Исследования тепловых свойств осадочных пород методом оптического сканирования

Коробков, Дмитрий Александрович

Автореферат диссертации по теме "Исследования тепловых свойств осадочных пород методом оптического сканирования"

Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе (РГГРУ)

На правах рукописи

КОРОБКОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков

полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете им. Серго Орджоникидзе

доктор физико-математических наук, проф. Ю.А. Попов

зав. НИЛ проблем геотермии РГГРУ P.A. Ромушкевич с.н.с. ИФЗ РАН, к.ф-.м.н. И.О. Баюк

доктор технических наук, проф. Е.А. Поляков

кандидат физико-математических наук, с.н.с. В.Г. Попов"

Ведущая организация: Геологический институт РАН

Защита состоится 13.04.2006г. в 15 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.121.07 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.23, ауд 6-38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГГРУ. Отзывы, заверенные печатью учреждения, в двух экземплярах просим направлять по адресу 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.23, РГГРУ, Ученому секретарю Диссертационного совета.

Автореферат разослан 13.03.2006г.

Научный руководитель: Научные консультанты:

Официальные оппоненты:

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Г.Н.Боганик

<Ш6А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Последние десятилетия характеризуются развитием и быстрым внедрением новых методов геотермических исследований нефтегазовых месторождений, основанных на применении оптико-волоконных датчиков для измерений температуры в скважинах, интерпретации пространственно-временных вариаций температуры и анализе распределения плотности теплового потока в горных массивах. Все это, а также повышение важности фундаментальных и прикладных геотермических и петрофизических исследований осадочных бассейнов в рамках континентального научного бурения привело к необходимости значительно повысить уровень достоверности информации о тепловых свойствах осадочных пород.

При отсутствии в настоящее время достаточно надежных средств измерений тепловых свойств в скважинах изучение этих свойств сводится к массовым измерениям при нормальных термобарических условиях с последующим изучением влияния пластовых давлений и температур на отдельных образцах. В связи с этим актуальной задачей геотермических и петротепловых исследований является повышение уровня экспериментальных теплофизических исследований осадочных пород на керне лабораторными методами при нормальных условиях. Важным также является развитие инженерных теоретических моделей эффективных тепловых свойств осадочных пород, разработка методик измерений тепловых свойств с использованием шлама, создание подходов к прогнозу тепловых свойств пород по результатам нетепловых методов каротажа.

В условиях недостатка данных о теплопроводности и особенно температуропроводности осадочных горных пород, имеющейся в справочной и научно-технической литературе, актуальным является получение существенно более представительной, хорошо обеспеченной с метрологической точки зрения экспериментальной информации о тепловы)

«пйаг*а?и<раэтвшмк; типов этих БИБЛИОТЕКА { С. Петер*1РПЗ/10Г' « РЭ ЩшЦ^ ,

пород. Решение этой задачи способствует получению надежных данных о связях тепловых свойств с другими физическими свойствами осадочных пород, в первую очередь - с коллекторскими свойствами. Создание представительных баз данных по тепловых свойствам осадочных пород и их корреляционным связям с другими свойствами должно стать важным результатом таких работ. Совершенствование экспериментально-методической базы теплофизических измерений позволит расширить информацию о вертикальных вариациях и глубинных значениях плотности теплового потока на участках бурения скважин.

Цель работы

Целью работы является развитие теоретической и экспериментально-методической базы определения тепловых свойств горных пород, повышение представительности и надежности экспериментальной информации о тепловых свойствах осадочных пород и плотности теплового потока для разных регионов.

Основные задачи исследований

В соответствии с поставленной целью в работе решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:

1. Совершенствование экспериментально-методической базы для измерений тепловых свойств горных пород на керне при нормальных термобарических условиях.

2. Разработка методов определения тепловых свойств горных пород при отсутствии кернового материала.

3. Расширение метрологически обоснованной информации о тепловых свойствах различных типов осадочных горных пород с учетом тепловой анизотропии и неоднородности пород.

4. Анализ корреляционных зависимостей тепловых свойств с коллекторскими и другими физическими свойствами осадочных пород.

5. Повышение эффективности применения теоретической модели эффективной теплопроводности Лихтенеккера при теплофизических исследованиях осадочных пород.

6. Создание базы данных по тепловым свойствам осадочных пород на основании высокоточных массовых измерений на керновом материале.

7. Получение экспериментальной информации о вертикальных вариациях и глубинных значениях плотности теплового потока.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны экспериментально-методические и метрологические подходы, повышающие качество измерений теплопроводности и температуропроводности горных пород методом оптического сканирования в лабораторных условиях и улучшающие надежность корреляционного анализа при петрофизических исследованиях.

2. На основе массовых прецизионных измерений тепловых свойств различных типов осадочных пород на представительных коллекциях керна, отобранных с нефтяных и газовых месторождений и объектов научного бурения, получены представительные, метрологически обоснованные данные о тепловых свойствах осадочных пород.

3. По результатам обширных экспериментальных исследований установлены корреляционные зависимости между тепловыми и другими физическими свойствами различных типов осадочных пород.

4. Путем определения поправочных коэффициентов для различных литотипов повышено качество оценки теплопроводности осадочных пород с использованием теоретической модели Лихтенеккера.

5. Создана методика определения теплопроводности и температуропроводности пород по шламу.

6. На основе установленных корреляционных связей между тепловыми и другими физическими свойствами показана возможность оценки тепловых свойств по результатам нетепловых видов каротажа.

7. Получены новые экспериментальные данные о распределении плотности теплового потока с гллбиной и его глубинных значениях для различных регионов.

Защищаемые научные положения

1. Разработанная методика исследований тепловых свойств осадочных горных пород, включающая обеспечение прецизионных измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости, учет неоднородности образцов, преимущественное использование составляющей теплопроводности вдоль слоистости пород и использование относительного изменения теплопроводности при флюидонасыщении образцов в качестве информативного параметра, обеспечивает повышение качества корреляционного анализа связей между тепловыми и другими физическими свойствами пород.

2. Результаты массовых прецизионных измерений теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициента тепловой анизотропии для более чем 2500 образцов осадочных пород обеспечили формирование базы данных по тепловым свойствам пород и являются представительной основой для установления корреляционных связей тепловых свойств с другими физическими свойствами и позволяют регистрировав вертикальные вариации плотности теплового потока при геотермических исследованиях.

3. Использование корректирующих коэффициентов, определенных экспериментально для различных литотипов пород на представительных коллекциях, включающих более 870 образцов, повышает эффективность применения теоретической модели теплопроводности Лихтенеккера для оценки теплопроводности осадочных горных пород.

4. Определение эффективных тепловых свойств искусственных композитных образцов, изготавливаемых из шлама и двух заполнителей с различными тепловыми свойствами, с последующим расчетом теплопроводности и температуропроводности пород на основе теоретических моделей тепловых свойств неоднородных сред и использование комплекса установленных корреляционных зависимостей между теплопроводностью и другими физическими свойствами в совокупности с нетепловыми видами каротажа позволяют оценивать тепловые свойства осадочных горных пород в условиях отсутствия кернового материала.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в следующем.

1. Созданы новые и усовершенствованы уже существующие экспериментальные и теоретические подходы для определения тепловых свойств горных пород как при наличии кернового материала, так и при его отсутствии;

2.' Разработана представительная база данных по тепловым свойствам осадочных горных пород и их корреляционным связям с другими физическими свойствами, повышающая достоверность геотермических и петрофизических исследований как фундаментального, так и прикладного характера;

3. Получена представительная информация о вертикальных вариациях плотности кондуктивного теплового потока по ряду научных и структурных скважин и уточнены значения глубинного теплового потока на участках бурения скважин в различных регионах, что необходимо при решении фундаментальных и прикладных геолого-геофизических задач.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты работы использованы в научных исследованиях РУДН им. Патриса Лумумбы, МГУ им. Ломоносова, ФГУП НПЦ «Недра», ОАО «Архангельскгеолдобыча».

Результаты работ использованы в работах по проектам, поддерживаемым Московским научным центром компании Шлюмберже.

Полученные результаты использованы при выполнении совместных проектов по Международной программе континентального глубокого бурения (ICDP) с Берлинским техническим университетом, университетов Карлсруэ (ФРГ), а также при выполнении совместного проекта с университетом Аахена

(ФРГ)-

Результаты работы внедрены в Научно-исследовательской лаборатории проблем геотермии Российского государственного геологоразведочного университета и Центре коллективного пользования уникальной геотермической аппаратурой РГГРУ-РФФИ.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на III и V Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Геофизика" в Санкт-Петербурге (1999 г., 2003 г.); Международной конференции «Термо-гидро-механические воздействия в трещиноватых породах» в Бад-Хоннефе, Германия (2000 г.); Международной геотермической конференции «Геотермия на рубеже столетий» в г. Эвора, Португалия, 2000 г.; 5-й Международной конференции «Тепловой поток и структура литосферы» в 2001 г. в г. Коштелец, Чехия; Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» 2002 г. в Москве; Международной геофизической конференции 2003 г. в Потсдаме, Германия; Международной генеральной ассамблее EGS-AGU-EUG 2003 г. в Ницце, Франция; IV Международной конференции «Физико-химические и петрографические исследования в науках о Земле» 2003 г. в Москве; Международном симпозиуме «Новое и классическое применение данных о тепловом потоке» 2004 г. в Аахене, Германия; Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» 2000-2005 гг. в Москве.

Публикации

Результаты работы отражены в 9 научных статьях и 12 тезисах докладов, сделанных на Международных научных конференциях.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 117 страниц машинописного текста, 65 рисунков, 25 таблиц, библиографию из 97 наименований.

Работа выполнена в Научно-исследовательской лаборатории проблем геотермии при кафедре технической физики и физики горных пород Российского государственного геологоразведочного университета.

Автор глубоко благодарен научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Попову Ю.А. Автор признателен заведующей НИЛ проблем геотермии РГТРУ Ромушкевич Р.А. за большую помощь при геологическом анализе изучаемых коллекций и расширение его геологического кругозора и к.ф.-м.н. Баюк И.О. за участие в теоретическом обеспечении петротепловых исследований. Автор выражает благодарность к.ф.-м.н. В.В. Тертычному за творческое участие в развитии данного научного направления. Автор благодарит заведующего лабораторией ВНИГНИ к.г.-м.н. Э.Г. Рабица за консультации по методам изучения свойств осадочных пород. Автор пользуется случаем поблагодарить всех сотрудников кафедры технической физики и физики горных пород РГГРУ и НИЛ проблем геотермии за внимание, помощь и ценные советы в работе.

Автор считает своим долгом выразить благодарность Московскому научному центру компании Шлюмберже (Schlumberger Moscow Research) за многолетнюю поддержку развития петротепловых исследований.

Автор благодарит также Российский фонд фундаментальных исследований за поддержку фундаментальных геотермических исследований, в

рамках которых выполнена часть работы, и ФГУП НПЦ «Недра» за предоставление коллекций керна научных скважин и результаты термометрии в научных скважинах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследований, приведены защищаемые положения, охарактеризованы научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 приводятся результаты анализа современного состояния экспериментальных исследований тепловых свойств осадочных пород, описано место этих исследований в комплексе геофизических работ, показаны характерные трудности этих исследований и наиболее перспективные пути преодоления проблем.

Показано, что за предыдущие годы геотермических и петротепловых работ была создана достаточно развитая аппаратурно-методическая основа для экспериментальных исследований тепловых свойств горных пород Большой вклад в этом направлении внесли ученые России и стран СНГ И.В. Голованова, В.А. Голубев, Р.П. Дорофеева, В.П. Коболев, A.A. Курбанов, Р.И. Кутас, A.A. Липаев, У.И. Моисеенко, Г.И. Петрунин, Б.Г. Поляк, В.Г. Попов, Е.В. Смирнова, Л.С. Соколова, М.Д. Хуторской, Ю.Г. Шварцман, В.А. Щапов, С.Н. Эмиров, Б.А. Яковлев и др. Из зарубежных исследователей необходимо отметить вклад Д. Блэквелла, Ф. Бриго, Г. Буркарта, У. Зайпольда, К. Клаузера, И. Кукконена, Д. Прибноу, Дж. Сасса, Э. Хюнгеса, В. Чермака, Я. Шафанды, Р. Шельшмидта и др.

Результаты анализа показывают, что в настоящее время основным источником данных о тепловых свойствах горных пород являются измерения на керне при нормальных термобарических условиях. Вместе с тем, измерения тепловых свойств осадочных пород на керне традиционными методами до последнего времени были серьезно затруднены. Это связано с высокой пористостью и трещиноватостью осадочных пород, их разрушаемостью при

механической обработке и при флюидонасыщении, трудностью обеспечения хорошего теплового контакта образцов пород с элементами измерительной ячейки, существенной неоднородностью и анизотропией пород, отсутствием средств для высокоточных измерений температуропроводности и объемной теплоемкости. В связи с этим ранее опубликованные данные о тепловых свойствах осадочных пород характеризуются небольшим объемом изученных коллекций, отсутствием данных о тепловой анизотропии. В большинстве случаев изучались только сухие образцы или флюидонасыщение проводилось без необходимого- вакуумирования. До последнего времени практически отсутствовала аппаратурно-методическая база с хорошим метрологическим обеспечением для измерений температуропроводности и объемной теплоемкости, надежные эталоны температуропроводности.

В работе показано, что существенное повышение уровня экспериментально-методической базы для исследований тепловых свойств осадочных пород при нормальных термобарических условиях возможно на основе технологии оптического сканирования, разработанной в РГТРУ и способной обеспечить одновременные бесконтактные неразрушающие измерения комплекса тепловых свойств - теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости - с учетом анизотропии и неоднородности пород. Для обеспечения прецизионного уровня измерений (с уровнем основной погрешности не более 2,5% для теплопроводности и 4% для температуропроводности при доверительной вероятности 0,95) необходимо создание представительного набора эталонов теплопроводности и температуропроводности, включающего эталон тепловой анизотропии, охватывающего весь диапазон тепловых свойств осадочных пород (0.2...8 Вт/(м К) для теплопроводности и (0.1.. .4)-10'6м7/с для температуропроводности).

На основе усовершенствованной экспериментально-методической базы становятся возможными массовые измерения тепловых свойств на коллекциях как сухих, так и водо- и нефтенасыщенных образцов керна, и более надежное изучение корреляционных связей между тепловыми и другими физическими

свойствами. В связи с существенной неоднородностью пород при изучении корреляционных связей необходимо обеспечивать измерения всех изучаемых свойств на одних и тех же образцах пород. Важным результатом массовых измерений на основе новой экспериментально-методической базы должно явиться создание представительной базы данных тепловых свойств' осадочных пород.

В условиях отсутствия керна необходима разработка методов для измерения тепловых свойств с использованием шлама пород и результатов нетепловых методов каротажа, а также развитие простых теоретических моделей эффективной теплопроводности горных пород, способных обеспечить удовлетворительную оценку теплопроводности при наличии данных о теплопроводности минерального скелета и пористости пород.

Важным результатом решения вышеперечисленных задач должно стать получение надежной информации о тепловых свойствах горных массивов при геотермических исследованиях и регистрация вертикальных вариаций плотности кондуктивного теплового потока.

Глава 2 посвящена описанию экспериментальных исследований тепловых свойств осадочных пород. В главе охарактеризована усовершенствованная методика теплофизических исследований и приведены результаты массовых измерений.

Предложены усовершенствования методики теплофизических исследований осадочных горных пород, включающие правила выбора эталонов при измерениях температуропроводности, специальное высушивание и водонасыщение с использованием вакуумирования перед измерениями тепловых свойств соответственно сухих и водонасыщенных пород, измерения всех физических свойств на одном и том же образце, использование компоненты тензора теплопроводности в направлении параллельно слоистости при анализе корреляционных связей теплопроводности и ее вариаций при водонасыщении с пористостью, акустическими и электрическими свойствами.

Для метрологического обеспечения одновременных измерений комплекса тепловых свойств пород (теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости) создана коллекция, состоящая из 15 эталонов тепло- и температуропроводности. Коллекция перекрывает диапазон тепловых свойств осадочных пород и основных породообразующих минералов. Экспериментально установлено, что при измерениях температуропроводности методом оптического сканирования, предусматривающем использование двух эталонов тепловых свойств, наименьшие случайная и систематическая погрешности достигаются в том случае, если температуропроводность измеряемого образца Яовр находится в диапазоне аУГ2<аовр<0,6-(а7, |+аэт2) и соблюдается соотношение Дут \loni < 3, где дэт.| и аугг - температуропроводность эталонов.

Установлена необходимость водонасыщения осадочных пород под вакуумом, так как водонасьпцение при атмосферном давлении, применявшееся в подавляющем большинстве предыдущих работ, приводит к занижению результатов измерения теплопроводности до 20%.

В работе описаны результаты массовых измерений тепловых свойств (горизонтальной и вертикальной компонент тензоров тепло- и • температуропроводности, объемная и удельная теплоемкости, коэффициенты

тепловой анизотропии и неоднородности) сухих и водонасыщенных пород на представительных коллекциях образцов керна Оренбургского газоконденсатного месторождения, нефтяных месторождений Северное Хоседаю, СамотлорсйЬе, Ем-Еговское, Вать-Еганское, Талинское, месторождений Калининградского вала. Изучены тепловые свойства керна научных скважин Тюменская сверхглубокая (СГ-6), Тимано-Печорская глубокая, Яксопойл-1 (импакгная структура Чиксулуб, Мексика) и структурных скважин Средне-Няфтинская (Мезенская синеклиза), Северо-Молоковская, Высоковская и Гаврилов-Ямская (Московская синеклиза). Изученные коллекции представлены карбонатными и терригенными породами. Проведены измерения тепловых свойств образцов нефтяных месторождений Калининградского вала в нефтенасыщенном состоянии. На коллекции керна Самотлорского месторождения изучено влияние

степени солености насыщающего флюида на результаты измерений теплопроводности. Приведены результаты статистической обработки для каждого литологического типа каждой изученной коллекции. Изученные физические свойства пород характеризуются значительными вертикальными вариациями, проявляющимися на различных уровнях масштаба — от единиц до сотен метров. Так, теплопроводность водонасыщенных пород, вскрытых Тюменской сверхглубокой скважиной СГ-6, варьирует от 1.14...2.41 Вт/(мК) для аргиллитов до 3.83...5.45 Вт/(м К) для конгломератов.

На основе обширной оригинальной экспериментальной информации создана база данных по тепловым свойствам осадочных горных пород. Основу базы данных составили результаты массовых измерений тепловых свойств на более 2500 образцах керна скважин, пробуренных в осадочных толщах. База данных содержит информацию о месте отбора керна, возрасте и вещественном составе пород. Из тепловых свойств в базу данных вошли тепло- и температуропроводность, коэффициент тепловой анизотропии и неоднородность, удельная и объемная теплоемкости для сухих, водо- и нефтенасыщенных пород. Из нетепловых свойств в базу данных включены пористость, проницаемость и плотность.

Полученные экспериментальные данные представляют собой информационную основу по тепловым свойствам осадочных пород, необходимую как для изучения теплового режима блоков коры, так и для анализа тепловых режимов скважин и горных массивов в процессе бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Проведенные измерения тепловых свойств различных типов горных пород позволяют сделать заключение о том, что в большинстве случаев даже в пределах одного образца наблюдается значительная тепловая неоднородность с вариациями теплопроводности до 30-40%, как правило, обусловленная вариациями пористости. Это позволило сделать вывод о том, что для изучения корреляционных связей между тепловыми и другими физическими свойствами пород необходимо, измерения всех свойств проводить на одном и том же

образце. Такой подход использовался при анализе корреляционных связей в данной работе.

Сочетание данных о теплопроводности образцов при их сухом и водонасыщенном состоянии позволило оценить трещиноватость пород и ее возможную ориентацию, дало возможность выявить вертикальную зональность пористости и проницаемости пород вдоль скважины. Проведенные измерения позволили получить данные о комплексе тепловых свойств - теплопроводности, температуропроводности, объемной и удельной теплоемкости - и пористости пород гигантской импактной структуры Чиксулуб.

С использованием полученных детальных данных о вертикальном распределении теплопроводности пород рассчитаны значения плотности кондуктивного теплового потока q вдоль ряда скважин, пробуренных в Московской синеклизе. Установлены значительные вертикальные вариации и общее возрастание q с глубиной для всех изученных скважин Московской синеклизы. Значения плотности теплового потока в нижних частях скважин (64...77 мВт/м2 для Северо-Молоковской, 52...64 мВт/м2 для Высоковской и 69...71 мВт/м2 для Гаврилов-Ямской скважин) в целом согласуются с оценками теплового потока, сделанными ранее в работах НИЛ проблем геотермии .РГТРУ, и существенно отличаются от оценок, сделанных Л.Н. Люсовой (1979) (42...59 мВт/м2) и от данных Геотермического атласа Европы (Geothermal atlas of Europe, 1992) (25...50 мВт/м2).

На основе результатов массовых измерений тепловых свойств пород, вскрытых научной скважиной Яксопойл-1 (Мексика), и данных о равновесном термоградиенте (полученных нами по результатам термокаротажа, выполненного специалистами университета Карлсруэ), определены вертикальные вариации и значение плотности глубинного теплового потока для гигантской импактной структуры Чиксулуб. Установлены вертикальные вариации q в пределах 65-95 мВт/м2 с возрастанием q с глубиной. В результате плотность глубинного теплового потока оценена в 80-85 мВт/м2, что

значительно превышает прежние оценки (45-50 мВт/м2, Blackwell, 1994), сделанные на основе менее представительных экспериментальных данных.

Установлены значительные вертикальные вариации плотности теплового потока вдоль Тимано-Печорской глубокой скважины (от 28-35 мВт/м2 в интервале глубин 5350-5550 м до 80-105 мВт/м2 в интервалах глубин 4800-5000, 5650-5950 м и в призабойной части скважины). Среднее значение q в интервале глубин 4400-6800 м составляет 68,3 мВт/м2, что превышает прежние оценки (4550 мВт/м2 по данным Геотермического атласа Европы, 1982), сделанные по результатам экспериментальных исследований в неглубоких скважинах.

Результаты измерений теплопроводности пород, вскрытых Тюменской сверхглубокой скважиной СГ-6, позволили установить возрастание плотности теплового потока с 75 мВт/мг в интервале глубин 3900-4400 м до 90 мВт/м2 на глубинах 5300-6000 м с понижением плотности теплового потока до ~ 80 мВт/м2 в интервале глубин от 6100 м до забоя. Плотность глубинного теплового потока в районе бурения скважины оценена в 78-85 мВт/м2, что значительно (до 40%) превышает прежние оценки (52-60 мВт/м2 по данным А.Р. Курчикова), полученные на основе измерений в менее глубоких скважинах.

Глава 3 посвящена изучению корреляционных связей тепловых свойств пород с пористостью, проницаемостью, удельным электрическим сопротивлением, упругими свойствами и рядом других свойств.

На основании результатов теплофизических измерений на керне установлено, что наиболее информативной для петрофизических исследований является компонента тензора теплопроводности, направленная в плоскости напластования А.ц (рис. 1). Это объясняется тем, что даже отдельные трещины, часто ориентированные вдоль напластования, существенно влияют на теплопроводность в направлении, нормальном к плоскости трешиноватости, в то же время практически не изменяя пористости, что значительно искажает характер зависимости между пористостью и теплопроводностью.

17

Известно, что теплопроводность сухих образцов осадочных пород определяется в первую очередь

пористостью, в т.ч. формой и ориентацией пор в пространстве. Однако встречающиеся в литературе результаты исследований влияния пористости на теплопроводность чаще всего не позволяют сделать определенного заключения о тесноте и характере этих связей. Это вызвано тем, что измерения теплопроводности в большинстве случаев проводились на небольших выборках, без надлежащего учета анизотропии и тепловой неоднородности образцов, без должного подхода к высушиванию и флюидонасыщению образцов, обеспечению геологической однородности изучаемых коллекций, часто без учета влияния контактного теплового сопротивления между образцом и измерительным зондом, что для осадочных пород является особенно сложной задачей. В связи с этим, описанные в главе 3 новые экспериментальные данные, полученные автором с учетом указанных недостатков представляют более надежную информацию о корреляции теплопроводности и пористости.

В главе описаны результаты экспериментального изучения зависимости теплопроводности (параметр А.ц) карбонатных и терригенных пород от пористости, выполненные на представительных коллекциях пород с использованием усовершенствованной методики измерений. В результате для сухих пород с пористостью более 5% установлена тесная корреляционная связь между изучавшимися параметрами (коэффициенты корреляции -0.87...-0.97), охарактеризованная уравнениями регрессии для каждого изученного типа пород

а

у = 3.56е-0.0324х Я = -0.87

* Компонента вдоль напластования

о Компонента перпендикулярно напластомиия

у = 2 14е-0018х Я = -0.55

10

25

30

15 20

.Пористость, %

Рис.1 Корреляция теплопроводности Хх и Зц воздушно-сухих пород Ем-Еговского месторождения с пористостью.

(таблица 1). Установленные коэффициенты корреляции существенно выше, чем аналогичные параметры полученные при подобных исследованиях. Это связано с применением автором более совершенной методики, чем применявшиеся ранее. На основании полученных уравнений регрессии были определены значения теплопроводности минерального скелета. Для водонасыщенных пород наблюдается более сложная ситуация, так как с уменьшением контраста при водонасыщении между теплопроводностями минерального скелета (2.5...7.7 Вт/(м-К) и порового флюида (Х.8ОЗд>ха=0.024 Вт/(м К), Хтдь, =0.60 Вт/(м К)) более значимую роль в теплопроводности пород начинает играть минеральных состав, в особенности при наличии кварца (лкварца =7.76 Вт/(м-К)), поэтому связь теплопроводности водонасыщенных пород с пористостью для изученных коллекций осадочных пород является слабой или отсутствует.

Показана высокая информативность параметра ^цнлАцсух. представляющего собой отношение теплопроводности водонасыщенных пород и теплопроводности пород в их сухом состоянии, для петрофизических исследований. Достоинством этого параметра является слабое влияние на него теплопроводностй" минерального скелета. Для изученных коллекций были установлены тесные корреляционные зависимости между параметром А.цна<А||сух и такими характеристиками пород, как пористость и проницаемость. Уравнения регрессии и коэффициенты корреляции для этих зависимостей приведены в таблице 2. Установленная корреляция параметра ^¡нас^йс>х ^ пористостью является тесной во всем диапазоне пористости осадочных пород.

Проанализирована связь теплопроводности с температуропроводностью для сухих и водонасыщенных пород. Установлено, что зависимость температуропроводности "а" от теплопроводности отлична от линейной, что противоречит имеющимся в петрофизике предположениям о стабильных значениях объемной теплоемкости. Для всей совокупности изученных

Таблица 1. Основные результаты корреляционного анализа для изученных типов осадочных пород различных регионов. В таблице X. - теплопроводность, Ф - пористость.

Место отбора керна X минерального >ч;сух =ДФ) К-во образцов

Порода Цемент скелета, Вт/(м-К) Уравнение Коэффициент

регрессии корреляции

Кварцевый песчаник Кварцевый Месторождения Калининградского вала 5.96 Ь=5.96-е^м97<> -0.82 46

Полимиктовый песчаник Глинистый Вать-Еганское месторождение 2.69 1 X = 2.69-е-0 -0.81 20

Полевошпат-кварцевый песчаник Глинистый ----.//---- 3.04 ^=3.04-e-OM7"t> -0.84 24

Слюдисто-полевошпат-кварцевый песчаник Глинистый 2.82 Х = 2.82е-°02,г-ф -0.81 52

Аркозовый алевролит Глинистый ---.//----- 3.18 Х = ЗЛв-е-0 034'"1' -0.87 30

Слюдисто-полевошпат -кварцевый алевролит Глинистый -----//.----- 3.01 >. = 3.01-е-0 031411 -0.90 16 3

Кварцевый алевролит Глинистый Ем-Еговское месторождение 3.15 Х = З.Зб-е"00324'® -0.97 85

Полевошпат-кварцевый алевролит Глинистый Самотлорское месторождение 2.59 -0.96 60

Аргиллит —.//■----- 2.53 Х = 2.53е-ООМ7-ф -0.87 33

Полевошпат-кварцевый песчаиик Глинистый -----.// - 2.60 Х. = 2.60-е"0 0301-ф -0.91 201

Полевошпат-кварцевый песчаник Карбонатный ----//--- 2.88 Х - 2.вв-е"0 0334'4' -0.95 21

Известняк Имп.стр. Чиксулуб 3.03 Х = З.ОЗ-е-0034*"® г0.95 150

Доломит .—.//.----- 4.78 Х = 4.78-е-0 W6*-" -0.83 60

Известняк Месторождение С. Хоседаю 2,66 ^гбб-е-0023*0 -0.94 51

Известняк ..........А . ... Оренбургское месторождение 2.70 Х = 2.70-е"0 0252,0 -0.91 89

Таблица 2. Данные анализа связи параметра ¡ЦшсАцсух с коллекторскими свойствами (пористость -Фи проницаемость - Р) осадочных пород некоторых нефтегазоносных провинций России.

Порода Цемент Место отбора керна ^¡III«A||cy* ~ЛР) К-во образцов

Уравнение Регрессии Коэффициент корреляции Уравнение регрессии Коэффициент корреляции

Кварцевый песчаник кварцевый Месторождения Калининградского вала у = 1.0446е0044** 0.77 у=1Л65х00"« 0.70 46

Полимиктовый песчаник глинистый Вать-Еганское месторождение уш 1.1243еоои2х 0.80 у = 1.428Х0 03* 0.82 20

Полевошпат-кварцевый песчаник глинистый -----.//.----- у = Ь0821еООИ9х 0.78 у» 1.488Х00346 0.81 24

Слюдисто-полевошпат-кварцевый песчаник глинистый ----//.— у = О.9243е0<Ш4х 0.88 у=1.519хомо$ 0.86 52

Полевошпат-кварцевый алевролит глинистый -----.//.----- у = 0.9831еооли* 0.70 у-1.475хои" 0.71 30

Слюдисто-полевошпат-кварцевый алевролит глинистый у = 0.798е0 0355* 0.93 у = 1.430хомз' 0.67 16

Кварцевый алевролит глинистый Ем-Еговское месторождение у = О.8982е0 0312* 0.90 у = 1.781х0 063 0.88 85

Полевошпат-кварцевый алевролит глинистый Самотлорское месторождение у = 0.9707е°0303* 0.94 у = 1.692х° 0601 0.91 60

Аргиллит ----Ц------ у= 1.1485еишшх 0.91 у = 1.599х0045 0.82 33

Полевошпат-кварцевый ' песчаник глинистый у = 1.08е0027б!1 0.90 у = 1.655х0 0447 0.77 201

Полевошпат-кварцевый песчаник карбонатный у = 1.1787е° 0243х 0.97 у= 1.595хооиг 0.98 21

Известняк Имп.стр. Чиксулуб у = 0.8672еишя" 0.92 н/д н/д 150

Доломит -----.//----- у = 1.0184еи1М|"* 0.72 н/д н/д 60

Известняк Месторождение С. Хоседаю у = 1.0545е0017®х 0.91 у= 1.165Х00186 0.69 51

Известняк Оренбургское месторождение у=1.0918еОЮ1* 0.84 у= 1.022х013" 0.79 89

пород установленное уравнение регрессии имеет вид о=(0,048 Х2+0. 163 Х+0.510)-10"6 для сухих пород и о=(0,074 Х2-0.056 Я.+0.616)10"6 для водонасыщенных, при этом среднее отклонение от линии регрессии составляет ± 11%, а отклонение единичных значений не превышает 40% для сухих пород и ± 15% и 55% для водонасыщенных пород соответственно. Отличие зависимости от линейной и значительные отклонения от линии регрессии единичных значений обусловлено установленной экспериментально зависимостью объемной теплоемкости сухих пород от пористости и широким ее диапазоном ((1.3..,3)106 Дж/(м3К)) для пород с пористостью, близкой к нулевой (т.е. объемной теплоемкостью минерального скелета).

Установлены значимые корреляционные зависимости теплопроводности сухих пород от плотности, ~ определенной по результатам гамма-гамма плотностного каротажа, и от удельного электрического сопротивления. Выявлены также связь теплопроводности водонасыщенных карбонатных пород со скоростями продольных и поперечных упругих волн, связь параметра ?Н1иа<А||сух с радиоактивностью по данным гамма каротажа, плотностью по данным- гамма-гамма плотностного каротажа и удельным электрическим сопротивлением по данным лабораторных исследований.

»

Глава 4 посвящена развитию следующих подходов к определению тепловых свойств горных пород при бескерновом бурении скважин: (1) измерения на шламе, (2) прогноз тепловых свойств по данным нетепловых

методов каротажа, (3) расчет тепловых свойств с использованием инженерных

«

математических моделей.

Предложена и протестирована методика определения теплопроводности и температуропроводности осадочных пород на шламе. Суть методики состоит в (1) изготовлении двух синтетических образцов из шлама и двух, различных по тепловым свойствам, твердеющих наполнителей, (2) проведении измерений тепло- и температуропроводности каждого полученного искусственного образца методом оптического сканирования, (3) расчете теплопроводности шлама

(исходной породы) с помощью теоретической модели эффективной теплопроводности, предложенной И.О. Баюк (2002) и учитывающей форму, ориентацию и распределение частиц шлама в затвердевшем наполнителе (в искусственном образце), (4) расчете температуропроводности через объемные теплоемкости синтетических образцов с учетом тепловых свойств заполнителей. В качестве заполнителей предложено использовать жидкое стекло (А.=0.97 Вт/(м-К), а=0.24-10"6 м2/с) и эпоксидную смолу (Х.=0.21 Вт/(мК), а=0.096Ю* м2/с). Концентрация частиц шлама в синтетических образцах определяется через плотность образцов.

Результаты метрологического тестирования предложенной методики показали, что расхождения между значениями тепло- и температуропроводности, оцененными по шламу и измеренными на цельном керне, не превышают 10% и 17% соответственно.

Одним из вариантов решения проблемы определения тепловых свойств в

отсутствии кернового материала является математическое моделирование.

Существует множество сложных теоретических моделей, различающихся по

количеству рассматриваемых компонентов и способам учета структурных и

текстурных особенностей горных пород. Однако во многих случаях

предпочтительно использование простых моделей, среди которых наиболее

популярной является эмпирическая модель, предложенная Лихтенеккером

(1928). Эта модель рекомендуется многими исследователями для решения

различных задач тепловой петрофизики и геотермии (Pribnow and Sass, 1995;

Williams et al., 1995; Schoen, 1996 и т.д.), однако ее применение часто приводит к

недопустимым погрешностям, так как должно ограничиваться случаями малых

контрастов теплопроводности порового флюида и матрицы. Для устранения

данного недостатка Асаадом (1955) было предложено усовершенствовать

модель Лихтенеккера путем введения поправочного коэффициента f:

,е _ ,1-f P ,f'P Л - А м • Л, ф >

где Iе - эффективная теплопроводность, Я„ - теплопроводность минерального скелета, ?.ф - теплопроводность порового флюида,/- коэффициент, зависящий

от структурных особенностей породы, Р - пористость. Вместе с тем конкретных рекомендаций по выбору коэффициента / ни Асаадом, ни другими исследователями ранее сделано не было.

Для устранения этого пробела на основе обширных экспериментальных данных нами были определены значения коэффициента / для разных типов осадочных пород. Определения проведены путем измерений теплопроводности и пористости на представительных коллекциях керна с общим количеством более 870 образцов с дальнейшими оценками параметра f из модели Лихтенеккера-Асаада с учетом оценки теплопроводности минерального скелета (таблица 3). Теплопроводность минерального скелета рассчитывали с использованием теории эффективных сред, в частности, метода самосогласования.

Другим предложенным автором способом получения информации о теплопроводности пород при отсутствии кернового материала является использование корреляционных связей вариаций параметра XflmiAjcyx с данными гамма-гамма плотностного каротажа. Показано, что, сочетая установленные корреляционные зависимости между параметром и плотностью пород,

определяемой по данным гамма-гамма плотностного каротажа, и корреляционные зависимости теплопроводности сухих пород с пористостью, можно оценить теплопроводность водонасыщенных пород. При таких оценках для Самотлорского месторождения было получено удовлетворительное (среднее отклонение ±7%) совпадение результатов оценки с данными измерений на керне. Наблюдаемые более существенные расхождения для некоторых интервалов глубин (до 30%) можно связать с тем, что измерения теплопроводности на керне проводились при нормальных условиях, а каротажные данные соответствуют измерениям in situ.

Таблица 3. Корректирующие коэффициенты / теоретической модели Лихтенеккера-Асаада для различных типов пород с различной пористостью Ф.

Порода /грвяшв (/'мннимшмюс-./'максмиаяыюс)

4X5% \5%<Ф<15%\ Ф>15%

Самотлорское нефтяное месторождение

Алевролиты 0.63 (0.46-0.94) 0.65 (0.46-0.94) 0.62 (0.52-0.72)

Аргиллиты 0.60 (-0.29-2.18) 0.61 (-0.29-2.18) 0 58 (0.54-0.66)

Полевошпат-кварцевые песчаники с глинистым цементом 0.65 (0.07-0.77) 0.51 (0 07-0.77) 0.65 (0.52-0.75)

Полевошпат-кварцевые песчаники с карбонатным цементом 0.82 (0.25-2.95) 0.94 (0 25-2.95) 0.70 (0.62-0 82)

Импактная структура Чиксулуб

Известняки 064 (0.33-0.82) 0.57 (0.33-0.77) 0.65 (0.51-0.82)

Оренбургское газоконденсатное месторождение

Известняки 0.49 (0.07-0.78) 0.49 (0.07-0.78) 0.51 (0.30-0.64)

Нефтяные месторождения Калининградского вала

Кварцевые песчаники 0.74 (031-1.31) 0.75 (0.31-1.31) 0.70 (0.56-0.86)

Нефтяное месторождение С. Хоседаю

Известняки 0.48 (0.23-0.82) 0.45 (0.23-0.82) 0.55 (0.45-0.67)

Ем-Еговское нефтяное месторождение

Аргиллиты - - 0.58 (0.53-0.65)

Полевошпат-кварцевые алевролиты - - 0.61 (0.53-0.73)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

I. Для обеспечения прецизионного уровня теплофизических измерений с одновременным определением теплопроводности и температуропроводности создан набор эталонов тепло- и температуропроводности, перекрывающий диапазон тепловых свойств минералов и горных пород. Созданный набор эталонов позволяет проводить контроль качества измерений, текущий контроль при единичных измерениях тепло- и температуропроводности как изотропных, так и анизотропных материалов.

2. Предложены усовершенствования методики теплофизических исследований осадочных горных пород, включающие правила выбора эталонов при измерениях температуропроводности, специальное высушивание и водонасыщение образцов с использованием вакуумирования перед измерениями тепловых свойств соответственно сухих и водонасыщенных пород, измерения всех физических свойств на одном и том же образце, использование компоненты тензора теплопроводности в направлении параллельно слоистости при анализе корреляционных связей теплопроводности и ее вариаций при водонасыщении с пористостью, акустическими и электрическими свойствами.

3. На основе усовершенствованной методики теплофизических измерений проведены детальные исследования комплекса тепловых свойств осадочных пород Оренбургского газоконденсатного месторождения, нефтяного месторождения Северное Хоседаю, Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции, нефтяных месторождений Калининградского вала, районов бурения Тюменской сверхглубокой скважины, Тимано-Печорской глубокой скважины, скважины Яксопойл (Мексика), Средне-Няфтинской структурной скважины и скважин Московской синеклизы с общим объемом изученных коллекций более 2500 образцов.

»

4. Для карбонатных и терригенных пород установлены тесные корреляционные связи между (1) теплопроводностью и пористостью, (2) параметром Хцна(Д||Сух и пористостью, (3) параметром ХцнаАиох и проницаемостью.

5. Создана база данных по тепловым свойствам осадочных пород, которая может быть положена в основу решения комплекса геотермических и петрофизических задач фундаментального и прикладного характера.

6. Установлены корреляционные связи теплопроводности и параметра ^•ИнаА||сух с упругими и электрическими свойствами, определенными на керне, а также с физическими свойствами, определенными по результатам гамма, гамма-гамма плотностного, нейтронного и акустического каротажей.

7. Для разных типов осадочных пород определены значения корректирующего коэффициента в теоретической модели эффективной теплопроводности Лихтенеккера-Асаада.

8. Предложена и протестирована методика определения тепловых свойств пород, основанная на измерении эффективных тепловых свойств смеси шлама с затвердевающим наполнителем и последующем расчете тепловых свойств исходных пород с применением современных теоретических моделей эффективной теплопроводности.

9. Показано, что оценка теплопроводности пород в условиях естественного залегания может быть проведена с использованием результатов корреляционного анализа данных нетепловых видов каротажа с теплопроводностью и ее вариациями при водонасыщении.

10. На основе полученных данных о теплопроводности пород и градиенте температуры определены значения плотности кондуктивного теплового потока для районов бурения ряда научных и структурных скважин.

11. Установлены значительные вертикальные вариации плотности теплового потока и ее возрастание с глубиной для изученных скважин Московской синеклизы.

Публикации по теме диссертации

Коробков ДА., Попов Ю.А., Ромушкевич P.A., Троицкий А.О., 1999. Теплопроводность пород разреза Тюменской сверхглубокой скважины. Сборник тезисов докладов Международной конференции молодых ученых «Геофизика-99», С.-Пб., с. 67.

Попов Ю.А., Певзнер Л.А., Коробков Д.А., Ромушкевич P.A., 2000. Экспериментальные исследования разреза Тюменской сверхглубокой скважины СГ-6. В сб. научных трудов под ред. М.Д. Хуторского "Тепловое поле Земли и методы его изучения", Москва, Изд. РУДН, с. 216-222.

Popov Yu., Tertychnyi V., Korobkov D., 2000. Correlation between thermal conductivity and reservoir properties of sedimentary rocks. Abstract volume of

International Conference "Geothemics on the turn of centuries", Evora, Portugal, p 124.

Popov Yu., Tertychnyi V., Romushkevich R., Korobkov D., 2000. Experimental Investigations, of Interrelations between Thermal Conductivity and other Physical Properties of Rocks. Proceedings of International Conference "Rock Physics and Rock Mechanics", Bad-Honnef, Germany, pp 42-49.

Tertychnyi V., Popov Yu., Korobkov D., 2000. Influence of Internal structure on Thermal Conductivity of Rocks. Proceedings of International Conference "Rock Physics and Rock Mechanics", Bad-Honnef, Germany, pp 54-59.

Асташкин Д.А., Попов Ю.А., Коробков Д.А., Ромушкевич Р.А., 2001. «Корреляционные связи между теплопроводностью, пористостью и проницаемостью пород Ем-Еговского месторождения». Тезисы докладов. V международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», Изд. МГГА, 2001, 3 том, с. 210.

Korobkov D., Tertychnyi V., Popov Yu., 2001. Determination of rock thermal conductivity on core cuttings. Abstract of the V International meeting "Heat flow and the structure of the lithosphere", Kostelec, Czech Republic, p. 40.

Popov Yu., Korobkov D., Miklashevskiy D., 2002. Thermal diffusivity measurements: new experimental and theoretical background and results. Proceedings volume of the International Conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", Moscow, Russia, pp 214-217.

Popov Yu., Korobkov D., Romushkevich R., Esipko O., 2002. Experimental data on heat flow density in the Moscow syneclise (the East European platform). Proceedings volume of the International Conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", Moscow, Russia, pp 218-219.

Popov Yu., Tertychnyi V., Bayuk I., Korobkov D., 2002. Rock thermal conductivity measurements on core cutting: method and experimental results. Proceedings volume of the International Conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", Moscow, Russia, pp 223-227.

Popov Yu., Tertychnyi V., Korobkov D., 2002. To estimation of rock thermal conductivity on logging data. Proceedings volume of the International Conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", Moscow, Russia, pp 228-231.

Коробков Д.А., Попов Ю.А., 2003. Особенности применения теоретической модели Лихтенеккера для оценки теплопроводности пород. Сборник тезисов докладов IV Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов "Геофизика", Санкт-Петербург, с. 100-101.

Коробков Д.А., Попов Ю.А., Пахомов А.В., Миклашевский Д.Е., 2003. Метрологические основы комплексных измерений тепловых свойств горных пород методом оптического сканирования. Сборник тезисов докладов VI Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле", Москва, с. 205.

Попов Ю.А., Ромушкевич Р.А., Коробков Д.А., Баюк И.О., Бурхардт Г., Вильгельм Г., 2003. Геотермические характеристики импактных структур Пучеж-Катункская (Россия), Риис (ФРГ) и Чиксулуб (Мексика). Тезисы IV Международной конференции «Физико-химические и петрографические исследования в науках о Земле», 13-15 октября, Москва, с. 25-26.

Popov Yu., Romushkevich R., Korobkov D., Bayuk I., Burkhardt H., Wilhelm R, 2003. Thermal properties of rocks from crossed by upper part of Yaxcopoil well (Chixculub crater, Mexico). In: Proceedings volume of the EGS-AGU-EUG Joint Assembly, Nice, France.

Popov Yu., Romushkevich R., Korobkov D., Bayuk I., Burkhardt H., Meyr S., Wilhelm H., 2003. Geothermal parameters of upper part of Yaxcopoil-I well. In: Proceedings volume of the International Geophysical Conference. Potsdam, Germany.

Popov Yu., Tertychnyi V., Romushkevich R., Korobkov D., Pohl J., 2003. Interrelations between Thermal Conductivity and Other Physical Properties of Rocks: Experimental Data. Pure and Applied Geophysics. SB01.

Шварцман Ю.Г., Попов Ю.А., Ромушкевич P.A., Рассомахин В.Я., Широбоков В.Н., Коробков Д.А., 2004. Новые сведения о тепловом состоянии

Мезенской сннеклизы по данным 21 Средне-Няфтинской скважины. Геология и разведка, 5. с. 33-37.

Popov Yu., Romushkevich R., Bayuk I., Korobkov D., Mayr S., Burkhardt H., and Wilhelm H., 2004. Physical properties of rocks from the upper part of the Yaxcopoil-1 drill hole, Chicxulub crater. Meteoritics & Planetary Science 39, v 6, pp 799-812.

Wilhelm H., Burkhardt H., Popov Yu., Romushkevich R., Korobkov D., Bayuk I., Heidinger P., Mayr S., 2004. Geothermal and petrophysical investigations within the Chixculub scientific drilling, Abstracts of the International Workshop "New and classical applications of heat flow data", Aachen, Germany, p 14.

Wilhelm H., Popov Yu., Burkhardt H., Safanda Y., Cermak V., Heidinger P., Korobkov D., Romushkevich R.-Mayr S., 2005. Heterogeneity effects in thermal borehole measurements in the Chicxulub impact crater. Journal of Geophysics and Engineering. 2, pp 357-363.

Подписано в печать * о. оз. 2006 г Объем 4.5 п.л Тираж Ю0 экз. Заказ

Редакционно-из.-йтельский отдел РГГРУ Москва, ул. Миклухо-Маклая, 23

/Ш?6> А Я6/С?

Р-5610

ч

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Коробков, Дмитрий Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД И ИХ МЕСТО В КОМПЛЕКСЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ РАБОТ.

1.1. Тепловые свойства пород и их роль в современной геофизике.

1.2. Современная экспериментальная база для измерений тепловых свойств на керне

1.2.1. Измерения теплопроводности горных пород на керне.

1.2.2. Измерения температуропроводности и объемной теплоемкости горных пород на керне.

1.2.3. Метод оптического сканирования - современная основа для измерений тепловых свойств горных пород.

1.3. Возможности определения тепловых свойств пород при отсутствии керна.

1.4. Особенности определения тепловых свойств осадочных пород.

1.5. Представительность прежних экспериментальных данных о тепловых свойствах осадочных горных пород.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ

ГОРНЫХ ПОРОД: МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ.

2.1. Развитие методики экспериментальных исследований тепловых свойств горных пород на основе метода оптического сканирования.

2.2. Метрологическое обеспечение измерений тепловых свойств горных пород.

2.3. Тепловые свойства пород нефтяных и газовых месторождений.

2.3.1. Тепловые свойства пород Оренбургского газоконденсатного месторождения (Волго-Уральская нефтегазоносная провинция).

2.3.2. Теплопроводность пород нефтяного месторождения Северное Хоседаю (Тимано-Печорская нефтегазоносная провинция).

2.3.3. Теплопроводность пород Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции

2.3.4. Тепловые свойства пород группы нефтяных месторождений Калининградского вала.

2.4. Петротепловые и геотермические исследования научных скважин.

2.4.1. Теплопроводность пород разреза Тюменской сверхглубокой скважины.

2.4.2. Результаты исследований теплопроводности горных пород Тимано-Печорской глубокой скважины.

2.4.3. Результаты исследований тепловых свойств пород скважины Яксопойл (Мексика).

2.5. Петротепловые и геотермические исследования структурных скважин.

2.5.1. Тепловые свойства пород, вскрытых Средне-Няфтинской структурной скважиной.

2.5.2. Результаты исследований теплопроводности горных пород Московской синеклизы.

2.5. Создание базы данных по тепловым свойствам осадочных горных пород.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. СВЯЗИ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ПОРОД С ПОРИСТОСТЬЮ,

ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ И НЕКОТОРЫМИ ДРУГИМИ ФИЗИЧЕСКИМИ

СВОЙСТВАМИ.

3.1. Связь теплопроводности осадочных горных пород с пористостью.

3.2. Связь относительного изменения теплопроводности при водонасыщении с пористостью и проницаемостью.

3.3. Связь между тепловыми свойствами пород.

3.4. Связь теплопроводности и ее вариаций при водонасыщении с другими физическими свойствами.

Выводы.

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ БЕСКЕРНОВОМ БУРЕНИИ.

4.1. Повышение эффективности применения теоретической модели Лихтенеккера при исследованиях теплопроводности осадочных горных пород.

4.2. Методика комплексного определения тепловых свойств горных пород по шламу

4.2.1. Методика подготовки искусственного образца со шламом и измерение его эффективных тепловых свойств.

4.2.2. Расчет теплопроводности и температуропроводности горных пород на основе теоретических моделей.

4.2.3. Метрологическое тестирование и применение методики измерений тепловых свойств на шламе.

4.3. Исследования возможности прогноза теплопроводности горных пород по результатам нетепловых видов каротажа.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследования тепловых свойств осадочных пород методом оптического сканирования"

Актуальность работы

Последние десятилетия характеризуются развитием и быстрым внедрением новых методов геотермических исследований нефтяных и газовых месторождений, основанных на применении оптико-волоконных датчиков для измерений температуры в скважинах, интерпретации пространственно-временных вариаций температуры и анализе распределения плотности теплового потока в горных массивах. Все это, а также повышение важности фундаментальных и прикладных геотермических и петрофизических исследований осадочных бассейнов в рамках континентального научного бурения привело к необходимости значительно повысить уровень достоверности информации о тепловых свойствах осадочных пород.

При отсутствии в настоящее время достаточно надежных средств измерений тепловых свойств в скважинах изучение этих свойств сводится к массовым измерениям при нормальных термобарических условиях с последующим изучением влияния пластовых давлений и температур на отдельных образцах. В связи с этим актуальной задачей геотермических и петротепловых исследований является повышение уровня экспериментальных теплофизических исследований осадочных пород на керне лабораторными методами при нормальных условиях. Важным также является развитие инженерных теоретических моделей эффективных тепловых свойств осадочных пород, разработка методик измерений тепловых свойств с использованием шлама, создание подходов к прогнозу тепловых свойств пород по результатам нетепловых методов каротажа.

В условиях недостатка данных о теплопроводности и особенно температуропроводности осадочных горных пород, имеющейся в справочной и научно-технической литературе, актуальным является получение существенно более представительной, хорошо обеспеченной с метрологической точки зрения экспериментальной информации о тепловых свойствах различных типов этих пород. Решение этой задачи способствует получению надежных данных о связях тепловых свойств с другими физическими свойствами осадочных пород, в первую очередь - с коллекторскими свойствами. Создание представительных баз данных по тепловых свойствам осадочных пород и их корреляционным связям с другими свойствами должно стать важным результатом таких работ. Совершенствование экспериментально-методической базы теплофизических измерений позволит расширить информацию о вертикальных вариациях и глубинных значениях плотности теплового потока на участках бурения скважин.