Закономерности изменения теплофизических свойств флюидосодержащих коллекторов при изменении температуры и порового давления

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

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

АВТОРЕФЕРАТ

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 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 - л 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 л 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 л при совместном их влиянии, в зависимости от рода и вида насыщающего флюида. При этом накоплено значительное количество данных по л коллекторов кернового материала и установлены закономерности изменения л в этих условиях. Установка и методика позволяют измерить л 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 л водонасыщенных известняка и мергеля в температурном диапазоне, связанные с полиморфными превращениями. Полиморфное превращение водонасыщенного мергеля экспериментально зафиксировано и сфотографировано. Отмеченное аномальное явление л 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 л 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 л воздушно-сухих образцов до исследования одновременного влияния различных температур и давлений для газо-, водо- и нефтенасыщенных образцов. Некоторые затруднения в подготовке прибора по л 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 л 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 л 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 л 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 л 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 л 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 л 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 л 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 л 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 л по результатам экспериментально исследованных типов горных пород, которые будут основой для корректного расчетного определения л по объединенному закону Эйкена-Бриджмена и введения поправок на давление и температуру в значении л по глубине.

Новые данные теплофизических свойств горных пород, полученные экспериментальным путем, позволили: оценить л 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 . 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 л диэлектриков, хотя она удовлетворительно описывает поведение л сухих горных пород при высоких температурах. В дисперсных средах факторами, определяющими их л, 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 л 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 л 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 л уменьшается по закону близкому к линейному. Барическая зависимость л 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 б 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 л 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 л 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 л 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 л по рабочей формуле способа: