позволяющего моделировать на установке условия повышенных температур и давлений. Наиболее приемлемым методом исследования флюидонасыщенных коллекторов в этих условиях является компенсационный метод плоского слоя стационарного теплового поля. Важным достоинством компенсационного метода плоского слоя, реализуемого на использованной в данной работе экспериментальной установке, является возможность измерения флюидонасыщенных горных пород при различных температурах и давлениях. Это позволило измерить при совместном их влиянии, в зависимости от рода и вида насыщающего флюида. При этом накоплено значительное количество данных по коллекторов кернового материала и установлены закономерности изменения в этих условиях. Установка и методика позволяют измерить не только горных пород, но и теплопроводность любых веществ. В данной работе экспериментальные и аналитические исследования проведены по изучению теплоемкости и температуропроводности горных пород в широком диапазоне температур и при атмосферном давлении. Получены экспериментальные данные по исследованию плотности и пористости горных пород. Результатами проведенных исследований стали такие фундаментальные выводы, как выявления факта аномального изменения водонасыщенных известняка и мергеля в температурном диапазоне, связанные с полиморфными превращениями. Полиморфное превращение водонасыщенного мергеля экспериментально зафиксировано и сфотографировано. Отмеченное аномальное явление признано Международной Ассоциацией авторов научных открытий, как научное открытие. Результатами исследований стали также ряд важных методических разработок и предложения способов их реализации, включая методику аналитического определения флюидонасыщенных горных пород в условиях, совместного влияния изменения температур и поровых давлений, когда отсутствуют условия ее экспериментального измерения.

Вторая глава работы посвящена описанию аппаратуры, методики и анализа погрешностей лабораторных измерений теплофизических свойств коллекторов. На базе компенсационного метода создан прибор, который в отличие от других вариантов, рассчитан на работу в условиях совместного влияния температур и давлений в широком интервале при насыщении жидким  и газообразным флюидами. Разработан способ, в котором учтены влияние неравномерности температурного поля на результат измерения и погрешности, связанной с отсутствием учета направления начального перепада температур и появления различных неоднородностей теплового поля в измерительной ячейке в процессе термостатирования. В методическом плане эксперимент последовательно усложняется: от изучение температурной зависимости воздушно-сухих образцов до исследования одновременного влияния различных  температур и давлений для газо-, водо- и нефтенасыщенных образцов. Некоторые затруднения в подготовке прибора по полностью оправдывают себя при экспериментальных измерениях. Во–первых, тем, что всевозможные потери градиентного нагревателя контролируются одним гальванометром. Во-вторых, все эти потери компенсируются одним компенсационным нагревателем. Включение в цепь компенсационного нагревателя магазина сопротивлений МСР-63 с наименьшей декадой регулировки 0,01 Ома позволяет устанавливать стационарный тепловой поток в течение продолжительного времени без повторной регулировки. В-третьих, нужно заметить, что отсутствию боковых потерь тепла с самого образца способствует не только меньший диаметр эффективной площади по сравнению с диаметром образца 21 мм, но и компенсационный нагреватель прибора. При измерениях возможные потери градиентного нагревателя непрерывно контролируются одним гальванометром и компенсируются нагревателем. Подсчитаны возможные ошибки измерения описанного метода.

Третья глава содержит результаты изучения теплофизических свойств флюидосодержащих горных пород в условиях совместного влияния пластовых температур и давлений.

Экспериментальные исследования были поставлены на значительной коллекции образцов осадочных пород Восточного Предкавказья, отличающиеся широким спектром петрофизических характеристик, состава и структуры. Были проведены петрографические анализы образцов до и после исследования. Таким образом, полученные экспериментальные результаты зависимости теплофизических характеристик газо-, водо- и нефтенасыщенных коллекторов от совместного влияния изменения температур и поровых давлений имеют важное научное и практическое ценность.

Особое внимание уделено изучению термобарических зависимостей тепловых свойств карбонатных и терригенных пород, насыщенных различными газообразными и жидкими флюидами. Данные такого рода крайне важны для понимания кинетики процесса теплопередачи, поскольку термодинамические параметры являются характерными параметрами этого процесса. Исследование теплопроводности проводилось в интервале температур 293-573К и давлений 0,1-150 МПа. Применительно к этим породам обнаруживается более интенсивное снижение с ростом температуры для нефтенасыщенных коллекторов, чем газонасыщенных. При прочих равных условиях при пересечении скважиной нефтенасыщенных коллекторов в них должен быть выше геотермический градиент, чем при пересечении газонасыщенных коллекторов. Это свойство теплового поля может быть использовано при прямых поисках месторождений. В этой главе, кроме эмпирических зависимостей, получены еще очень важные выводы о природе увеличения водонасыщенных известняка и мергеля , связанные с термохимическими реакциями на контакте твердого тела и воды и, вследствие этого, поглощением тепла. В исследованном диапазоне температур обнаруживается аномальные эффекты теплопроводности, связанные с структурным переходом гипса в ангидрит -. Результаты аномального изменения известняка имеет важное значение при изучении энергетики седименто-литогенеза, т. к. позволяет уточнить количественные оценки элементов энергетического баланса, которые пока, не учитывают изменения расчетных параметров при вариации Р-Т условий. Термобарические зависимости использованы также и для обоснованной оценки теплопроводности вещества осадочного чехла на разных глубинах, и при решении конкретных задач геологии, геофизики, геотермии.

Четвертая глава работы связана с приложением полученных в предыдущих главах результатов к оценке значения теплопроводности литологических комплексов в зависимости от глубины залегания. Рассматривается анализ термических данных и методику использования стандартных термограмм скважин. Проводится оценка теплового поля некоторых месторождений Дагестана и температур на глубинах недостигнутых бурением, интересных в геологическом и геотермическом отношениях. Отмечено, что геотермия осадочных толщ является одной из наиболее сложных областей региональной геотермии, прежде всего, связано с существованием в них нередко весьма значительных вертикальных вариаций величины теплового потока. Такие вариации могут обеспечиваться тепломассопереносом в проницаемых породах, полиморфными превращениями связанными с физико-химическими процессами, на контакте горная порода-вода, сопровождающимися эндотермическими или экзотермическими реакциями, процессами метаморфизм и литогенезом, а также рядом других факторов. Отмечается, что оптимальным условием для расчета теплового потока и оценки глубинных температур является наличие данных по выстоявшимся скважинам. Расчет глубинных температур приводится в предположении о стационарности теплового поля и плоскопараллельности слоев с контрастными теплофизическими свойствами.

Пятая глава работы связана с приложением полученных результатов теплофизических свойств горных пород при разработке методических основ интересных для решения геолого-геофизических и геотермических задач. Данные использованы при разработке методики поиска и разведки залежей флюидных полезных ископаемых. Результаты применены в оценках влияние динамики температурного режима на тепловые параметры и на пористость  коллекторов пласта при закачке отработанного теплоносителя, а также в оценках влияние изменения тепловых и емкостных характеристик пласта на эксплуатационные параметры ГЦС.

       Цель работы заключается в исследовании и выявлении закономерностей изменения теплофизических свойств флюидонасыщенных коллекторов путем получения надежных экспериментальных данных нефте -, газо - и водонасыщенных образцов (кернового материала) в условиях, моделирующих изменение температуры и порового давления в зависимости от совместного влияния этих параметров, от вида и химического состава насыщающей среды; в поинтервальной оценке термобарических коэффициентов теплопроводности исследованных типов горных пород, которые могли бы служить основой для корректного расчетного определения теплопроводности, когда отсутствуют условия ее экспериментального измерения.

Основные задачи исследований.

В соответствии с поставленной целью последовательно решались задачи различного характера от аппаратурно-методических, задач измерения, анализа и обобщения данных, которые в совокупности формируют следующие части данной работы:

1. Выбор методов, конструирование, совершенствование, создание, отладка и повышения качества модификации современных экспериментальных устройств для исследования теплофизических свойств флюидонасыщенных пород – коллекторов.

2. Разработка и совершенствование методических основ для измерения теплопроводности веществ в условиях высоких температур и давлений.

3. Изучение теплопроводности, температуропроводности, теплоемкости, плотности и пористости пород - коллекторов, их обработка и анализ. Экспериментальное исследование термобарической зависимости этих свойств и установление закономерностей их изменения в условиях, моделирующих совместное влияние РТ соответствующих режимам разных глубин.

4. Оценка теплопроводности для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залегания.

       5. Построения моделей распределения термодинамических и теплофизических характеристик по глубинным геологическим разрезам ряда флюидоносных месторождений в осадочном чехле на базе полученных лабораторных результатов, состава литологических комплексов региона.

6. Применение полученных результатов исследований:

- для оценки глубинных температур и тепловых потоков Северного и Южного Дагестан по глубине не достигнутых бурением;

– для разработки методических основ геологии, геофизики и геотермии в связи с комплексным освоением ресурсов недр нефтегазоносных и геотермальных бассейнов, таких как: разработка методики поиска, разведки месторождений флюидных полезных ископаемых (Патент на изобретение № 2117318); расчет проектных параметров рациональных схем ГЦС в задачах отбора глубинного тепла (определение расстояние между подъемными и нагнетательными скважинами, определение сроков службы ГЦС и др.).

7. Расчет термобарических коэффициентов теплопроводности горных пород и рекомендация их для широкого использования на практике.

8. Разработка рекомендаций для использования модифицированного устройства и совершенствованной методики для измерения теплопроводности горных пород в условиях, моделирующих пластовые.

Важность и актуальность решения вышеперечисленных проблем и определила направления развития исследования.

Направление исследования.

       Проведение фундаментальных исследований теплофизических свойств газо -, водо - и нефтенасыщенных коллекторов (кернового материала) при совместном влиянии изменение температуры и порового давления, направленных на осуществление решения крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение в связи с комплексным освоением ресурсов недр (нефтегазовых, геотермальных и др.).

       Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях теплофизических свойств горных пород и теплового режима осадочного чехла в модельных условиях различных давлений, температур и их совместном влиянии. Достоверность и обоснованность полученных  результатов подтверждается надежностью и высокой точностью экспериментальных

данных, полученных с помощью аппаратуры, проверенной на эталонных образцах, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, и корректностью разработанных методик, позволяющих проводить самоконтроль измеряемых значений тепловых характеристик в процессе эксперимента, а также сходимостью полученных результатов с результатами исследований других авторов; - изучением различных типов горных пород, гарантирующего обоснованность выводов, касающихся средних значений и характерных особенностей поведения теплофизических параметров; - проведением петрографического анализа на шлифах образцов до и после исследования; - определением ожидаемой горных пород на глубинах, не достигнутых бурением, с использованием экстраполяции результатов экспериментальных данных.

  На защиту выносятся:

1. Измерительная установка, созданная путем усовершенствования компенсационного метода плоского слоя, повышает надежность и точность определения теплопроводности разнообразных литологических комплексов в диапазоне 293-573К и гидростатических давлений в интервале 0,1-150 МПа, а также в условиях совместного воздействия этих термодинамических факторов на образец при различном его флюидонасыщении под вакуумом.

2. Усовершенствованная методика измерения теплопроводности горных пород при различных термобарических условиях, максимально приближенных к пластовым, с использованием упомянутой установки, позволяет учесть влияние начальных условий термостатирования в измерительной ячейке, путем поддержания оптимального соотношения мощностей основного и охранного нагревателей. Метод обеспечивает учет появления различных неоднородностей теплового поля в измерительной ячейке в процессе термостатирования и наличие погрешности, связанной с отсутствием учета направления начального периода температур. Этим достигается постоянство направления начального теплового потока между блоками указанных нагревателей и повышение точности определения исследуемого параметра.

3. Впервые полученные результаты изучения теплофизических характеристик газо-, нефте- и водонасыщенных коллекторов различного литологического состава в условиях, совместного влияния температур и порового давления, максимально близких к пластовым. Экспериментально зафиксированные и сфотографированные полиморфные превращения водонасыщенных карбонатных образцов и установленные аномальные значения их теплопроводности при 293-573К и 0,1-150 МПа. Установленные новые закономерности и степень изменения теплопроводности в зависимости от характера коллектора, вида и рода насыщающего флюида.

4. Результаты оценок теплопроводности для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залегания.

5. Построенные модели распределения термодинамических, теплофизических характеристик по глубинным разрезам месторождений осадочного бассейна региона.

Научная новизна результатов исследования. Конструирование и создание экспериментальной установки (А. с. СССР № 779870), разработка методических основ определения веществ (А. с. СССР № 760774 ДСП) позволили развить прецизионные теплофизические измерения горных пород насыщенных различными флюидами (воздух, аргон, нефть и вода), связанных с поднятием верхнего предела температуры до 573К и гидростатического давления до 150 МПа при их совместном влиянии на образец и флюид в замкнутой системе. На этой основе впервые получены новые данные по образцов, установлены закономерности ее изменения в зависимости от температуры и  порового давления, от их совместного влияния, от вида и химического состава флюида. Экспериментально зафиксированные и сфотографированные полиморфные превращения некоторых водонасыщенных карбонатных пород в исследованном интервале температур. Отмеченные аномальные явления этих пород, которые подтверждены Международной Ассоциацией научных открытий как научное открытие.

Выбранные методы, созданные и отлаженные экспериментальные установки позволили получить данные температуропроводности, теплоемкости пород в интервале температур (298-673К), а также плотности и пористости исследованных пород. Вычислены термобарические коэффициенты по результатам экспериментально исследованных типов горных пород, которые будут основой для корректного расчетного определения по объединенному закону Эйкена-Бриджмена и введения поправок на давление и температуру в значении по глубине.

Новые данные теплофизических свойств горных пород, полученные экспериментальным путем, позволили: оценить для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залегания; оценить глубинные температуры и тепловые потоки Северного и Южного Дагестана; построить модели распределения геотермических характеристик по глубинным разрезам месторождений региона; разработать методику поиска, разведки месторождений флюидных полезных ископаемых (Патент на изобретение № 2117318);  рассчитать проектные параметры рациональных схем ГЦС в задачах отбора глубинного тепла (определение расстояние между подъемными и нагнетательными скважинами, определение сроков службы ГЦС и др.).

Практическая полезность работы. Научные разработки, включающие результаты теплофизических исследований в глубинных условиях земной коры способствуют повышению эффективности решения геолого-геофизических задач как фундаментального, так и прикладного аспекта. Изучение теплового режима земной коры, распределение теплофизических свойств горных пород, оценка глубинных температур и теплового потока позволяют более обоснованно подходить к постановке терморазведочных работ в изучаемом регионе, а также повысить качество интерпретации данных этих работ при решении важных хозяйственных задач, связанных с поиском, разведкой и разработкой месторождений полезных ископаемых (нефтегазовых, гидротермальных и др.); с расчетом режимов глубокого и сверхглубокого бурения скважин; с использованием  геотермального тепла.

Реализация результатов работы. Научные разработки и результаты исследований теплофизических параметров для различных литологических комплексов в условиях лабораторных опытов, имитирующих пластовые температуры и давления, приняты к внедрению и реализуются в Институте геологии, Институте проблем геотермии ДНЦ РАН, ВНИПИгеотерм (ныне «НПЦ Подземгидроминерал») и др. Эти результаты использованы при построении теплофизических разрезов глубоких скважин Восточного Предкавказья и Дагестана для изучения глубинной структуры осадочного чехла, при геотермических исследованиях  и интерпретации их результатов, поисках, разведки и выборе перспективных глубокозалегающих зон извлечения и использования углеводородов и высоко параметрического гидротермального тепла в народном хозяйстве, при расчетах геотермальных циркуляционных систем и проектировании систем теплоснабжения (в задачах извлечения теплового потенциала Мостовского, Каясулинского, Тарнаирского, Кизлярского, Избербашского и др. месторождений). Научно обоснованное техническое решение методико-аппаратурной части, внедрение которых вносит значительный вклад в развитии экономики страны, имеет самостоятельное практическое значение, поскольку успешно применяется не только при изучении теплофизических свойств горных пород в области высоких температур и давлений, но и для проведения измерений минералов, технических материалов и других веществ. Получены авторские свидетельства: на устройства измерения теплопроводности горных пород, на способ определения коэффициента теплопроводности веществ и патент на способ поиска и разведки месторождений флюидных полезных ископаемы. Разработанная установка прошла метрологическую аттестацию средств измерений. Стенд схемы установки для исследования теплопроводности горных пород экспонировался на выставке стран СЭВ по использованию возобновляемых источников энергии (Ашхабад, 1986) и на 4 Международной выставке «Наука. Научные приборы 2000» (Москва, 2000). На базе указанных разработок выполнен ряд хоздоговорных работ, оказана техническая помощь, проведены и проводятся в настоящее время совместные работы с научно-исследовательскими учреждениями, в частности:





- для объединенного Института физики Земли проведено изучение теплопроводности горных пород из Кольской сверхглубокой скважины;

- для «Полигона солнца» ИВТАН России осуществлено измерение теплофизических свойств осадочных пород Дагестана;

- для «НПЦ Подземгидроминерал» изучены теплофизические параметры флюидонасыщенных осадочных пород в пластовых Р,Т-условиях  в процессе расчета проектных параметров рациональных схем ГЦС, включая породы из месторождений Камчатки.

Результаты измерений теплофизических свойств горных пород при высоких температурах и давлениях необходимы при решении различных задач геотермии. Они могут быть использованы заинтересованными  научно- исследовательскими организациями для изучения различных геолого-геофизических процессов в недрах Земли.

Апробация работы. Результаты по теме диссертации получены в ходе выполнения многолетних исследований, проведенных автором в лаборатории экспериментальной геотермии Института физики и Института проблем геотермии ДНЦ РАН в рамках научно-исследовательских бюджетных тем: 1) 3.1.14.1.4.1., выполнявшейся по заданию 02.07 (HID HIE, H2) общегосударственной проблемы 0.71.03. распоряжения Президиума АН СССР от 27.05.81 г № 10103-875; 2) тема инициативная 3.1.14.8.1.2. - «Исследование нерегулярности распределения глубинного теплового потока в земной коре (Юго-Запада Европейской части РСФСР)», выполнявшаяся в соответствии с Генеральным договором между Министерством геологии РСФСР и Дагестанским филиалом АН СССР на 1981-1985 г.г. Часть материалов диссертации была получена автором при разработке плановой тематики в «НПЦ Подемгидроминерал»: «Разработать рациональные технологические схемы ГЦС на месторождениях Краснодарского края и Чечено-Ингушской АССР 1983-1985 г.г., № Госрегистрации 01840038638 (шифр проблемы задания - 0.01.08.07.03. Т2). Последние годы исследования осуществлялись автором в Институте геологии ДНЦ РАН по разделам: Моделирование петрофизических условий в очагах тепла по теме: 15.1.1. и Современная геодинамика, движения и напряженное состояние земной коры, сейсмичность и сейсмический прогноз по теме: 6.3. Материалы исследования докладывались и получили положительную оценку на научных форумах:  5 и 6 Всесоюзные совещания по физическим свойствам горных пород при высоких термодинамических параметрах (Баку, 1978; Ташкент, 1981); Всесоюзная конф. «Народнохозяйственные и методические проблемы геотермии» (Махачкала, 1978); Всесоюзное совещание «Современное состояние методики и аппаратуры для геотермических исследований» (Свердловск, 1980); 2 Всесоюзная научно-техническая конф. по проблемам горной теплофизики (Ленинград, 1981; 7 Всесоюзная конф. по теплофизическим свойствам веществ (Ташкент, 1982); Международное совещание «Лабораторные исследования при высоких давлениях и их использование в промышленности» (Уппсала, 1981); Международный симпозиум социалистических стран по геотермическим исследованиям (Сухуми, 1985); семинар ВДНХ АН СССР, «Теплофизические измерения в подземных сооружениях» (Москва, 1986); научно-практическя конф. «Основные направления и опыт использования  нетрадиционных источников энергии в народном хозяйстве (Душанбе, 1988); Международ. симпозиум проекта п-з КАПГ «Геофизические свойства вещества и внутреннее строение Земли» (Махачкала, 1990); Международ. симпозиум и выставка «Нетрадиционные источники углеводородного сырья и проблемы его освоения» (С-Петербург, 1992, 1997); 9-ая теплофизическая конф. СНГ (Махачкала, 1992); Международ. Симпозиум «Проблемы геофизики высоких давлений и температур», КАПГ-3 (Острава, 1991); Международ. конф. «Теплофизические свойства вещества на высоких давлениях и температурах» (София, 1994); Международ. симпозиум «Каспий-Балтика-95» «Проблемы рационального природопользования и обеспечения экологической и экономической безопасности Прикаспийского региона» (С-Петербург, 1995); Международ. конф. Каспий-95 «Каспийский регион: экономика, экология, минеральные ресурсы» (Москва, 1995); II Междунар. симпозиум «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций МиПЧС» (Махачкала, 1997); Международ. конф., посвященной 275-летию РАН и 50-летию ДНЦ РАН (Махачкала, 1999); Международ. конф. «Фазовые переходы и нелинейные явления в конденсированных средах» (Махачкала, 2000); Международ. конф. «Тепловое поле Земли и методы его исследования» (Москва, 2002); Международ. Геофизической конф. (Москва, 2003); Азербайджанская Международ. Геофизическая конф. «Геофизические исследования геодинамической обстановки и нефтегазоносности больших глубин» (Баку, 2004); пятая конференции «Физико-химические и петрофизические исследования в науках о Земле» (Москва, 2004); Международ. конф. «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2005).

По теме диссертации делались сообщения и доклады на научно-практических конференциях и семинарах Института физики, Института геологии, Института проблем геотермии Даг. ФАН СССР, «НПЦ Подемгидроминерал» в 1987-2006 гг. Стенд схемы установки для исследования теплопроводности горных пород экспонировался на выставке стран СЭВ по использованию возобновляемых источников энергии (Ашхабад, 1986) и на 4 Международной выставке «Наука. Научные приборы 2000», Москва, 2000 (за что Институт получил диплом первой степени). Разработанная установка, на которой выполнены исследования, защищена двумя авторскими свидетельствами (Способ определения и измерительное устройство) и прошла метрологическую аттестацию средств измерений. В 1994 г. участие на конкурсе Международ. научного фонда Сороса в области знаний науки о Земле, проект № 54623. В 2000 г. по итогам конкурса РФФИ выиграл грант в области знаний науки о Земле, инициативный проект № 00-05-64200. 

  Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 научных работах, в том числе 1 монография, на 3 из них получено авторские свидетельства и патент. Всего по теме диссертации более 30 работ. В коллективных статьях автор данной работы принимал непосредственное участие.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка, включающего 219 наименований, и 2 приложения. Работа изложена на 279 листах машинописного текста, содержит 38 рисунков, 33 таблиц.

В процессе работы над диссертацией автору разнообразную помощь оказывали многие сотрудники Института геологии, проблем геотермии, физики Дагестанского НЦ РАН и ВНИПИгеотерм, НПО «Союзбургеотермия» (ныне НПЦ Подземгидроминерал).

Успешному проведению исследований способствовали консультации и ценные советы Х.И. Амирханова, В.В. Суетнова, Х.А. Гаирбекова, и др.

Улучшению работы содействовали замечания сделанные А.О. Глико, Г.И. Петруниным,  Ю.А. Поповым, В.И. Кононовым,  М.Д. Хуторским, Э.И. Пархоменко, А.С. Батырмурзаевым, М.Г. Алишаевым, П.И. Крамыниным, Ю.И. Султановым, С.А. Каспаровым, и др. Автор выражает глубокую благодарность всем вышеперечисленным лицам.

Предшествующим исследованиям теплофизических свойств горных пород в условиях различных изменениях температур и поровых давлений, в том числе при их совместном влиянии  на образец, посвящена первая глава диссертационной работы.

       

  КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

  Во введении обоснована актуальность проблемы и сформулированы цели работы; показаны задачи и направления исследования, методы исследования, достоверность и обоснованность результатов; показана научная новизна результатов исследования, практическая полезность работы, реализация результатов работы; обрисовано содержание ее основных частей.

Глава Ι. СОВРЕМЕННАЯ ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И ДАВЛЕНИЯХ

Первая глава посвящена обзору известных исследований о современном состоянии изученности теплофизических свойств горных пород насыщенных жидкими и газообразными флюидами в условиях различных температур, давлений и совместном их влиянии, патентный анализ и материалы, более подробно повествующие о том, что необходимо выполнить для решения поставленных задач и как это сделать более рационально.

В первом параграфе главы рассматриваются основные теоретические положения теплофизических свойств горных пород. В критическом обзоре дан анализ современным теоретическим представлениям этих свойств в условиях высоких температур и давлений. Обзор теории показал, что горные породы представляют собой полидисперсные гетерогенные системы, состоящие из большого  числа частиц различных минералов и пор разной формы и размеров, которые обычно заполнены жидкими и газообразными флюидами.

Во втором параграфе главы рассматривается критический обзор существующих методов изучения теплофизических свойств горных пород при высоких РТ-условиях модели предшествующих исследований и пределы измерений.

В третьем параграфе главы, рассматривается анализ результатов предшествующих теоретических и экспериментальных исследований по обозначенной теме, а также оригинальные экспериментальные данные автора, которые показывают, что изучение теплофизических свойств таких систем, как осадочные породы, является сложным. Это связано с тем, что эти свойства зависят не только от структурно-текстурных особенностей гранулометрического состава, свойств породообразующих минералов, насыщающих флюидов, но и от плотности, пористости, температуры, давления. В параграфе отмечено, что термические свойства горных пород зависят также от поведения этих составляющих в термодинамических условиях их естественного залегания. В соответствии с этими факторами теплофизические свойства горных пород изменяются в весьма широких пределах. По мнению многих исследователей к гетерогенным телам типа горных пород нельзя обоснованно применить теорию диэлектриков, хотя она удовлетворительно описывает поведение сухих горных пород при высоких температурах. В дисперсных средах факторами, определяющими их , являются, кроме свойств, твердого скелета, теплоизолирующие особенности межзерновой среды. Межзерновое пространство горных пород заполнено флюидами различного агрегатного состояния (газ, вода, нефть), которые резко осложняют процесс переноса тепла. Он складывается из кондуктивной внутри отдельных твердых частиц, в местах их соприкосновения, внутри межзерновой среды, на границах твердых частиц со средой, а также излучения от частицы к частице и конвективной передачи тепла в газообразной или жидкой среде. Влияние межзерновой среды на теплофизические параметры велико для осадочных отложений земной коры, отличающихся наибольшей пористостью и насыщенностью водой, воздухом и углеводородами.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость решения задачи получения экспериментальных данных флюидосодержащих коллекторов с помощью метода, позволяющего моделировать на установке условия пластовых температур и давлений. Теплофизические свойства горных пород в зависимости от требуемой точности поставленной цели и решаемых задач можно определять различными способами: оценивать аналитически, измерять экспериментально в лаборатории или в условиях естественного залегания.

Для определения теплофизических свойств горных пород в лабораторных условиях в основном применяют методы, основанные на закономерностях стационарного и нестационарного тепловых потоков. В первом случае исследование теплофизических свойств проводится при установившемся тепловом режиме, когда в любой точке образца температура за время измерений практически не меняется,  во втором, - измерения проводятся в условиях, когда вдоль образца распространяется волна, и решение задачи о ее  движении существенно связано с граничными условиями. Методы измерения теплофизических свойств пород при стационарном тепловом потоке более точны, чем нестационарные, но использование их затруднено из-за продолжительности опыта и громоздкости аппаратуры.

Главное внимание уделено конструктивным особенностям измерительных ячеек высокого давления, анализу достоинств и недостатков камер высокого давления различных авторов: Ю.А. Попова и др., М.П. Воларович, Т.С. Лебедева, В.М. Добрынина, Г.М. Авчян,  А.И. Масленникова, Б.А. Яковлева, П.В. Бриджмена и др. Измерительные ячейки в целом имеют самые различные назначения. Температурную зависимость теплофизических свойств сухих пород при  атмосферном давлении исследователи – В.А. Магницкий, Г.И. Петрунин, Р.П. Юрчак, У.И. Моисеенко, А.Д. Дучков, Л.С. Соколова, В.Г. Попов, Р.И. Кутас, В.В. Гордиенко, Е.А. Сакварелидзе,  К. Кавада,  С. Уеда,  К. Хораи,  Г. Кономари,  Ф. Берч, Г. Кларк,  Куни и Смит, Л. Ковальчук, А. Миснар, В.Д. Кингеру, И.Е. Шац, Г. Симмоне и др., а под влиянием давления при комнатных температурах и выше П.В. Бриджмен, Ф. Берч, Т.А. Едмонсон, И. Ананда, Р.Ф. Рой, И.В. Вольш, Е.Р. Деккер, В. Вудсайд, И.Н. Мессмер, Е. Хуртиг, У. Зайпольд, Д.С. Хугес, П. Андерсон, И.П. Кулл, В. Штандахер, Э.М. Байрамов и др.

Одновременно воздействие высоких температур и давлений на теплофизические свойства интрузивных пород исследовано Т.С. Лебедевым с сотрудниками и У. Зайпольд, а одновременное влияние этих параметров на флюидонасыщенные горные породы (керновые материалы) отражено в работах Ю.А. Попова и др., Е.А. Любимовой, А.И. Масленникова, Ю.А. Ганиева  и Б.А. Яковлева и др. В практике измерений много внимания уделяется усовершенствованию аппаратуры и процесса измерения теплопроводности методом пластины стационарного теплового потока. Определение теплопроводности методом стационарного теплового поля были выполнены в 1935 г. Х.И. Амирхановым.

Из обзора литературных данных следует, что теплофизические свойства горных пород, насыщенных различными флюидами, зависят от пористости образцов, их вещественного состава, от степени насыщения и от фазового состояния насыщающего флюида. В пластовых термодинамических условиях при повышении температуры уменьшается по закону близкому к линейному. Барическая зависимость возрастает с повышением давления, причем интенсивность ее увеличивается тем больше, чем ниже температура. Под влиянием гидростатического давления теплопроводность водонасыщенных пород изменяется незначительно. Наибольшее влияние всестороннего давления на изменение теплопроводности горных пород оказывается в интервале до 10-20 МПа.

Теплоемкость горных пород показывает ее увеличение с ростом пористости и температуры. До 773К теплоемкость пород в первом приближении зависит от температуры линейно. У пород с аморфной структурой теплоемкость повышается равномерно по всем интервалам температур. У пород с кристаллической структурой темп роста различен: в интервале от 0 до 673К выше, чем  при последующем нагреве. Теплоемкость породы зависит от весового соотношения воды в породе. Температуропроводность горных пород уменьшается с ростом температуры. Воздействие давления повышает температуропроводность минералов, причем ее  градиент уменьшается с ростом давления. Влияние давления ослабевает при увеличении температуры нагрева. В диапазоне давлений до 3 кбар изменения не превышает 10%. С повышением давления значения температуропроводности различных минералов сближаются.

В ряде работ обнаружены полиморфные превращения в породах состава СаСО3, СаSО4·2Н2О при высоких давлениях и температурах. Изучая кинетику превращения кальцита в арагонит и гипса в ангидрит, разными авторами этот переход отмечен в интервале давлений от 200-2400 МПа и температур (от 333-1023К).

Влияние гидростатического давления на теплофизические свойства исследовано только для небольшого числа разновидностей горных пород при комнатных  температурах и несколько выше, тогда как термодинамические параметры продуктивных осадочных пород нефтегазовых геотермальных месторождений достигают 473-573К и 15-70 МПа. Это обстоятельство диктует необходимость получения надежных данных о теплофизических свойствах  флюидосодержащих коллекторов в условиях пластовых температур и давлений, соответствующих естественному залеганию пород.

Актуальность этой проблемы послужила основанием для проведения лабораторных исследований теплофизических свойств горных пород при условиях, приближенно моделирующих глубинное залегание пластов на образцах кернового материала, отобранных из разведочных скважин. В связи с этим возникла необходимость создания таких устройств и методик измерений, с помощью которых можно получать надежные экспериментальные данные о теплофизических свойствах горных пород в условиях, приближенных к естественному.

Глава 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ                                               ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ                                                ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И

ДАВЛЕНИЯХ

       Вторая глава работы посвящена описанию экспериментальной аппаратуры, методики и анализа погрешностей лабораторных измерений теплофизических свойств горных пород, насыщенных различными жидкими и газообразными флюидами, в интервале температур 293-573 и давлений 0,1-150 МПа.

  Для измерения флюидонасыщенных горных пород на образцах кернового материала из скважин применяемые методы должны удовлетворять следующие условия:

  1) обеспечение широкого диапазона измеряемых значений теплопроводности;

  2) возможность работы с образцами минимальных размеров, взятых из скважин;

  3) достижение необходимой точности измерений и надежности получаемых данных;

  4) создание близкого к идеальному контакта образца с нагревателем и холодильником;

  5) позволять проводить исследование теплопроводности образцов  горных пород как сухих, так и насыщенных различными жидкими и газообразными флюидами при совместном влиянии гидростатического давления до 150 МПа и температуры до 573К;

б) отличаться относительной простотой в изготовлении и сборке.

Перечисленным условиям наиболее соответствует лабораторная установка, основанная  на абсолютном компенсационном методе плоского слоя стационарного теплового поля  Х.А. Амирханова. Основные преимущества этого метода при определении теплопроводности плоских образцов горных пород заключаются в том, что значительно упрощается техника эксперимента и сокращается необходимое для исследования время наряду с достижением относительно высокой точности определения теплопроводности  вследствие ликвидации боковых потерь тепла от предметного нагревателя и образца.

На базе этого метода создан прибор, который рассчитан на работу в условиях  совместного влияния температур и давлений в широком интервале при насыщении жидким и газообразным флюидом. Разработан способ, в котором учтены влияние неравномерности температурного поля на результат измерения и погрешности, связанной с отсутствием учета направления начального перепада температур и появления различных неоднородностей теплового поля в измерительной ячейке в процессе термостатирования.

  Для измерения теплоемкости горных пород применяется известная установка измеритель теплоемкости ИТ-С-400, в интервале температур 298-673К.

         Температуропроводность горных пород определяется по формуле:

                                                   , 

в том же интервале температур, что и теплоемкость.

       Плотность, пористость и влажность горных пород определяется с помощью аппаратуры АКМ-коллектор и приборов ПВГП, АЛУ-2,849000 и СПВ-2 по известным методикам. При определении коэффициента абсолютной пористости пикнометрическим методом объемный вес породы устанавливается путем гидравлического взвешивания, и истинную плотность зерен определяют в пикнометрах.

       Основными трудностями конструирования измерительного прибора являются: создание плотного постоянного теплового контакта между исследуемым образцом, нагревателем и холодильником; защита датчиков температур и токоподводов нагревателей от влияния флюида (воды) и высокого давления. Значительные трудности представляет изготовление образцов, в частности, получение образца со строго параллельными гранями. Прибор 1 имеет форму цилиндра высотой 22 мм, диаметром 68 мм и состоит из двух медных блоков – наружного и внутреннего 9. В сплошной внутренней части блока находится градиентный нагреватель 8. На наружном блоке монтируется охранный нагреватель. Для облегчения процесса сборки прибора наружный блок изготовлен из двух частей 10,17 стянутых винтами 16. Между блоками нагревателей имеется полупроводниковый датчик температур 11. Диаметр рабочей поверхности прибора равен 35 мм ± 0,01 мм. Градиентный нагреватель 8 – из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм и сопротивлением 21,53 0м помещен во внутренний блок прибора.

  Описание установки теплопроводности.

               

  Рис. 1. Схема автоклава с прибором для исследования теплопроводности горных пород.

. Нагреватель имеет медную крышку 14 толщиной 1 мм. На расстоянии 1 мм от рабочей поверхности внутреннего блока просверлено отверстие диаметром 2 мм, где помещается термопара 12 для измерения абсолютной температуры рабочей поверхности. На внешней поверхности наружного блока выточены канавки, куда укладывается охранный нагреватель 5.

С целью исследования флюидосодержащих коллекторов в отверстиях крышки автоклава и блоков нагревателей установлены чехлы из нержавеющего материала защищающие термопар и токоподводов нагревателя от влияния флюида. Концы чехлов термопар запаяны серебром. Для контроля тепловой утечки через перемычку блоков вставлены контрольные термопары 2 и компенсационная печь 1.

Описанная система устанавливается на медный холодильник 21, толщиной 6 мм и диаметром 68 мм. На расстоянии 1 мм от рабочей поверхности холодильника просверлено отверстие для термопары, измеряющей его абсолютную температуру. В целях уменьшения теплопроводности излучением поверхности холодильника и прибора отполированы до зеркального блеска.

Между холодильником и нагревателем помещается образец 19 с большим диаметром, чем диаметр рабочей площади,  что содействует уменьшению боковых потерь тепла образца.

В собранном виде прибор помещается в измерительную ячейку автоклава 22 (см.рис.1.), изготовленного из нержавеющей стали марки IX18H9T. После этого съемная крышка автоклава  стягивается гайками и система помещается в термостат. Автоклав имеет следующие размеры: наружный диаметр 180 мм; внутренний диаметр 76 мм; высота 158 мм, толщина стенок 52 мм, толщина дна 52 мм.

Порядок проведения эксперимента заключается в следующем: Насыщения образца  флюидом производится под вакуумом. Создание давления, его измерение проводятся с помощью грузопершиевого манометра марки МП-2500, класса точности 0,01, соединенного с автоклавом высокого давления.

Термостатирования автоклава осуществляется погружением в ультратермостат типа NBE (c точностью регулирования 0,02 град.). В диапазоне температур от 293К до 363К автоклав помещается в термостат с дистиллированной водой, в диапазоне температур от 363К до 573 К с цилиндровым маслом для перегретого пара. Температура термостата устанавливается с помощью  контактного термометра. Питание электрических цепей нагревателей осуществляется источниками питания постоянного тока Б5-479 - Б5-50. Температурные измерения проводились хромель-копелевыми термопарами с помощью потенциометра Р-363-2 класса точности 0,002. В цепи термопар стоят переключатели, которые изготовлены из того же материала, что и провода термопар. Диаметр проводов – 0,15 мм. Эти провода отжигаются в вакуумной печи при температуре 773К в течение 1 часа.

При измерениях возможные потери градиентного нагревателя непрерывно контролируются одним гальванометром и компенсируются нагревателем. Исключение боковых потерь тепла с образца обеспечивается как меньшим диаметром эффективной площади по сравнению с диаметром образца, так и компенсационным нагревателем прибора.

Методика измерения теплопроводности заключается в следующем: при атмосферном давлении изучается температурная зависимость теплопроводности воздушно-сухих образцов горных пород, затем исследуется одновременное влияние давления и температуры газо-,водо- и нефтенасыщенных под вакуумом (в течение 24-48 часов) образцов. Исследования производились при прямом и обратном ходе температуры и давления по изотермам 298, 323, 348, 373, 398, 423, 448, 473, 498, 523,548, 573К и интервале давлений 0,1- 150 МПа с шагом 0,1;5,10, 15, 20, 30, 50, 70, 90, 110,130, 150, МПа. Для исключения случайных ошибок в каждой точке производилось от трех до пяти отсчетов.

Поток тепла, выделенный основным нагревателем, проходит через исследуемый образец, холодильник и воспринимается автоклавом, находящимся в термостате. Зная количество тепла, выделяемые основным нагревателем, и перепад температуры на образце, можно вычислить измеряемого образца по соотношению ниже изложенного способа.

В известных способах определения теплопроводности, кроме предложенного Д.А. Татарашвили и О.А. Сергеевым (1972), не учитывается влияние неодномерности температурного поля на результат измерения, что уменьшает точность измерения. В предложенном способе указанных  авторов для создания одномерного температурного поля используются охранные нагреватели, в то же время в этом способе не учитывается появление различных неоднородностей теплового поля в процессе термостатирования и наличие погрешности, связанной с отсутствием учета направления начального периода температур.

При измерении температурной зависимости теплопроводности вещества в процессе термостатирования появляется неодномерное поле, такое, что поддержание нулевой разности температур между основными и охранными нагревателями искажается тепловое поле, установленное термостатированием. Эти неоднородные поля, названные нами начальными условиями термостатирования, возникают во всех измерительных ячейках за счет различной теплопроводности деталей  ячейки, образца, холодильника, охранных нагревателей и их конструктивных особенностей и в зависимости от температуры термостатирования проявляются по-разному. Все эти недостатки уменьшают точность измерений.

Сущность нашего способа заключается в следующем. В начале измерения в процессе термостатирования в измерительной ячейке устанавливается стационарное тепловое поле для каждой температуры термостатирования. При выключенном основном  и охранных нагревателях измеряется градиент температур на образце и определяется его направление. Градиент температур в образце может быть направлен как от нагревателя к холодильнику, так и наоборот. Далее измеряется разница температур основного и охранного нагревателей и определяется направление теплового потока. После этого включается основной и охранные нагреватели и устанавливается новое стационарное поле путем изменения мощности охранных нагревателей так, чтобы поддерживалось фиксированное значение – разности температур основного и охранного нагревателей. Затем измеряется установившийся перепад температур на образце.  Если направление измеренных величин перепадов температур на образце первом и втором случаях совпадают, то из второй величины вычитывается первая, а в противном случае обе величины складываются. Полученный результат измерений используется для расчета по рабочей формуле способа:

   

  где  Q -  количество тепла, выделяемое основным нагревателем;

  l - толщина измеряемого образца;

  S -  эффективная площадь поверхности измерительной пластины;

  Т0-перепад температур на образце при выключенных основном и                                                       охранных нагревателей; 

  Т1-перепад температур на образце при включенных основном охранных

           нагревателей.

Перед проведением основных измерений на установке были проведены контрольные измерения на образцах органического стекла в интервале температур 293-350К, стали марки IX18H9T.–293–573К и хозяйственного фарфора при 340–580К, которых достаточно хорошо изучена в этих интервалах температур. Результаты измерений согласуются в пределах 2– 4%.

Кроме того исследована теплопроводность некоторых типов горных пород в интервале температур 273-573К и давлений 0,1 – 150 МПа. Результаты исследованных образцов горных пород (гранит, гнейс, кварцит гранитизированный, шаровая лава, песчаник, аргиллит и др.) находятся в соответствии с существующими справочными данными.

Подсчитана возможная ошибка описанного метода  Из уравнения плоского слоя видно, что возможная ошибка метода обуславливается систематическими погрешностями измерения толщины слоя исследуемого образца (δl), эффективной площади поверхности измерительной пластины (δS), случайными погрешностями измерения перепада температур на образце (δΔΤ), количества тепла, выделяемого нагревателем измерительной пластины (δQ), а также относительными ошибками измерения абсолютной температуры Т и давления Р, величины которых для горных пород очень незначительны.

         Экспериментальное определение предела допускаемой основной погрешности.

  Систематическая, случайная, абсолютная и относительная погрешности измерений рассчитаны с использованием формул по известным литературным источникам.

Приведены интервальные оценки и определены пределы допускаемой погрешности. Из простейшей статической обработки результатов измерения теплопроводности эталонных и каждой серии образцов следует, что случайной ошибки измерений теплопроводности не превышает 3 % при уровне доверительной вероятности 0,95. Таким образом, максимальная ошибка измерений не превышает 4%, с хорошей повторяемостью (из 100 измерений 96 абсолютно совпадает) и воспроизводимостью (до 1 %). Таким образом, проведена статистическая обработка для всех точек эталонных образцов оргстекла и фарфора, а также образца нержавеющей стали 1Х18Н9Т (справочные данные), что перекрывает весь диапазон измерений. 

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ  ФЛЮИДОСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД  В УСЛОВИЯХ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ ПОРОВЫХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР.

       Третья глава работы посвящена экспериментальному изучению теплофизических свойств газо-, водо- и нефтенасыщенных  горных пород в условиях, совместного воздействия пластовых температур и давлений; влиянию на них рода и вида флюида. Глава содержит оригинальные экспериментальные данные автора и данные из литературных источников.

В первом параграфе главы рассматривается зависимость газо-, водо-и нефтенасыщенных карбонатных пород от совместного влияния температуры и давления. Обсуждается вопрос о влиянии на флюидонасыщенных коллекторов  температур и поровых давлений.

       Результаты экспериментальных исследований горных пород в зависимости от температуры показывают, что в соответствии с законом Эйкена при увеличении температуры от 293 до 573К газо-, нефте- и водонасыщенных горных пород уменьшается обратно пропорционально температуре. Снижение нефте-водонасыщенных коллекторов значительнее, чем газонасыщенных. Наиболее резкое изменение отмечено в интервале температур от 293 до 473К. С повышением давления термическая зависимость смещается в сторону увеличения и является доминирующей в пределах параметров проведенного эксперимента.

С ростом температуры от 293 до 573К в интервале давлений от 0,1 до 150 МПа флюидонасыщенных пород уменьшается: газонасыщенных карбонатных пород до 55%, водонасыщенных – до 40%, нефтенасыщенных – до 60%;  газонасыщенных песчаников до 55%, водонасыщенных – до 65%, нефтенасыщенных – до 60%; алевролитов – газонасыщенных до 35%, водонасыщенных – 40%; глин – газонасыщенных до 16%, водонасыщенных – до 20%. Для водонасыщенных образцов  карбонатных пород в исследованном интервале температур отмечены явления аномального изменения , связанные с термохимическими реакциями.

Для мергеля (месторождения Гаша, скв.№26) аномальное явление наблюдалось в диапазоне температур 368-413К. Теплопроводность водонасыщенного мергеля от 293К до 368К уменьшается, а от 368К до 393К – возрастает на 30%. При дальнейшем увеличении температуры также уменьшается согласно закону Эйкена. Для мергеля такое явление  обусловлено гидролизом карбоната и дегидратацией включений гипса.

Теплопроводность известняка месторождения Селли скв. №5, глубина отбора керна 1803-1898 м, исследована на двух образцах, изготовленных одновременно из одного керна.

Измерения образцов  проводились в одинаковых условиях. Измерения образца №1 проводились с температурным шагом 25оС. При этом для водонасыщенного известняка величина возрастала в интервале температур от 293К до 343К на 65%, а от 343К до 383К – резко уменьшалась (рис.3 (III)). Аномальное явление для водонасыщенного известняка обусловлено гидролитическим характером  реакции.

В отличие от образца №1, измерения образца №2 проводились с уменьшением температурного шага по мере приближения к максимуму до 1оС. По мере удаления от максимума температурный шаг увеличивался (от 1 до 25оС). В результате тщательных измерений, как прямых, так и обратных, аномальное явление теплопроводности подтвердилось на образце №2. Результаты прямых и обратных измерений различаются не более 5%.

Аномальное явление известняка можно объяснить переходом карбонатного вещества  из одной – метастабильной – структурной модификации в другую, более стабильную при данных термодинамических условиях, соответствующих глубинам 1-3 км. Метастабильные формы обычно кристаллизуются первыми в ходе кристаллизации и лишь, затем переходят в

стабильные модификации. Переход этот может протекать с различной скоростью для разных

веществ, а при некоторых условиях вообще не осуществляться. Именно этим и можно объяснить существование карбоната кальция в структурной форме арагонита.

       На образце после измерения видны правильные прорастания ангидритом на границе зерен мергеля. Петрографический анализ образца мергеля показывает, что габитус кристаллов ангидрита – призматический, цвет – белый, блеск – стеклянный, прозрачен. Плотность мергеля до и после исследования соответственно равна 2698 и 2651 кг/м3, общая пористость –2,62%, карбонатность – 47% . Известно, что в воде гипс переходит в ангидрит с течением времени при температуре выше 315К, тогда как при более низкой температуре имеет место обратный переход (А.С. Гинзберг, 1951; Г.И. Теодорович, 1958). Гипс при нагревании переходит в полугидрат (на воздухе – медленно при 343К и быстро при 363-403К, а  в воде при 371 К). В системе, чистая вода – СаSO4, является стабильной фазой выше 315-339К (А.Г. Бетехтин, 1950). В интервале температур 363-498К происходит перестройка структуры гипса, вследствие чего образуется ангидрит – СаСО4, обладающий более высоким удельным весом и большей твердостью (Э.И. Пархоменко, 1977). Переход двугидрата в полугидрат сопровождается поглощением тепла в количестве 96 кДж на1 кг двуводного сернокислого кальция (Я.И. Вихтер, 1974).

Рис. 3. Теплопроводность известняка в зависимости от температуры при различных                       давлениях и флюидонасыщенности: I – газонасыщенный (аргон);

  II – нефтенасыщенный; III – водонасыщенный.

На образце водонасыщенного мергеля автором экспериментально зафиксировано и сфотографировано полиморфное превращение (рис. 4.).

Термохимические реакции протекают в указанном диапазоне  температур по следующим схемам:

       1. Карбонаты гидролизуются при нагревании по схем

  CаСО3 + Н2О Са(ОН)2+СО2  (10)

2. В результате  дегидратации гипса образуется ангидрит

  СаSО4 · 2Н2О    СаSО4 +2Н2О (11)

обладающий более высоким удельным весом и большей твердостью.

Эти превращения пород, сопровождающиеся поглощением тепловой энергии, являются причиной уменьшения градиента температур на образце, вследствие чего наблюдается рост , что видно из формулы (2).

Образование ангидрита, обнаруженное автором на образце водонасыщенного мергеля после исследования, подтверждается еще минералого-петрографическим анализом. А теплопроводность ангидрита выше теплопроводности гипса. Сокращение карбонатных пород  с повышением температуры, наряду с фонон-фононным  рассеянием в зернах и уменьшением пористости, можно объяснить необратимыми структурными изменениями на границах между отдельными компонентами, увеличением трещинной пористости (особенно мергеля).

Рис. 4. Образцы плотного мергеля: а) до исследования; б) после исследования.

Характер изменения  коллекторов карбонатных пород  в зависимости от давления показывает, что с увеличением давления от 0,1 МПа до 150 МПа в исследованном интервале температур наблюдается увеличение абсолютных значений образцов, насыщенных газом, нефтью и водой. Увеличение флюидосодержащих коллекторов с ростом давления зависит от температуры. Причем с увеличением температуры барические зависимости смещаются в сторону убывания . Теплопроводность газонасыщенных известняков с повышением давления до 150 МПа при комнатной температуре повышается на  22-30%, при 573К – на 18-28%, нефтенасыщенных - 17-19% и  15-16%, водонасыщенных – на 13-18% и 8-14% соответственно. Теплопроводность газонасыщенного мергеля повышается при комнатной температуре на 33%, при 573К – на 30%; нефтенасыщенного – на 24% и на 18% соответственно.

       По данным П. Бриджмена, (1948) с увеличением давления до 100 МПа теплопроводность известняка повышалась на 0,1%. Рост нефтенасыщенных карбонатных пород в работе  Е.А. Любимовой и др., (1979) с повышением давления также зависит от температуры, составляя 9% при 293К и увеличиваясь до 15% при 473К.

По нашим данным водонасыщенного известняка в зависимости от температуры, соответствующих 1,5-3 км глубины  увеличилась на 65%. Такой рост не отмечен при изменении давления. Результаты исследования влияния гидростатического давления на водонасыщенных пород показывает, что с повышением давления от атмосферного до 150 МПа в указанном интервале температур увеличивается. Наиболее существенно она возрастает с увеличением давления до 20-30 МПа. При дальнейшем повышении давления до 150 МПа рост уменьшается и теплопроводность увеличивается почти линейно. Увеличение горных пород с повышением давления связано с уплотнением минерального вещества и улучшением фононного теплообмена между  зернами породы.

В параграфе два главы отмечается, что для терригенных, также как и для карбонатных пород, насыщение образцов жидким флюидом приводит к резкому увеличению их теплопро­водности. Из сопоставления теплопроводностей образцов, насыщенных жидким и газообразным флюидами, видно увеличение абсолютных значе­ний теплопроводности образцов, насыщенных жидкими флюидами. При этом увеличение, теплопроводности при водонасыщении для песчаников - на 100-170 % алев­ролитов - на 126 %, аргиллитов - на 128 %, глин - на 141 %. При нефтенасыщении теплопроводность песчаников выросла на  47-89 %.

Водонасыщение вызвало увеличение песчаников в зависимости от их пористости на 100-170 %. Такое изменение можно объяснить замет­ным влиянием теплопроводности самой жидкости, поскольку она выше теплопроводности газообразного флюида. Результаты экспериментальных исследований флюидонасыщенных коллекторов показывают, что теплопро­водность газо,-водо- и нефтенасыщенных образцов терригенных пород в пластовых условиях зависит от температуры, давления и состава флю­ида.

        Зависимость теплопроводности песчаников от всестороннего давления при насыщении жидкими и газообразными флюидами весьма неодина­кова. Для песчаников, насыщенных жидким флюидом, характерным является резкий рост до 20-30 МПа. При дальнейшем повышении давления ее рост замедляется (почти линейно).

       С возрастанием давления от 0,1 МПа до 150 МПа в интервале от 293К до 573К теплопроводность флюидонасыщенных песчаников увеличивается: для газонасыщенных на 27-34%  при комнатной температуре и на 25-30% при 573К, для водонасыщенных - на 18-28% при комнатной температуре и на 16-26% при 573К, для  нефтенасыщенных - на 23-30% при комнатной температуре и на 21-28% при 573К. При этом крупнозернистых песчаников с пористостью до 12% увеличивается с ростом давления значительнее от 1,30 Вт/(м·К) до 1,74 Вт/(м·К) для газонасыщенных; от 3,52 Вт/(м·К) до 4,38 Bт/(м·K) для воды.

       В работе Р. Роя (1963) показано, что барический коэффициент на 100 МПа равен для песчаника 1,2%. Данные песчаников наших результа­тов согласуются с данными Р. Роя в пределах 1-3%.

Температурная зависимость коллекторов песчаников обратно пропорциональная. С ростом температуры от 293К до 573К при давлении 0,1 МПа  песчаников уменьшается: газо- насыщенных на 28-55% при давлении 10 МПа, водонасыщенных - на 15-65%, нефтенасыщенных - на I8-­60%. При давлении 150 МПа сокращается: для газонасыщенных - на 22-41%, для водонасыщенных - на 10-57%, для нефтенасыщенных - на 13-55%. Уменьшение кварцевых песчаников по Ф.Берча (1950) составляет 2,2% на каждые 10°С увеличение температуры, у А.П.Скакуна (1977) уменьшение песчаников составляет 1,1-2,45%. По данным Б.А. Яковлева и др. (1975) с увеличением давления всестороннего сжатия от 0,1 МПа до 45 МПа сухих и водонасыщенных образцов с пористостью Кп =15% и меньше увеличивается на 44-145% и на 17-47% соответственно. Авторы отмечают, что у всех исследованных образцов с ростом давления увели­чивается в широких пределах, а с повышением температуры до 363-373К уменьшается почти линейно. При дальнейшем росте температуры умень­шается медленно. Теплопроводность водонасыщенных песчаников в иссле­дованном интервале температур уменьшается на 26-56%.

Результаты экспериментальных исследований одновременного воздействия поровых давлений и температур для флюидонасыщенных об­разцов алевролитов и аргиллитов показывают, что температурные зави­симости коллекторов связаны с давлением. Причем с ростом давления термические зависимости смещаются в сторону увеличения теплопровод­ности. С ростом температуры от 293К до 573К уплотненных пород коллекторов уменьшается: для алевролитов - газонасыщенных на 46% (Р= 0,1 МПа), а водонасыщенных на 65% (Р = 10 МПа); для аргиллитов - газонасыщенных на 34% (Р = 0,1 МПа), а водонасыщенных на 40% (Р=10 МПа). При давлении 150 МПа теплопроводность уменьшается для алевролитов на 45% и на 62% соответственно, для аргиллитов – газонасыщенных на 33%, водонасыщенных на 39%. По данным Е.А. Любимовой, А.И. Масленникова, Ю.А. Ганиева (1979) с повышением температуры от 293К до 473К сухих образцов алевролитов уменьшается на 46-48%, а водонасыщенных - на 59-69%  при давлении 3 МПа и на 57-70% при давлении 100 МПа. С ростом давления от 0,1 до 150 МПа при комнатной температуре коллекторов увеличивается: для алевролитов - газонасы­щенных на 19%, водонасыщенных на 18%; для аргиллитов - газонасыщенных на 12%, водонасыщенных 11%. При температуре 573К увеличивается: для алевролитов - газонасыщенных на 18%, водонасыщенных 21%, для аргиллитов на – 10% и 12% соответственно. Упомянутыми авторами (1979) установлено также, что водонасыщенных алевролитов в интервале давлений 0,1-100 МПа увеличивается на 10% при комнатной температуре и до 17 % при температуре 473К. С ростом температуры от 293 до 573К теплопроводность водонасыщенной глины при давлении 10 МПа уменьшается на 20%, а газонасыщенной на 16%. При давлении 150 МПа уменьшается на 15% и I9% соответственно.

С увеличением давления от 0,1 МПа до 150 МПа газонасыщенного образца увеличивается на 8% при температуре 293К, а водонасыщенного - на I2%. При температуре 573К увеличивается на 7,7% и 9,7% со­ответственно. При общем падении температуры замечено уменьшение спада водонасыщенных образцов в области 373-513К. Это можно объ­яснить увеличением воды в поровом пространстве исследуемого образ­ца. В этой области температур, видимо, более интенсивно разрушаются "молекулярные комплексы".

Теплопроводность уплотненных терригенных пород, насыщенных различными флюидами, увеличивается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры. Понижение высокопористых крупнозернистых песчаников с увеличением температуры происходит более интенсивно, чем в низкопористых. Увеличение горных пород с повышением давления можно объяснить следствием закрытия пор и уменьшением теплового сопротивления.

Как отмечено в работе А.П. Воларовича, 1968 в горных породах можно выделить два вида основных пор: объемные, у которых размеры в трех взаимно перпендикулярных направлениях приблизительно одинаковы, и щелевидные, у которых один размер в десятки и сотни раз меньше другого. Первую более крутую часть кривых можно объяснить закрытием щелевидных пор, и хотя объем их относительно невелик, но теплопроводность, вследствие их закрытия, резко увеличивается. После того как большая часть щелевидных пор закрывается под влиянием давления, определенную роль начинает играть уменьшение величины объемных пор. Также изменение объема при увеличении давления весьма незначительно, а, следовательно, и возрастание теплопроводности с повышением давления относитель­но невелико.        По данным работ Г.М. Авчяна, В.И. Добрынина, Г.И. Петкевича (1972, 1971) при нагрузках, не превышающих давление естественного залегания, большинство пород (исключая неконсолидированные небольших глубин) были упругими, гистерезис не превышал 5%) в то время как при пере­грузках наблюдались значительные остаточные деформации. Некоторые хорошо сцементированные кварцевые песчаники и плотные известняки оставались упругими и при значительных перегрузках. Такие породы названы упруго стабильными.

  В проведенных исследованиях при обратных и прямых измерениях гисте­резис не превышает ошибки измерений.

  С увеличением температуры кристаллических горных пород уменьшается за счет фонон-фононного рассеяния в зер­нах. Поскольку большинство минералов обладает анизотропией, их объ­ем увеличивается по разным направлениям неодинаково. Кроме того, различные минералы имеют отличающиеся коэффициенты теплового расширения. Следовательно, увеличивается тепловое сопротивление межзернового пространства и уменьшается образца. Кроме этого, результаты повторного минерало-петрографического экспериментальных исследований в условиях, приближенных к пластовым, следует, что температура оказывает значитель­но большее влияние на горных пород, чем давление. При этом тен­денция изменения теплопроводности горных пород соответствует дебаевской теории теплопроводности твердого тела. Это подтверждает вы­воды экспериментальных и теоретических исследований Х.И. Амирханова (I980), В.Н Жаркова (1973) и Е.Л. Любимовой (1979) и др.

Согласно теории теплопроводности кристаллических диэлектриков в I.I. теплопроводность горных пород обусловлена фононной составля­ющей. В исследованной области температур на уменьшение теплопровод­ности горных пород оказывают влияние рассеяния фононов на фононах. Дополнительными источниками рассеяния носителей в породах могут быть также различные примеси и границы кристаллов.

В третьем параграфе главы результаты экспериментальных исследований теплоемкости горных пород в зависимости от температуры показывают, что теплоемкость увеличивается с ростом температуры. В интервале температур (298-673К) теплоемкость пород изменяется почти линейно и наблюдается влияние пористости и порового флюида: чем больше значения последних, тем выше С. Теплоемкость пород не зависит от их зернистости, слоис­тости и состояния минералов. Теплоемкость пористых пород больше теплоемкости породообразующих минералов, что объясняется влиянием поровой воды. Теплоемкость пластовой воды в 4-5 раз больше теплоем­кости горной породы. С возрастанием влажности пород их теплоемкость увеличивается. Теплоемкость горных пород зависит от температуры линейно, т.е.

  C(t) = C(o)·(1+·t),  (12)

где С(о)- теплоемкость при t = 273К, = 3·10-Дж/г·К. Увеличение теплоемкости осадочных пород в исследованном интервале температур не превышает I5% на каждые 10°С.

На рис. (5) приведены результаты измерения теплоемкости некоторых наших образцов.

Температуропроводность кристаллических диэлектриков уменьшается с ростом температуры и увеличивается с повышением давления. По­вышение теплопроводности и температуропроводности, образцов при увлаж­нении связано с увеличением теплопроводности через жидкость в порах по сравнению с теплопроводностью через воздух.

Возрастание удельной теплоемкости с увеличением влажности по линейному закону, вероятно, объясняется характерной для удельной теплоемкости независимостью её oт способов передачи тепла и высо­кой теплоемкостью воды.

Температуропроводность пород увеличивается с ростом плотности; как функция влажности она имеет максимум; несколько, уменьшается при нефтенасыщении водоносной породы и существенно уменьшается при газонасыщении.

Полученные в данной главе результаты имеют как фундаментальное теплофизическое, так и прикладное геолого-геофизическое и геотермическое значение. Одними из важнейших геофизических приложений этих результатов являются разработанные методики, ниже приведенных в четвертой и пятой главах

Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ  ЛИТОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ РЕШЕНИИ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОТЕРМИИ

Четвертая глава посвящена описанию результатов использования лабораторных исследований для определения теплопроводности литологических комплексов, при изучении теплового поля некоторых месторождений Дагестана и прогнозирования глубинных тем­ператур с привлечением термограмм производственных организаций. Средние значения температур брались по скважинам, в которых проводилась термометрия после их выстойки.

Рассматривается зависимость = f(Н) водонаcыщенных образцов, которая сох­раняет обнаруженный в лабораторных измерениях аномальный ход известняка и мергеля. С увеличением глубины более 3 км наблюдается уменьшение всех пород. Интенсив­ное уменьшение песчаника, алевролита происходит до глубины 6 км. При увеличении глубины от 6 до 10 км уменьшение несколько замедляется. Теплопроводность аргиллита от поверхности до глубины 10 км уменьшается незначительно - от 2,9 Вт/(м.К.) до 2,2 Вт/(м.К).

       Зависимость = f(Н) нефтенасыщенных образцов песчаника, мергеля и известняка показывает, что уменьшается с ростом глубину до 10 км, причем теплопроводность песчаника уменьшается сильнее теплопроводности мергеля и известняка.

Изменения газонасыщенных образцов с глубиной в целом может иметь практическое значение при изучении выходящих на поверхность разломных зон и газовых шапок, неглубоко залегающих месторождений. Здесь наблюдается различный характер из­менений зависимости = f(Н) исследованных пород. Известняк, мергель и аргиллит  имеют низкие значения и незначительное уменьшение коэффициента (по абсолютной величине) с ростом глубины. Теплопроводность алевролита изменяется  с глубиной от 1,7 до 0,95 Вт/(м.К).

       Характерным для песчаника является относительно большой коэффициент в газонасыщенном состоянии. Теплопроводность газонасыщенных пород, кроме песчаника, на глубине 7-10 км прибли­жается к постоянной величине.

Таким образом, теплопроводность горных пород, как функция глу­бины, показывает превалирующее влияние температуры на глубине до 10 км в осадочном чехле Дагестана. С увеличением глубины влияние давления частично компенсирует уменьшение теплопроводности с ростом температуры и наиболее существенно сказывается на глубине до 2-3 км. Эти изменения различны для литологических разновидностей и насыща­ющего флюида. Отмечается уменьшение разброса значений на больших глубинах. Данные по теплопроводности пород, насыщенных аргоном, рассматриваются как соответствующие скелету горной породы и в гео­термической интерпретации не использовались. При этом учитывалось то, что ниже уровня грунтовых вод породы находятся в состоянии насы­щения. При геотермических построениях для каждой скважины отдельно рассматривается литологическая колонка и в соответствии с глубиной залегания тех или иных пород берется соответствующее значение теплопроводности. Эти значения теплопроводности, взятые с учетом глубины залегания литологических комплексов, отличаются в каждой скважине в связи с различием поровых давлений и тем­ператур. На основе конкретных данных об этих параметрах в каждой скважине вводится поправка на теплопроводность. Например, изменение температуры и давления по стволу Северо-Кочубеевской скважины показывает аномальное изменение пластового давления на глубинах 4100-4200 м и 4800-5I00 м. Значения теплопроводности на этих глубинах, взятые по графикам на рис.1(а), соответственно равны 3,0 и 3,8 Вт/(м.К), а значения давлений - 45 и 72 МПа. Действитель­ные значения теплопроводности, экспериментально определенные при этих параметрах, соответственно равны 2,7 и 3,5 Вт/(м·К). На аналогичные изменения параметров Р и Т в других скважинах внесены поправки на теплопроводность. В связи с этим заметим, что представление об изменении теплопроводности, как функции глубины, дает об­щее представление об этой закономерности. Для глубины, достигающей 10 км, разброс значений теплопроводности уменьшается, составляя 2,0-3,5 Вт/(м·К), независимо от насыщающего флюида, будь то нефть или вода.

Сравнение теплопроводности различных литологических комплек­сов осадочного чехла с данными других разновидностей горных пород, показывает, что для больших глубин изменение различных литологических разновидностей сближается.

       Проведен подробный анализ о возможности использования термограмм производственных организаций, полученных в процессе бурения. Опыт проведения термометрических работ в ГИН РАН и других организациях показал, что оптимальным условием для расчета теплового потока и прогнозирования глубинных температур является наличие данных по выстоявшимся скважинам. 

       Классический способ изучения теплового потока основан на раздельном измерении геотермического градиента и теплопроводности горных пород в скважинах. Такая методика определения теплового потока требует высокоточных измерений температуры, поэтому её вычисляют на основе замеров температуры в долго простаивающих скважинах.

Важное значение при изучении теплового потока имеет также обязательная приуроченность измерений геотермического градиента к местам взятия проб для исследования пород.

Для получения истинных величин теплового потока необходимо или измерять горных пород в условиях пластовых температур и давлений, или вводить поправку, позволяющую приводить данные лабо­раторных анализов в соответствии с пластовыми условиями.

       Сравнение результатов рассчитанных величин теплового потока, с использованием  теплопроводностей, измеренных в условиях нормальных  и глубинного моделирования, показывает, что не учет влияния пластовых давлений и температур на теплопроводность осадочных пород приводит к завышению или занижению теплового потока на I3-30%.

Рассматривается распределение теплового потока некоторых скважин Северного и Южного Дагестана. Тепловой поток - более стабильная тепловая характеристика разреза, в то время как градиент температуры и теплопроводность горных пород сильно варьируют по латерали. Максимальный тепловой поток на территории Северного Дагестана равняется 196 мВт/м2, минималь­ный - 80 мВт/м2, а средний – I06 мВт/м2. В Южном Дагестане максимальный тепловой поток равняется 277 мВт/м2, минимально - 77 мВт/м2,  средний – 100 мВт/м2. Широкий диапазон колебаний величин теплового потока для месторождений Северного и Южного Дагестана, видимо, является следствием влияния различных факторов: климатических, то­пографических, гидрогеологических, биологических, факторов осадконакопления, структура региона, тектоники и др. Используя, данные о плотности теплового потока и теплопроводности горных пород в изучаемом регионе нами оценены температуры на глу­бинах, недостигнутых бурением.

       Для прогнозирования температур на глубине до 10 км использованы прогнозные температуры по средней величине плотности теплового потока в данном регионе.. 

Данные прогнозирования температур до глубина 3 км (средняя глубина скважины в Южном Дагестане) получены по среднему градиенту в каждой скважине. Такое прогнозирование от забойных температур до 3 км осуществлено для скважин, глубина которых меньше чем 3 км, а для скважин глубиной 3 км или больше применены восстановленные по измерениям температуры. Максимальное число скважин в Южном Дагестане имеют среднее значение плотности теплового потока, равное 0,1 Вт/м2 (рис.7). По результатам такого прогнозирования получена максимальная разность температур Южного Дагестана на глубине 10 км, равная 86 градусам. Кроме того, такая разность температур соответствует и разности прог­нозированных и измеренных температур на глубине 3 км, а разность температур в скважинах Селли-11 и Дузлак-102 составляет 77 градусов.

В Северном Дагестане, где глубина скважины не меньше 4-5 км, прогнозирование температур начинается с глубины 6 км. Прогнозирование проведено по наиболее характерному значению теплового потока. Максимальное число скважин имеет плотность тепло­вого потока 0,106 Вт/м2. Такой подход к прогнозированию температур Северного Дагестана определяется особенностями, выяв­ленными ранее выполненным прогнозом температур Южного Дагестана, и глубиной скважин в этом районе. Разность прогнозируемых температур на глубине 10 км составляет 28 градусов. По сравнению с Южным Дагестаном, где разность на этой глубине составляет 86 градусов, такую величину, видимо, можно объяснить ожидаемым здесь изменением глубин карбонатного фундамента. Дальнейшее прогнозирование прово­дилось с учетом характера изменения геотермического градиента по глубине. Такое прогнозирование наиболее близко к ожидаемым величинам. При этом для Северного и Южного Дагестана не наблюдается аномального распределение отличного от ожидаемых по результатам доступных измерению.

Из отмеченного выше можно сделать вывод о том, что при отсут­ствии данных о тепловом потоке с достаточной для общих построений точностью могут быть использованы прогнозные температуры на глубине 10 и более км, определенные по глубинному распределению градиентов.

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ  ИССЛЕДОВАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ И РЕШЕНИЯ

ГЕОЛОГО - ГЕОФИЗИЧЕСКИХ, ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

Пятая глава посвящена применению результатов теплофизических исследований горных пород для решения геолого-геофизических и геотермических задач.

В параграфе один главы рассматривается методика, предназначенная для поис­ка и разведки залежей флюидных полезных ископаемых, может быть применена для повышений эффективности разработки нефтегазовых и геотермальных месторождений.

Известная методика поиска и разведки залежей флюидных полезных ископаемых, использующей геотермические параметры, которые характеризуют возможность его осуществления (Соколов Б. Л. и др., 1974 г.) не рассматривает возможность поиска геотермальных месторождений и не позволяет достоверно выявить полезный объем на глубинах не достигнутых бурением.

Цель методики - повышение эффективности поиска и разведки залежей флю­идных полезных ископаемых и достоверности выявления полезного объ­ема этих залежей.

Сущность предлагаемой методики заключается в следующем: в на­чале применяя известный ранее "Способ определения коэффициента веществ" (авт. св, СССР, № 760774, 1980 г.,) получают экспериментальные данные теплопроводности газо-нефте- и водонасыщенных образцов горных пород (гл.3). Затем, используя полученные экс­периментальные данные, определяют для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залега­ния пластов, соответствующие конкретной глубине в скважине и выяв­ляют ее изменчивость по горизонтам на различных глубинах путем нанесения их на геологическую карту региона. Такими условиями приняты усредненные значения распределения температур и давлений с глубиной в скважинах. В характере изменений водо-нефте- и газонасыщенных горных пород наблюдается тенденция ее уменьшения с ростом глубины, такое уменьшение является результатом преобладающего влияния температуры, Однако, степень этого уменьшения зависит как от насыщенного флюида, так и от литологического состава.

В параграфе два главы рассматривается влияние динамики температурного режима на тепловые параметры и на пористость коллекторов пласта при закачке отработанного теплоносителя в зону теплоотбора. Не учет смещения тепловых и емкостных характеристик пласта, вследствие изменения температурного режима в забойной зоне приводит к значительным неточнос­тям в расчете исходных проектных данных геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) при разработке  геотермальных месторождений.

В параграфе три главы, рассматривается определение расстояния между подъемными и нагнетательными скважинами ГЦС, а также определение давления и сроков разработки циркуляционных систем. Приведены оценки влияния изменения тепловых и емкостных характеристик пласта на эксплуатационные параметры ГЦС некоторых месторождений, что позволяет повысить точность этих параметров, а именно:

  а) из­меняет расстояние между разноименными скважинами, оцененных на основе табличных данных на 200-250 м, что эквивалентно уменьшению давления нагнетания в среднем на 20-25%;

б) приводит к заметному уменьшению срока эксплуатации терригенных коллекторов до момента начала охлаждения.

Проектные данные разработки геотермальных месторождений целесообразно проводить на основе достоверных фактических данных, полученных лабораторными и промысловыми исследованиями, для каж­дого месторождения с учетом их изменений в зависимости от температурного режима в зоне отбора тепла.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ        

        Впервые поставлены и решены ряд задач, связанных с малоизученной проблемой экспериментального исследования теплофизических свойств литологических образований, в том числе вместилищ для жидких и газообразных полезных ископаемых при термодинамических условиях, максимально приближенных к естественным.

     1. На основе анализа современного состояния теплофизических исследований горных пород показана необходимость создания конструктивно-методических основ изучения тепловых свойств флюидосодержащих горных пород (кернового материала) в условиях, моделирующих совместное влияние поровых давлений и температур с целью существенного повышения надежности и точности полученной информации. Идеальное повторение природной обстановки на образце, естественно, невозможно, поэтому изучение теплофизических свойств в большом диапазоне различающихся факторов и при их различных сочетания помогает выбрать наиболее приемлемые результаты для конкретного объекта. 

        2. Создана и конструктивно модифицирована оригинальная установка, для измере­ния теплопроводности флюидосодержащих горных пород на базе компенсационного метода плоского слоя, позволяющая моделировать естественные термодинамические условия и повышающая надежность и точность измерений изучаемого параметра (А. с. № 779870).

3. Усовершенствована методика по определению веществ в термодинамических условиях эксперимента, позволяющая повысить точность ее измерений (А. с. № 760774, ДСП).

4. Впервые проведено экспериментальное изучение теплопроводности образцов кернового материала, отно­сящихся к разным литологическим типам на значительном экспериментальном материале с различными коллекторскими свойствами, видом насыщающего флюида и установили степень изменения этого параметра. Результаты исследования представлены для широкого спектра пород на нефтяных, газовых, геотермальных и других месторождений в зависимости от характера коллектора и насыщающего флюида, а также от термобарических условий, что позволяет использовать для решения разнообразных региональных геолого-геофизических и геотермических задач:

а) от характера коллектора и вида насыщающего флюида

- теплопроводность для водонасыщенных карбонатных пород изменяется до 90-160%, за исключением одного образца с аномальными значениями до 300%, для терригенных 100-170%, для нефтенасыщенных карбонатных пород 30-140%, для терригенных 50-90%;

б) от термобарических условий

- установлены явления аномального изменения теплопроводности водонасыщенных карбонатных пород (при 293-573К и 0,1-110 МПа), обусловленные эндотермическими реакциями с переходом одной структурной модификации породы в другую.

При повышении температуры от 293 до 573К в интервале давле­ний от 0,1 до 150 MПla флюидонасыщенных карбонатных пород уменьшается (для газонасыщенных на 35-55%, для водонасыщенных на 45-85%, для нефтенасыщенных на 25-60% , для терригенных газонасыщенных на 20-55%, водонасыщенных на 15- 60%, для нефтенасыщенных на 15-60%).

При воздействии давления до 150 МПа в исследованном интервале температур газонасыщенных карбонатных пород увеличивается на 20-30%, водонасыщенных - на 15-20%, нефтенасыщенных - на 10-25%; для газонасыщенных терригенных увеличивается на 10-40%, водонасыщенных - на 10-25% , нефтенасыщенных - на 25-35%.

5. Экспериментально зафиксированы и сфотографированы полиморфные превращения некоторых водонасыщенных карбонатных пород в исследованном интервале температур. Отмечены аномальные явления теплопроводности этих пород, которые подтверждены Международной Ассоциацией научных открытий как научное открытие.

6. Автором вычислены поинтервальные термобарические коэффициенты теплопроводности исследованных  горных пород в диапазоне температур (293 –573К) и давлений (0,1-150 МПа) с дальнейшей практической рекомендацией. Разработана важная для геолого-геофизических и геотермических исследований методика оценки горных пород в условиях, совместного влияния изменения температур и поровых давлений, применяя термобарические коэффициенты теплопроводности полученных по экспериментальным результатам исследованных типов керновых материалов, которые могли бы служить основой для корректного расчетного определения теплопроводности.

7. Выбраны методы, созданы и отлажены экспериментальные установки, получены данные температуропроводности, теплоемкости род в интервале температур (298-673К). Определены плотность и пористость исследованных пород.

        8. Новые данные горных пород, полученные экспериментально, позволили оценить для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залегания; оценить глубинные температуры и тепловые потоки Северного и Южного Дагестана; построить модели распределения геотермических характеристик по глубинным разрезам месторождений региона; рассчитать проектные параметры рациональных схем ГЦС в задачах отбора глубинного тепла (определение расстояние между подъемными и нагнетательными скважинами, определение сроков службы ГЦС и др.

9. Решение задач стало возможным благодаря известным достижениям наук о Земле, в частности, конструктивно-методических основ и результатов с высокой надежностью и точностью экспериментальных данных, полученных с помощью аппаратуры, проверенной на эталонных образцах, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, и корректностью разработанных методик, позволяющих проводить самоконтроль измеряемых значений тепловых характеристик в процессе эксперимента, а также сходимостью полученных результатов с результатами исследований других авторов; - изучением различных типов горных пород, гарантирующего обоснованность выводов, касающихся средних значений и характерных особенностей поведения теплофизических параметров; - проведением петрографического анализа на шлифах образцов до и после исследования.

       10. Полученные результаты позволяют повысить эффективность решения геолого-геофизических задач как фундаментального, так и прикладного аспекта. Уточнение значений теплопроводности, приближенных к их состоянию в природной ситуации имеет большое значение для правильной оценки глубинных температур и глубинного теплового потока. Они позволяют более обоснованно подходить к постановке терморазведочных работ в изучаемом регионе. Более того, повысить качество интерпретации данных этих работ при решении важных хозяйственных задач, связанных с поиском, разведкой и разработкой месторождений полезных ископаемых (нефтегазовых и гидротермальных); с расчетом режимов глубокого и сверхглубокого бурения скважин; с использованием  геотермального тепла.

       Полученные результаты оказались полезными и были использованы в ниже приведенных решениях:

       -показано, что влагонасыщенных литологических комплек­сов как функция от давления и температуры, соответствующих глубинным условиям на уровне около 10 км, характеризуется небольшим диапазоном изменения величины (от 2,3 до 2,7 Вт/(м.К).

- показано, что для получения прогнозных значений глубин­ных температур кроме учета вертикальной зональности плотности теплового потока необходимо использование зависимостей как функция от Р, Т.

- разработана методика, повышающая эффективность поиска и раз­ведки залежей флюидных полезных ископаемых и достоверности влия­ния полезного объема этих залежей. (Патент № 2П7318).

-оценено влияние динамики температурного режима на тепловые и емкостные параметры коллекторов пласта и влияние изменения этих характеристик на эксплуатационные параметры ГЦС, что позволяет повысить их точность.

       Результаты внедрены на ведущих предприятиях:

1. В «НПЦ Подземгидроминерал» расчетах геотермальных циркуляционных систем и проектировании систем теплоснабжения (в за­дачах извлечения теплового потенциала Мостовского, Каясулинского и др. геотермальных месторождений).

2. В институте геологии Даг.ФАН СССР при проведении исследо­ваний по пpогнозу нефтегазоносности глубинных зон Восточною Предкавказья и шельфа Каспийского моря.

3. В Даг.ЭНИН при выборе перспективных зон на территории Дагестана для извлечения и использования высокопараметрического геотермального тепла в народном хозяйстве.

4. Разработанный высокоэффективный аппаратурно-измерительный комплекс, позволяющий провести прецизионные измерения при высоких давлениях и температурах, прошел метрологическую аттестацию средств измерений. Стенд схемы установки для исследования горных пород экспонировался на выставке стран СЭВ по использованию возобновляемых источников энергии и на 4 Международ. выставке «Наука. Научные приборы 2000».

  Основное содержание диссертации опубликовано

в следующих работах:

  1. А.с. 779670 (СССР). Устройство для измерения тепло­проводности /А.А.Курбанов // Б.И. 1980, № 42.

2. А.с. 760774 (СССР). Способ определения теплопроводности веществ /Х.А. Гаирбеков, А.А. Курбанов // Б.И. 1980.

3. Курбанов А.А. Теплопроводность газо- водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях моделирующих глубинные залегания пластов. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. С. 107-112.

       4. Курбанов А.А. Полиморфные превращения и аномальные явления теплопроводности в некоторых флюидонасыщенных карбонатных породах. // Физика Земли, 2002. №8. С. 89-96.

5. Kurbanov AA In requirements of tabular temperatures and pressures thermal properties of gas-, water- and oil saturation collectors // International conference “The earth’sthermal fieldrelated research methods”. Moscow‚ 2002. P.136-140. 

6. Курбанов А.А. Лабораторные исследования тепловых свойств горных пород при высоких давлениях и температурах. // Междунар. совещание: "Лабораторные исследования при высоких давлениях и их использование в промышленности". Уппсала, 1981. С. 75.

7. Курбанов А.А. Способ поиска и разведки залежей флюидных ископаемых. // Патент 2117318 (Россия)- опубл. в Б.И., 1988, № 22.

8. Гаирбеков Х.А., Курбанов А.А. Некоторые проблемы оценки глубинного теплового поля. // Изв. СКНЦ ВШ, Технические науки; 1987, №3, С. 23-26.

9. Курбанов А.А. Закономерности изменения теплофизических свойств флюидонасыщенных горных пород в пластовых Р,Т–условиях и способы их применения. Махачкала, 2000. 226с.

       10. Курбанов А. А. Теплофизические свойства пород-коллек­торов при различных давлениях и температуp. // Мат. Междунар. Экспедиции и симпозиума "Проблемы геофизики высоких давлений и температур", КАПГ-3, Острава, I99I. С. 43.

11. Влияние флюида на коэффициент теплопроводности горных пород при пластовых давлениях и температурах. /Амирханов, Х.И., Суетнов В.В., Гаирбеков X.А., Курбанов А.А. // Тепловое поле земли. Махачкала, 1979. Т. 2. С. 22-25.

       12. Гаирбеков Х.А., Курбанов А.А. Теплопроводность пород в Р,Т-условиях и оценка тепловых потерь // Термомеханика геотермальных систем. Махачкала, 1990. С. 62-70.

       13.Курбанов А.А. Исследование теплопроводности горных  пород в условиях одновременного влияния температуры, давления и флюида на образец // Мат. Междунар. геофизической конф. и выставки –2003. Москва, 2003. С. 56-59.

14.Курбанов А.А., Курбанова М.А. Экспериментальное и  аналитическое исследования проявлений теплопроводности горных пород в условиях больших глубин // Мат. Междунар. геофизической конф. «Геофизические исследования геодинамической обстановки и нефтегазоносности больших глубин». Баку, 2004. С. 67-68.

         15. Курбанов А.А. Совместное влияние пластовых температур и давлений на теплопроводность флюидонасыщенных коллекторов // Мат. докладов VΙΙ Междунар. конф.”Новые идеи в науках о Земле”. Москва, 2005. С.176.

16. Курбанов А.А. Теплофизические свойства флюидонасыщенных терригенных пород в условиях различных температур и давлений // Физика Земли, 2006. № 5 С. ( в печати).

       






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.