Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Методы теплофизических исследований горных пород в нефтегазовой геотермии

ВАК РФ 04.00.12, Геофизические методы поисков и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Методы теплофизических исследований горных пород в нефтегазовой геотермии"

РГо ОД

На правах рукописи

ЛИПАЕВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОДЫ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД В НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОТЕРМИИ

Специальность 04.00.12 - геофизические методы поисков

и разведки месторождений полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург 1997 ¿6С'. ' .7;. /. «''•

КО 83с1

Работа выполнена в Альметьевском нефтяном институте

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В.И.Уткин доктор технических наук, профессор С.В.Пономарев доктор геолого-минералогических наук А.Р.Курчиков

Ведущая организация: Отдел энергетики Казанского научного

центра Российской Академии Наук

Защита состоится

" Х-_1997 г. в 10 час.

на заседании диссертационного совета Д 003.31.01 в ордена Трудового Красного Знамени Институте геофизики Уральского Отделения Российской Академии Наук по адресу: 620216, г.Екатеринбург, ГСП 144, ул.Амундсена, 100

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Института геофизики УрО РАН.

Автореферат разослан --/Л«

г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор физ. -мат. наук^^^^^^^ Ю.В.Хачай

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Решение геофизическими методами задач поиска, разведки и разработки месторождений нефти и газа на современном этапе в условиях ухудшения структурных запасов углеводородов и обострения экологических проблем, развитие геотермальной энергетики, подземного строительства и т.д. предусматривает изучение физических процессов, происходящих в массивах пород. При этом важное значение имеет информация о физических, в том числе тепловых свойствах горных пород, которые проявляются в этих процессах и определяют их. Так, естественные и искусственные поля температуры в недрах обусловливаются параметрами тепломассопереноса пластов. Поэтому для интерпретации геотермических, гидрогеотермических, термометрических и других исследований нефтепромысловой практики, связанных с теплом Земли, необходимо наличие базы данных по тепловым характеристикам пород: тепло-, температуропроводности, теплоемкости и др. С привлечением последних решается широкий спектр задач нефтегазовой геотермии, в том числе: прогнозирование глубинных температур, изучение литологических особенностей разрезов скважин, контроль за разработкой месторождений углеводородов (определение мест притоков и затрубной циркуляции, проверка качества перфорации скважин), эксплуатацией газовых хранилищ, а также поиск и разведка подземных вод, изучение направлений их миграции, оценка области теплового влияния скважин и т.д. Для этого требуется знать зависимости тепловых параметров пород от горного и пластового давлений, температуры, характера насыщения, фильтрации флюидов и других факторов.

Значительный вклад в исследование процессов тепломассопереноса в горных породах, разработку теоретических и экспериментальных методов определения их тепловых свойств внесли Х.И.Амирханов, П.В.Бриджмен, С.П.Власова, В.С.Волькенштейн, В.К.Гордиенко, В.Н.Дахнов, Г.Н.Дульнев, А.Д.Дучков, Д.И.Дьяконов, Д.Егер, В.Е.Зиновьев, Г.Карслоу, Г.М.Кондратьев, Р.И.Кутас, Е.А.Любимова, А.В.Лыков, У.И.Моисеенко, С.А.Николаев, Е.С.Платунов, Ю.А.Попов, Г.М.Сухарев, В.В.Суетнов, Ю.К.Тарануха, Л.П.Филиппов, А.Ф.Чудновскни, Б.А.Яковлев и многие другие ученые.

Тем не менее следует отметить недостаточную (в основном на качественном уровне) изученность влияния термодинамических параметров пласта, в том числе фильтрации флюидов, на теплоперенос в горных породах. Для оптимизации технологий теплового воздействия на пласты высоковязких нефтей и битумов и контроля за извлечением углеводородов требуется исследование динамики изменения в этих процессах тепловых характеристик коллекторов, покрышек и пластовых флюидов, изучение взаимосвязей тепловых, коллекторских и других физических свойств пород и построение на базе анализа геотермических

условий недр и результатов ГИС тепловых моделей месторождений. В связи с этим, особое значение приобретает разработка методов и экспрессной аппаратуры, пригодной для измерения комплекса параметров тепломассопереноса в горных породах в широком диапазоне изменения давлений, температуры, при наличии фазовых переходов и т.д. Применение здесь новых методов исследования не только вносит существенный вклад в решение отмеченных выше задач нефтепромысловой практики, но и дает новые методические возможности для решения фундаментальных проблем геотерм™, связанных с изучением процессов теплопереноса в недрах и прогнозированием глубинных температур.

Цель работы - повышение достоверности теплофизических исследований при решении задач нефтегазовой геотермии путем развития теории регулярного теплового режима третьего рода в системе контактирующих тел, имеющих различные тепловые характеристики, и разработки на ее основе новых методов и аппаратуры для определения параметров тепломассопереноса в горных породах при моделировании условий пласта.

Основные задачи работы:

-обоснование требований к методам и аппаратуре для определения параметров тепломассопереноса в горных породах при моделировании условий их залегания;

-построение математической модели тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах;

-теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей установившихся колебаний температуры (регулярного теплового режима третьего рода) в системе контактирующих тел с различными тепловыми свойствами;

-разработка методов определения тепловых характеристик горных пород: при фильтрации в них жидкостей по направлению теплового потока и противоположно ему, при импульсном или взрывном воздействии на образец породы;

-создание аппаратуры для измерения тепло-, температуропроводности и теплоемкости горных пород при моделировании термодинамических условий пласта;

-исследование параметров тепломассопереноса в породах нефтебитумных месторождений;

-построение теплофизических разрезов и моделей нефтяных месторождений на основе корреляции петрофизических свойств пород и материалов геофизических исследований скважин;

-теоретическое обоснование и разработка метода расчета температуры пласта при его прогреве с учетом нелинейности тепловых характеристик горных пород.

Научная новизна. На основе закономерностей регулярного теплового режима третьего рода в системе контактирующих тел разработана и исследована обобщенная тепловая схема метода определения параметров тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах - горных породах. Схема адаптирована для петрофизических измерений и включает исследуемый образец породы в форме пластины и сопрягаемые с его торцами полуограниченные эталонные тела с различными тепловыми характеристиками. Используя предложенную тепловую схему впервые:

-разработана методика определения теплопроводности и температуропроводности образцов пород при фильтрации в них жидкости по направлению теплового потока и противоположно ему;

-обоснована методика изучения тепловых свойств образцов горных пород в процессе моделирования взрывного или импульсного воздействия.

На основе проведенных теоретических и методических исследований тепловой схемы метода регулярного теплового режима третьего рода в системе контактирующих тел разработан новый комплекс автоматизированной аппаратуры для определения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости образцов горных пород и пластовых жидкостей (A.c. СССР № 1326975 СССР, МКИ3 G 01 N 25/18, A.c. СССР № 1755152 AI СССР, МКИ5 Q 01 N 25/18, A.c. СССР № 1797026 AI СССР, МКИ5 Q 01 N 25/18).

Аппаратура обеспечивает исследования пород (в том числе, неконсолидированных образцов):

-при моделировании горного и пластового давлений, температуры и динамики их изменения в процессе разработки нефтяных месторождений;

-при неравноосном нагружении образцов (впервые); -в условиях фильтрации через образец флюидов (впервые). Впервые, пользуясь разработанными методиками и аппаратурой, проведены экспериментальные теплофизические исследования пород-коллекторов при фильтрации в них жидкостей по направлению теплового потока и противоположно ему. В результате этого показано, что при скоростях массопереноса, характерных для нефтепромысловой практики, вкладом в теплоперенос конвективных составляющих теплопроводности, обусловленных флуктуациями поля скоростей в извилистых поровых каналах коллекторов, можно пренебречь.

Впервые выявлены закономерности температурных полей в породах-коллекторах, подверженных периодическому нагреву, при одновременной фильтрации в mix флюидов как в направлении теплового потока, так и противоположно ему. На основе этих закономерностей разработаны методики измерения параметров

движущихся жидкостей, а также определения их состава и скорости потока.

Изучены зависимости тепловых свойств пород нефтяных месторождений Татарстана от горного и пластового давлений, температуры, характера насыщения флюидами и установлена многомерная корреляция между их физическими характеристиками.

Впервые проведена корреляция разрезов скважин Мордово-Кармальского месторождения битумов с использованием данных ГИС и расчетных значений теплопроводности, полученных косвенным методом, и расчленен шешминский битуминозный горизонт на ряд слоев, отличающихся по теплопроводности (тепловых слоев).

Впервые выполнено теоретическое обоснование и разработана математическая модель и методика расчета температурного поля пласта при его прогреве с учетом нелинейности тепловых характеристик горных пород.

Основные защищаемые положения:

1 .Теоретические основы методов определения тепло-, температуропроводности и теплоемкости горных пород:

-при наличии в них массопереноса, направленного как в сторону теплового потока, так и противоположно ему. Метод реализуется на фильтрующих образцах (коллекторах) в форме пластин, сопрягаемых с двумя различными по свойствам эталонными полуограниченными телами в стадии регулярного теплового режима третьего рода с учетом термических параметров контактных зазоров между ними и теплоотдачи с боковых поверхностей тел (A.c. 1797026 AI СССР МКИ5 G 01 N 25/18);

-при моделировании взрывного или импульсного воздействия.

2. Методические разработки и экспериментальные установки для измерения комплекса тепловых характеристик горных пород:

-при массопереносе флюида (A.c. 1797026 AI СССР МКИ5 G 01 М 25/18);

-при воздействии на исследуемые образцы эффективного давления и температуры (A.c. 1326975 СССР МКИ5 G 01 IS 25/18);

-при неравноосном нагружении изучаемого образца породы (A.c. 1755152 AI СССР МКИ5 G 01 N 25/18).

3. При решении задач нефтепромысловой практики, связанных с вынужденным массопереносом жидкости в породах-коллекторах вкладом в теплоперенос конвективных составляющих тепло-, температуропроводности, обусловленных пульсациями поля скоростей в поровых каналах пород, можно пренебречь.

4. В коллекторах, подверженных периодическому нагреву, при одновременной фильтрации флюидов:

-по направлению теплового потока - сдвиг фазы колебаний температуры относительно колебаний теплового потока монотонно

уменьшается с ростом скорости фильтрации, а амплитуда температурных колебаний имеет максимум при определенной скорости фильтрации, зависящей от частоты колебаний теплового потока и тепловых характеристик коллектора;

-противоположно тепловому потоку - амплитуда и сдвиг фазы температурных колебаний с ростом скорости фильтрации монотонно уменьшаются.

Закономерности периодических полей температуры в фильтрующих средах необходимо учитывать при геотермических и гидрогеотермических исследованиях, а также можно использовать в нефтепромысловой геофизике для определения расхода, свойств и состава жидкости в потоках.

5. Для повышения достоверности решения геофизических и нефтепромысловых задач требуется знание зависимостей тепловых свойств горных пород от термодинамических условий массива. При прогреве пластов необходимо использовать способ расчета температурных полей с учетом нелинейной зависимости тепло- и температуропроводности пород от температуры.

Практическая ценность диссертационной работы обусловлена ее ориентацией на решение теплофизических проблем нефтегазовой геотермии, нефтепромысловой практики и заключается в:

-разработке методов и теплофизической аппаратуры для использования в лабораториях петрофизики, физики пласта, а также других с целью решения широкого спектра задач, связанных с изучением естественных и искусственных тепловых полей в недрах, а также комплексного определения петрофизических свойств пород и исследования влияния на теплоперенос физических полей;

-создашш базы данных по тепловым свойствам горных пород с целью использования их при интерпретации геотермических и термометрических исследований, проектировании систем разработки месторождений высоковязких нефтей и битумов с тепловым воздействием и решении других задач;

-создашш достоверных методов расчета температурных полей в массиве горных пород для решения технологических задач, связанных с нагревом призабойной зоны скважин и нефтяных пластов.

Внедрение результатов работы. Основные результаты исследований тепловых свойств горных пород, методы и аппаратура для их определения нашли практические применения. Разработанный автором метод и реализованная на его основе установка используются в институте механики гетерогенных сред Сибирского отделения РАН. Результаты работы по методам измерения тепловых свойств горных пород в процессе взрывного или импульсного воздействия переданы в институт ВзрывНИПИгеофизгаса (г. Раменское) для интерпретации термометрических исследований. Установки, представленные в

диссертационной работе, применяются в Казанском государственном университете и Альметьевском нефтяном институте. Установки для определения параметров тепломассопереноса демонстрировались на выставке Госкомобразования СССР в Польше (1989) и других выставках.

Результаты экспериментальных определений теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости горных пород и пластовых жидкостей месторождений нефтей и битумов Татарстана, отраженные в 12 итоговых научно-технических отчетах, используются в АО "Татнефть" при расчете тепловых полей в массивах пород, при проектировании систем разработки с тепловым воздействием на пласты высоковязких нефтей, для интерпретации термометрических исследований в скважинах. С целью повышения эффективности термометрических методов воздействия на битумные пласты разработана геотеплопроводная модель Мордово-Кармальского месторождения битумов. По материалам исследования автором для студентов Альметьевского нефтяного института читается специальный курс "Тепломассоперенос в пористых средах".

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы по мере их получения докладывались и обсуждались: на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1981 г.), на секции научно-технического совета Миннефтепрома "Проблемы петрофизического обеспечения промыслово-геофизических исследований скважин" (Бугульма, 1987 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы и средства теплофизических измерений" (Севастополь, 1987 г. и 1989 г.), на Всесоюзных и международной теплофизических школах (Тамбов, 1988, 1990, 1995 гг.), на региональной конференции "Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях" (Свердловск, 1989 г.), на научно-техническом совещании "Состояние работ в области создания проницаемых материалов и перспективы их использования" (Минск, 1989 г.), на 4-й Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур" (Харьков, 1990 г.), на Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий" (Казань, 1990 г.), на Восьмом Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах (Уфа, 1990 г.), на Ninh International Heat Transfer Conference (Jerusalem, Israel, 1990), на Всесоюзной конференции "Природные битумы" (Казань, 1991 г.), на Всесоюзном совещании "Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон" (Бишкек, 1991 г.), на Международной конференции "Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов" (Казань, 1994

г.), на научно-технических конференциях "Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности" и "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 1995 и 1997 гг.), на итоговых научных конференциях Казанского университета (1991 г.) и Казанского научного центра РАН (1996, 1997 гг.), на научных семинарах под руководством академиков РАН Р.И.Нигматулина и РАЕН К.С.Басниева.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 печатные работы, в том числе монография, кроме того получены 3 авторских свидетельства СССР на изобретения.

Структура и объем работ. Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов, заключения и списка использованных источников, содержит 414 страниц сквозной нумерации, в том числе 23 таблицы, 80 рисунков; список литературы включает 231 наименование.

В диссертации представлены результаты многолетних исследований, выполненных лично автором, а также под его руководством и при непосредственном участии по хоздоговорной научно-исследовательской тематике в Казанском Государственном университете и в лаборатории теплофизических исследований горных пород кафедры высшей математики и вычислительной техники Альметьевского нефтяного института. Использованы некоторые результаты, полученные автором на Лениногорском факультете ГАНГ им. И.М.Губкина.

Под редакцией автора диссертационной работы подготовлена к изданию рукопись книги "Прогнозирование нефтегазоносности недр по данным геотермии" безвременно скончавшегося доктора геолого-минералогических наук, профессора Б.А.Яковлева.

По инициативе и при участии автора диссертации ведется работа над справочником по тепловым свойствам горных пород, пластовых флюидов и методам их определения.

На выбор представленной тематики исследований существенно повлиял профессор ГАНГ Б.А.Яковлев, которого как своего учителя автор всегда будет вспоминать с глубокой благодарностью. За поддержку в выполнении работы автор благодарен академику Р.Х.Муслимову. Большое внимание к исследованиям автора оказывали академики РАН В.Е.Алемасов, РАЕН К.С.Басниев, профессор В.М.Добрынин. Выполнению работы способствовали творческие контакты с профессором В.А.Чугуновым, с.н.с. С.А.Николаевым и другими коллегами, которым автор выражает свою искреннюю признательность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ:

Во введении показывается актуальность темы диссертащш, формулируется цель и положения, выносимые на защиту. Отмечаются ученые, внесшие значительный вклад в разработку методов определения

и исследование тепловых свойств горных пород. Дается краткий анализ структуры и содержания работы.

В первом разделе рассмотрены проблемы тепломассопереноса в горных породах и методы изучения их тепловых характеристик: теплопроводности Я, температуропроводности а и теплоемкости суя. Горные породы представляют собой гетерогенные многофазные среды, что обусловливает эффективный характер отмеченных величин. В § 1.1 проанализировано влияние на эффективные тепловые свойства пород естественной конвекции и электромагнитного излучения. Показано, что для пород с субкапиллярными порами при температурах до 200 °С лучистый теплообмен незначителен, а в кавернозных полостях коэффициент лучистой теплопроводности достигает величин, сопоставимых с коэффициентом кондуктивной теплопроводности пластовых жидкостей и даже пород, что необходимо учитывать в тепловых расчетах. Для возникновения естественной или свободной конвекции в изолированных порах породы со средним размером 5-Ю-4 м необходимая разность температур на стенках пород составляет десятки градусов, чего в условиях пласта нет. В то же время теплопередача путем свободной конвекции в кавернозных полостях, макротрещинах, скважинах, пластах происходит даже в условиях естественного теплового поля при термоградиентах до 0,1 К/м.

При наличии фильтрационного потока флюидов в коллекторах под действием градиента давления, т.е. при вынужденной конвекции (§ 1.2), теплоперенос обусловливается двумя процессами: молекулярной теплопроводностью в жидкости и твердом скелете и конвективным переносом тепловой энергии вместе с жидкостью (так называемой массопереносной теплопроводностью). При этом извилистый характер поровых каналов приводит к флуктуации поля скоростей фильтрующейся жидкости, что, в свою очередь, обусловливает появление при тепломассопереносе дополнительных продольной и поперечной конвективных составляющих эффективной теплопроводности, экспериментальные данные по которым отсутствуют.

В § 1.3 рассмотрено состояние изученности тепловых свойств горных пород, которые даже для литологически однородных или одновозрастных толщ не являются константами, они зависят не только от минералого-петрографического состава скелета, но и от характера насыщения, пористости, размеров и формы зерен, пор и других факторов внутреннего строения. Кроме отмеченного, эти тепловые характеристики являются сложными функциями термодинамических условий массива - температуры, горного и пластового давлений, фильтрации флюидов и т.д.

В § 1.4 с позиции неоднородности, как общего и важнейшего свойства геологических тел, рассмотрены методы изучения тепловых

параметров пород и их общая классификация. По способу исследования применяемые сегодня методы можно разделить на основные группы: аналитические, скважинные, лабораторные, комбинированные (лабораторные и скважинные), косвенные.

Аналитические методы достаточно перспективны, однако в силу того, что имеющиеся модельные представления не учитывают всей сложности реальных объектов, эти методы могут быть использованы только для оценочных расчетов тепловых свойств пород. Основным достоинством скважинных методов является то, что они осуществляются в условиях естественного залегания пород и позволяют определять тепловые характеристики нефте-, газо- и водонасьпценных пластов в целом, литологически однородных слоев, непроницаемых глинистых покрышек и т.д. В то же время отличие реальных условий теплообмена в скважине от математических моделей приводит к значительным методическим и техническим трудностям и большим погрешностям измерений. Кроме того, для этих методов характерны длительное время проведения исследований и необходимость остановки скважины.

Из комбинированных методов известен метод естественного теплового поля, позволяющий достоверно определить теплопроводность пластов с помощью измерений в скважине градиентов естественного теплового поля и определения в лаборатории X пород, отобранных из пласта-репера.

Косвенные методы дают возможность оценки тепловых параметров горных пород на основе изучения корреляции их физических характеристик. Здесь наиболее привлекательной является возможность определения тепловых свойств геологического разреза по имеющимся данным геофизических исследований скважин.

Комбинированные и косвенные методы достаточно эффективны для изучения тепловых характеристик литологически однородных слоев и пластов. Однако, для их реализации необходим лабораторный эксперимент с керновым материалом, служащий на сегодня основным источником достоверной информации о тепловых свойствах пород. В лаборатории (§1.5) можно сочетать изучение комплекса петрофизических свойств пород с их детальным петрографическим исследованием, что дает возможность получать надежные уравнения корреляции между параметрами. Лабораторные установки позволяют исследовать изменения тепловых характеристик при разработке месторождений нефти и газа, при воздействии на горные породы физических полей и т.д.. Важнейшим требованием к теплофизическому эксперименту является моделирование термодинамических условий естественного залегания пород - горного и пластового давлений, температуры и др. ( § 1.5.1).

В § 1.5.2 дан обзор лабораторных методов измерений параметров тепломассопереноса в горных породах, которые по

характеру теплового режима можно разделить на две большие группы: стационарные и нестационарные.

Методы стационарного теплового потока (§ 1.5.3) позволяют измерять только теплопроводность. В отличие от них с помощью методов, основанных на закономерностях нестационарных температурных полей (методов начальной стадии теплового процесса (§ 1.5.4), методов регулярного теплового режима и квазистационарных (§§ 1.5.5 и 1.5.6)), можно исследовать комплекс тепловых свойств. Кроме того, нестационарные методы более экспрессны и, в целом, предпочтительнее стационарных при изучении многофазных сред -горных пород.

Регулярный режим наступает на той стадии упорядоченного теплового процесса, когда пространственно-временные изменения температуры перестают зависеть от начальных условий. В силу этого методы регулярного теплового режима, а также квазистащюнарные, являющиеся их дальнейшим развитием, более пригодны, чем чисто нестационарные методы для исследования комплекса тепловых свойств горных пород при моделировании условий естественного залегания. Из последних в качестве перспективных можно отметить методы регулярного теплового режима третьего рода (§ 1.5.6), которые разрабатывались Л.П.Филипповым, Р.П.Юрчаком, В.Е.Зиновьевым, С.А.Николаевым, А.Н.Саламатиным и другими исследователями. Эти методы, кроме отличительных качеств регулярных режимов вообще, имеют особенности, характерные для периодических процессов: большое количество получаемой в эксперименте информации, позволяющей создавать методики комплексного характера и контролировать данные исследования; высокую помехоустойчивость информационно-несущего сигнала - температурной волны, благодаря чему возможны теплофизические измерения пород при массопереносе флюидов, фазовых переходах и воздействиях физических полей (акустических, электромагнитных и т.д.).

Во втором разделе представлены разработанные автором теоретические основы методов регулярного теплового режима 3-го рода в системе контактирующих тел с различными тепловыми характеристиками для определения к и а фильтрующих сред - горных пород - коллекторов. Согласно этой модели (рис. 1) исследуемый капиллярно-пористый образец в виде плоского диска 2, с размещенными по его торцам тонкими флювдоподающими камерами 4, помещается между двумя полуограниченными непроницаемыми телами 1 и 3 с известными и различными тепловыми свойствами (эталонами). На границе сопряжения тела 1 и образца-коллектора 2 плоским нагревателем 5 задаются периодические колебания теплового потока, а с помощью камер 4 в образце обеспечивается фильтрация флюида.

5 4t 4

O L

Рис. 1. Принципиальная схема метода определения тепловых свойств коллекторов в условиях фильтрации

Система уравнений тепломассопереноса в безразмерных координатах с начальными и граничными условиями для этой схемы при реализации регулярного теплового режима 3-го рода в случае фильтрации жидкости в исследуемом образце по направлению теплового потока имеет вид:

<®L = A,-со <Х < 0,Fo > 0 (1)

dFo дХ А,

+ ^Ре = А2 -^v&2P<X< l,Fo> 0 (2)

dFo А2 dX 2 dX2 Л2 2

——= ——j— v03 1<Х < oo,Fo>0 (3)

dFo дХ2 3

Fo = О, di = О, (/' = 1,2,3) (4) Z -» ±оо, <9, —> 0, въ -^0 (5)

dFo dFo ал dX

dfí

02=0,+ДЛ2-^-, Q = COS(cü/'о) (7)

2 <1Ро 2 (№о 2 3 2 ЙГ

-Л2^-,(8); (9)

2 ЙЯГ 32

При фильтрации жидкости в образце в направлении, противоположном тепловому потоку, в уравнении (2) +Ре' заменяется на -Ре*, а условия (6), (8) записываются:

* = + О - - - ) = А, ^ -

1 ЙГ

В формулы (1)-(11) входят безразмерные комплексы:

Ре = = = = * = ^гО.

/ съРъаъ ^ Ь Ьд0

а = = А; А, = ¿.¡А, = = =

аРЬ2

V =

Л3£

где: т - время; х - координата; г,- - температура; Я,- - теплопроводность и <з- температуропроводность 1,2,3 тел системы (рис. 1); qo и соо -амплитуда и угловая частота колебаний теплового потока; Ь и / -толщина и средний размер зерна исследуемого образца - пластины; сз и Сж, рз и р» • соответственно удельная теплоемкость и плотность полуограниченного тела (3) и жидкости (ж); Кф - скорость фильтрации жидкости; ск, Л, гк - объемная теплоемкость, толщина, термическое сопротивление контактного зазора (камеры), соответственно; Р, Б -периметр и площадь сечения системы тел; а - коэффициент теплоотдачи; а,- - коэффициенты средней температуры камер при движении жидкости.

Решение задач (1)-(11) для установившихся периодических колебаний температуры в 1-й, 2-й, 3-й областях получено в аналитической форме и упрощено в области высоких частот при й/Аг»1. Для тел 1 и 3, в которых наиболее целесообразно размещение датчиков температуры, искомые величины имеют вид:

ву (Х,Го) = 0т соз(бЯо - А<р1); 9Ъ (Х,Го) = 0ОЗ соь((оРо - А<р3) (12)

где 9о1 и 0оз -амплитуды, а Дф1 и Д<рз - сдвиги фаз колебаний температуры относительно колебаний теплового потока в случае, когда фильтрационный поток совпадает по направлению с тепловым потоком, записываются следующим образом:

0п

} РвЯЬ [ ЯА2а

\2

11

4г

+-

ягк\ъг

(А+у +(в;у

2 -ехр[ X< 0 (13)

Х>\,

2(а2+^2)

^|((А+)2 +(я,+)2 )((£>; )2 +(5;>2)

•ехр

2Л.

А^, = + ~ УХ ^ 0

х<//л/2 - а! л/2 (14)

(15)

= (X -1)-^ + + + у2 - у/},Х > 1,

(16)

__ / Л,а г- , - соог.СЯ + +

л/2 2/ 2 л/2 л/2

+/гЛ2</в/2-Л2#К/2,

А2Ь ЯйА.Ь

л/2'

+ЯА2/а/2,

\2 21 2/л/2 Л/2 V 2 2

-М2£Л,Л/2,

Л,Л РеЬЯ РеЬЯ Л,й Л26 Л2а _„

л/2 21 2/л/2 л/2 л/2 1

+(Л1Л2Д/2)(/^+ЙЛ),

^ = -рт-2-рт,

л/2(1 - / (2/) + ЛЛ2о / л/2]

= / = агсщ{в\ / £>2+), = агсщ{р / а) .

При фильтрации жидкости в направлении, противоположном тепловому потоку, в формулах (13)-(16) (+Ре) заменяют на (-Ре), а

вместо соотношений , , , В^ используются другие выражения

о;, в;, и;, в;.

В § 2.3 дан анализ обобщенной тепловой схемы, изображенной на рис. I, и представлены варианты методик измерения параметров тепломассопереноса. Полученное диссертантом решение, в частном случае, при о=0, 01=02=0,5; >и=?13, Я1=аз совпадает с решением задачи С.А.Николаева, В.А.Чугунова, А.А.Липаева, а при отсутствии фильтрации, кроме того с более ранними результатами С.А.Николаева и А.Н.Саламатина.

На базе формул (13)-(16) разработаны различные методики комплексного определения тепло-, температуропроводности и теплоемкости горных пород:

1) в условиях фильтрации флюидов по капиллярам образца в направлении теплового потока (Ре>0);

2) при фильтрации флюидов через образец в направлении, противоположном направлению теплового потока (Ре<0);

3) в условиях чисто кондуктивного теплопереноса {Ре=0).

Эти методики могут быть реализованы различными способами в зависимости от соотношения тепловых активностей тел системы, от количества датчиков температуры,помещенных в эталонных телах 1 и 3. Принципиальным отличием первой и второй методик от известных в

петрофизике является возможность определения эффективных тепловых свойств коллекторов при наличии вынужденной конвекщш (A.c. 1797026 AI СССР МКИ5 G 01 N 25/18).

В третьем случае при Ре=0, и=0, сп=а2=0,5 и пренебрежимо малых термических сопротивлениях и теплоемкостях контактных зазоров ("идеальные контакты") выражения для вычисления тепло- и температуропроводности Хг и аг исследуемых образцов имеют следующий вид:

а) при размещении датчика температуры в 3-й области (x>L):

а2 =

co0L2

-(х- Ly<y0/(2ö3) -я! 4

s

-1± 1-

где

5 = 1-

2 qojäfa

(17)

(18)

1

+ ¿з - л 14)

б) при размещении датчиков температуры в 1-й и 3-й областях (x'i < 0, д:з> 1):

а2 =

a0L

9>i~xi

"<*э ~LX

h eW,

2a,

2 '

a3 [гЯ^-Лдехрр,]'

(19)

(20)

где cpi - сдвиг фазы между точками, в которых находятся датчики температуры.

Схема б) с двумя датчиками температуры, размещенными в полуограниченных телах, реализована в установке для определения тепловых свойств пород при моделировании условий естественного залегания (A.c. 1326975 СССР, МКИ5 G 01 N 25/18). Схема а) использована автором в теплофизической установке, моделирующей воздействие на образец разноосного внешнего и внутрипорового давлений (A.c. 1755152 AI СССР МКИ5 G 01 N 25/18). Частные случаи тепловой схемы (рис. 1) нашли применение в работах С.А.Николаева, Л.П.Фншшпова, А.Н.Нурумбетова и других авторов.

§ 2.4 посвящен новой методике исследования тепловых свойств пород при моделировании взрывного или импульсного воздействия на образец. Эти определения необходимы для количественной интерпретации термометрических исследований скважин при контроле за фильтрационно-емкостными свойствами прискважинной зоны и состоянием скважин при импульсном или взрывном воздействии на пласт. В основу изложенной автором лабораторной методики положены закономерности регулярного теплового режима 3-го рода в системе контактирующих тел. Температурное поле в этом случае обусловливается действием трех факторов: повышения температуры за счет тепла, выделенного при взрыве, за счет тепла внутренних процессов, происходящих при этом в образце и изменения температуры вследствие действия периодического потока тепла. Для исследования тепловых свойств материалов в данной ситуации в § 2.4 приведена оценка влияния на температуру первых двух из указанных факторов и даны рекомендации по выбору оптимальных параметров лабораторного эксперимента.

В третьем разделе работы проведены методические исследования тепловой схемы (рис.1). В §3.1 показаны способы измерения термических параметров контактных зазоров, возникающих в тепловой схеме на границах между исследуемым образцом и эталонными полуограниченными телами. Величины термического сопротивления Гк и теплоемкости контактных зазоров С* могут быть найдены несколькими способами. Автором предложена рациональная методика экспериментального определения Г* и С* с учетом того, что тепловое сопротивление зазоров мало, а характер зависимости амплитуды и сдвига фазы от безразмерной скорости фильтрации при малых величинах Ре является линейным. Неизвестные значения Г* и Ск при этом определяются численно на основе получаемой в эксперименте информации об амплитудах и сдвигах фаз колебаний температуры в эталонных телах.

В § 3.2 автором диссертацш сформулированы общие рекомендации по исследованию характеристик тепломассопереноса в капиллярно-пористых образцах пород. Важнейшими параметрами теплофизического эксперимента являются частота соо и амплитуда колебаний теплового потока qo. Исходя из диапазона вариаций тепловых свойств исследуемых образцов пород и тепловых свойств эталонных областей, определены пределы изменения too и qo, при которых сохраняется адекватность математической и физической моделей. Оптимальная организация теплофизического эксперимента обусловливается подбором эталонов по тепловым свойствам, размерами образца, эталонных тел, места размещения датчиков температуры и т.д.

При исследовании фильтрующих образцов пород наиболее

целесообразна схема, в которой тепловые активности в тел системы (рис. 1) удовлетворяют соотношению:

£1<£2<£3 . (21)

В этом случае 1-я область играет роль теплоизолятора, а 3-я -теплоприемника и обеспечиваются минимальные размеры тепловой ячейки при достаточно высокой чувствительности метода.

В § 3.2 приведена оценка влияния на измеряемые параметры -теплоотдачи с боковых поверхностей системы тел. Показано, что для существенного снижения теплопотерь необходимо конструктивное устранение свободной конвекции. Приведены также способы уменьшения термических контактных сопротивлений между исследуемым образцом горной породы и эталонными телами.

В § 3.3 показаны особенности методики обработки результатов измерений температуры в методе периодического нагрева, включающей в себя выделение из пригашаемого сигнала непериодической части и проведение гармонического анализа с вычислением амплитуд и сдвигов фаз различных гармоник.

§ 3.4 посвящен анализу методических погрешностей измерений по методу периодического нагрева, обусловленных влиянием неучтенных в математической модели системы контактирующих тел факторов на процессы теплопередачи в реальном физическом объекте и инструментальными погрешностями. Рассмотрена погрешность, вносимая приближенными расчетными формулами (13)-(16), и определена нижняя граница их применения по частоте колебаний теплового потока то. Параметрами, непосредственно определяемыми в эксперименте, являются амплитуды и сдвиги фаз температурных колебаний в эталонных полуограниченных телах. При этом на погрешность их измерения оказывают влияние погрешности, вносимые аппаратурой (инструментальные погрешности).

На амплитуду колебаний температуры в 3-й области Гоз наиболее значительно влияют амплитуда <70 и частота колебаний озо теплового потока, физические свойства: тепло- и температуропроводность Яз и аз, теплоемкость сз, плотность рз эталонного тела 3, толщина исследуемого образца Ь, скорость фильтрации жидкости Уф и ее теплоемкость и плотность Сж и рж, координата расположения датчика температуры хз. На сдвиг фазы Дфз, кроме отмеченных, существенно влияют тепло- и температуропроводность Х.2 и аг исследуемого образца. Из анализа этих данных следует, что необходимо особо тщательно подходить к выбору эталонных материалов и их аттестации, к определению места расположения датчиков температуры, а также к обработке исследуемых образцов.

При экспериментах с фильтрацией флюидов основной вклад в погрешности амплитуды и сдвига фазы температурных колебаний вносит погрешность, вносимая скоростью движения жидкости.

В четвертом разделе рассмотрены аппаратурно-методические вопросы теплофизических исследований в петрофизике. В § 4.1 приведен расчет основных конструктивных и режимных параметров теплофизической аппаратуры по методу периодического нагрева в системе контактирующих тел. Рассмотрены требования к эталонным теплофизическим материалам, их тепловым и другим физическим характеристикам. Обоснован выбор размеров исследуемых образцов горных пород и пластовых жидкостей, а также оптимальных поперечных и продольных размеров эталонных полуограниченных тел. Приведен пример расчета тепловой ячейки. Показаны допустимые в эксперименте диапазоны изменения амплитуды и частоты колебаний теплового потока. На основании результатов данного параграфа можно создавать различные экспериментальные установки.

В § 4.2 приведены, реализованные автором диссертации на базе регулярного теплового режима третьего рода в системе контактирующих тел и защищенные авторскими свидетельствами СССР, экспериментальные установки для определения комплекса тепловых свойств: коллекторов при фильтрации через mix флюидов (§ 4.2.1), горных пород при моделировании воздействия на исследуемые образцы всестороннего и внутрипорового давлений, высоких температур (§4.2.2), неконсолидированных образцов битумонасы-щенных пород и песков, жидкостей и нефтей, водонефтяных эмульсий, буровых растворов и др. (§ 4.2.3). В § 4.2.2 также описывается экспериментальная установка для тепло физических исследований образцов горных пород при неравноосном нагружении.

Граничные условия в системе тел (рис. 1) задаются с помощью генератора тепловых колебаний и плоского малоинерционного нагревателя, расположенного на торце эталонного тела, обращенного к исследуемому образцу. Измерение колебаний температуры осуществляется дифференциальной термопарой, "рабочий" спай которой расположен в другом эталонном теле вблизи торца, сопрягаемого с образцом. Сигнал термопары, усиленный предварительным усилителем постоянного тока, регистрируется самопишущим прибором или после перевода в цифровую форму вводится в персональную ЭВМ.

В §4.3 рассмотрена автоматизированная система теплофизических исследований горных пород АСТИ, разработанная для обслуживания описанных выше экспериментальных установок и реализованная на базе персональной ЭВМ типа IBM PC/AT-386.

В § 4.4 приведены результаты метрологических исследований и оценены относительные погрешности экспериментальных определений

тепловых свойств горных пород, составляющие по температуропроводности - 3%, по теплопроводности - 5% и по удельной теплоемкости - 6 %.

§ 4.5 посвящен вопросам применения методик и теплофизической аппаратуры к петрофизическим исследованиям горных пород. Предложенный в диссертационной работе метод периодического нагрева, реализованный в экспериментальных установках, может быть использован в целях создания многофункциональной теплофизической аппаратуры для массовых измерений в петрофизических лабораториях образцов горных пород и пластовых жидкостей при моделировании термобарических условий залегания.

В § 4.5 даны принципы разработки и конструирования аппаратуры высокого давления и температуры для теплофизических исследований в пегрофизике, описана методика проведения эксперимента с горными породами при моделировании воздействия на образцы горного и пластового давлений и температуры. Рассмотрены и опыты комплексного характера, когда наряду с тепловыми величинами на одних и тех же образцах определяются коллекторские параметры пород. Обсуждены перспективы создания аппаратуры для изучения одновременно с тепловыми комплекса петрофизических свойств (скорости распространения продольных волн, электрического сопротивления и др.).

В пятом разделе работы приводятся результаты выполненных автором теплофизических исследований горных пород, отобранных из пермской, каменноугольной, девонской и архейской систем месторождений нефти и битумов Татарстана. В § 5.1 рассмотрены .цитологические особенности горных пород во взаимодействии с их тепловыми и другими характеристиками. Показано, что на тепло- и температуропроводность пород значительное влияние оказывает их литологическая характеристика, минералого-петрографический состав, структура, размер зерна, характер их упаковки, вид цемента и т.д.

Тепловые свойства пород существенно зависят от типа насыщающего флюида и соотношения различных фаз, обусловленного величиной пористости. В целом, ввиду существенной неоднородности геологических объектов тепловые характеристики нельзя считать постоянными для пород даже одного состава, если они находятся в разных геологических условиях.

На тепловые свойства горных пород существенно влияют термобарические условия пласта, причем характер и степень этого влияния зависят от литологического типа породы, ее структуры, сцементированности, состояния насыщенности и других факторов. В §5.2 приведены результаты исследования автором зависимости тепло-, температуропроводности и теплоемкости пород-коллекторов девонских

и каменноугольных отложений месторождений нефти Татарстана в воздушно-сухом и насыщенном состояниях от всестороннего и эффективного давлений до 50 МПа и температуры до 150 °С. С ростом всестороннего давления более значительно увеличивается тепло- X и температуропроводность а слабосцементированных пород, так в диапазоне давлений от 0,1 МПа до 20-30 МПа их Я, и а возрастают до 10 и более процентов.

Основной вклад в изменение тепловых свойств коллекторов вносит эффективное давление, вызывающее деформацию скелета породы. Температура более существенно влияет на тепловые характеристики пород, чем давление. Характер зависимости теплопроводности от температуры обусловлен структурой породы, соотношением в ней кристаллической и аморфной фаз. Для большинства осадочных горных пород повышение температуры по данным автора, а также К.В.Васильева, А.Г.Курбанова, А.И.Масленникова и других исследователей приводит к значительному уменьшению тепло- и температуропроводности, что необходимо учитывать при расчетах температурных полей в пласте.

В § 5.3 приведены полученные впервые автором результаты определения параметров теплопереноса в коллекторах при движении в них флюидов. Изучение терригенных и карбонатных коллекторов проводилось при вынужденной фильтрации в mix воды, как в направлении теплового потока, так и противоположно ему, в диапазоне значений безразмерных, скоростей массопереноса Ре от 0 до ±0,5. Измерения показали адекватность теоретической модели (1)-(11) с экспериментальными данными, что говорит о незначительном вкладе в теплоперенос конвективных составляющих теплопроводности, обусловленных пульсациями поля скоростей в извилистых поровых каналах коллекторов. Таким образом, в диапазоне скоростей фильтрации, характерных для нефтепромысловой практики, при расчете полей температуры можно использовать дифференциальные уравнения типа (2).

В § 5.3 также рассмотрены исследованные автором закономерности периодических полей температуры в фильтрующих средах. В отсутствие массопереноса температурная волна, распространяющаяся в полуограниченном пространстве, затухает, при этом ее сдвиг фазы возрастает. Наложение массопереноса изменяет регулярное температурное поле в капиллярно-пористой среде. С увеличением скорости фильтрации, несущей информацию о колебаниях жидкости, релаксация температурных колебаний в этой среде становится меньше, сдвиг фазы уменьшается, а амплитуда возрастает. Последнее подтверждает открытие, сделанное Н.М.Фроловым в гидрогеосфере Земли. Однако, автором диссертации впервые выявлено, что в дальнейшем рост скорости массопереноса ведет к снижению

амплитуды колебаний температуры, т.е. она при совпадении направлений теплового потока и движения флюидов имеет максимум при определенной скорости фильтрации, зависящей от частоты нагрева и тепловых характеристик коллекторов. В случае, когда массоперенос направлен противоположно периодическому тепловому потоку -амплитуда и сдвиг фазы температурных колебаний в капиллярно-пористой среде с ростом скорости массопереноса монотонно убывают. Отмеченные выше закономерности положены в основу предлагаемых автором в разделе 8 методов определения параметров движущейся жидкости: скорости потока, расхода и состава, а также других геофизических и нефтепромысловых приложений.

В § 5.4 показана проблема прогнозирования изменения тепловых свойств в процессе разработки нефтяных месторождений.

Раздел 6 посвящен исследованиям взаимосвязей между тепловыми и другими петрофизическими величинами горных пород. В силу того, что горные породы представляют собой гетерогенные многофазные среды, у них практически отсутствуют функциональные связи между физическими свойствами, характерные для однородных тел. Однако, общность минералогического состава и условий образования обусловливает наличие корреляции петрофизических свойств пород. В § 6.1 рассмотрены физические основы такой корреляции, которая наиболее отчетливо проявляется в рамках принадлежности к одной литологической группе.

В § 6.2 приведены полученные автором уравнения корреляции тепловых и коллекторских характеристик различных пород Ромашкинского нефтяного месторождения. С ростом плотности р, тепло-?, и температуропроводность а различных пород в целом возрастает, что отмечалось и другими, однако, рекомендация некоторых исследователей о возможности оценки X и а по выведенным ими общим уравнениям регрессии неубедительна. Данные автора диссертации показывают, что корреляцию нужно проводить раздельно по литологическим группам пород. С ростом пористости тепло- и температуропроводность коллекторов уменьшаются по линейной зависимости, что обусловлено, с одной стороны, увеличением доли существенно более низкотеплопроводной среды, заполняющей поровое пространство, а с другой стороны - уменьшением числа контактов в скелете породы, ухудшающим теплопередачу через твердую фазу. Автором получены уравнения корреляции между теплопроводностью и нефтебитумонасыщенностью коллекторов. В отличие от X н а корреляции удельной теплоемкости пород с плотностью, пористостью и проницаемостью диссертантом не обнаружено.

В § 6.3 рассмотрены оценки тепло- и температуропроводности горных пород по данным о скоростях упругих волн в связи с общностью фононного механизма этих процессов. Для пород месторождений нефти

Татарстана, имеющих одинаковый или близкий минералогический состав, т.е. принадлежащих к одной литологической группе, автором диссертации проведен корреляционный анализ в предположении линейной зависимости между этими свойствами, отмеченной также и другими. Для горных пород характерно то, что интересующая нас физическая величина зависит не от одного, а от нескольких параметров. В § 6.4 представлено исследование множественных связей между различными свойствами пород, которые, как показывают работы В.В.Бабаева, В.М.Тихомирова для других регионов, дают наиболее полные результаты. Так, анализ полученной автором зависимости Х-/(р,А"п) для известняков показывает, что более тесно связана с теплопроводностью пористость Кп образцов, а влияние плотности р на теплопроводность здесь сказывается лишь благодаря тому, что парный коэффициент корреляции р и Кп имеет значение, очень близкое к единице, так как пористость определяет дефицит матрицы в породе. Исследования показывают, что сводные коэффициенты корреляции выше, чем парные, т.е. с помощью многомерных уравнений регрессии можно наиболее достоверно оценивать тепловые свойства горных пород. По М.М.Элланскому необходимо изучать не частные статистические, а общие связи, которые позволяют вскрывать причинно -следственный механизм исследуемых закономерностей (§ 6.5).

В седьмом разделе диссертации рассмотрены теплофизические исследования нефтяных пластов и их приложения к решению задач нефтепромысловой практики. В § 7.1 автором обсуждаются методики определения тепловых свойств пластов в нефтегазовой геотермии. Данные лабораторных измерений имеются не по всем интересующим нас разрезам и отложениям и, кроме этого, в силу малого размера исследуемого керна не дают возможности достоверного определения тепловых характеристик пластов в целом. Для этих целей эффективен метод естественного теплового поля и метод косвенной оценки тепловых параметров пластов по результатам ГИС и корреляции свойств пород. Причем последний более широко применим на практике (работы В.В.Бабаева, Т.СЛебедева и др.).

В § 7.2 рассмотрена проблема построения с помощью методов ГИС и теплофизических исследований горных пород геотепловых моделей нефтяных месторождений, в которых были бы увязаны геологические особенности, петрофизические и тепловые характеристики пластов с геотермическими условиями недр.

С помощью комплекса геофизических исследований скважин можно оценить пористость, нефтебитумонасыщенность и другие параметры объекта исследования. Парные и многомерные связи тепловых свойств с этими характеристиками позволяют в дополнение к кривым ГИС построить кривые расчетной теплопроводности. Благодаря детальной корреляции на основе этих кривых можно оценить

теплопроводность пород и закономерности ее изменения. Так, на Мордово-Кармальском месторождении битумов анализ тепло-петрофизических характеристик позволяет вьщелить 5 основных групп горных пород, которые несмотря на общность по литологии различаются по цементированию, плотности, битумонасыщенности, пористости, что приводит к их значительной дифференцированности по теплопроводности от 0,7 Вт/(м-К) у рыхлых битуминозных песков с высокой пористостью до 2,0 Вт/(мК) у плотных водоносных песчаников.

В верхней части шешминского горизонта выделены слои с высокой, средней и низкой относительно вмещающих пород теплопроводностью, которые в свою очередь группируются в 5 основных элементов, характеризующих, по-видимому, закономерности изменения X пород месторождения как по разрезу, так и по площади.' Таким образом, представленный песчаными породами шешминский горизонт Мордово-Кармальского месторождения битумов является существенно неоднородным по теплопроводности, что должно учитываться при геотермических исследованиях, обосновании и проектировании систем разработки с тепловым воздействием, в том числе при рациональном размещении сетки добывающих и нагнетательных скважин, селективном выборе объектов разработки, определении участков максимальных потерь тепла через кровлю и подошву пласта и решении других задач.

В § 7.3 рассмотрена проблема нагревания нефтяных пластов. В работе Э.Б.Чекалюка описана модель прогрева, когда тепловые свойства пласта X и а постоянны и совпадают с аналогичными свойствами скважины. Между тем у большинства пород с ростом температуры X и а понижаются (§ 5.2), что оказывает положительное влияние при прогреве призабойной зоны скважины. В параграфе построена математическая модель этого процесса и с помощью комбинации аналитических методов и сеточной прогонки решена задача определения температуры пласта с учетом нелинейности тепловых характеристик пород.

§ 7.4 посвящен приложениям геплофизических исследований горных пород к решению задач поисков, разведки и разработки нефтяных месторождений. Важнейшим параметром в геотермии является теплопроводность пород, совершенствование методов определения которой существенно повышает возможности геотермических исследований. Так, на битумных месторождениях электрические и радиоактивные методы ГИС не позволяют детально расчленить изучаемые части разреза. Эту задачу можно решить на основе исследования теплопроводности пород.

Определенные в § 7.2 косвенным методом значения теплопроводности участков разрезов скважин позволяют надежней

оценивать величины плотности теплового потока. Более точное измерение тепловых потоков, в свою очередь дает возможность успешного изучения направления и интенсивности геологических процессов, происходящих с генерацией и поглощением энергии, а также решать задачи поиска залежей нефти и газа, для которых характерны тепловые аномалии.

В § 7.4 основываясь на результатах предыдущего параграфа автором диссертации представлена новая более достоверная методика расчета температуры нефтяного пласта при его прогреве. В качестве примера ее применения проведен расчет температуры пласта при его нагревании с помощью забойного электронагревателя. Результаты расчета показывают, что учет зависимости тепловых свойств горных пород от температуры по сравнению с известным методом Э.Б.Чекалюка приводит к сокращению планируемого времени нагревания до определенной температуры и уменьшению затрат энергии. Таким образом, предложенная автором методика дает возможность более достоверного расчета температурного поля пласта и выбора наиболее экономичных способов его прогрева с целью решения различных технологических задач (например, термоимплозионной обработки призабоиной зоны скважин).

В восьмом разделе диссертации рассмотрены пути применения закономерностей периодических температурных полей в нефтепромысловой геофизике и разработке нефтяных месторождений. В § 8.1 автором дан анализ периодических температурных полей при тепломассопереносе в породах-коллекторах и их геофизические и другие приложения. Рассмотрена, в частности, проблема циклического термического воздействия на нефтебитумные пласты, рекомендуемая Н.В.Зубовым, Д.Н.Антониади и др., для повышения их нефтеотдачи. С этой целью получено регулярное решение задачи для линейной модели пласта в виде полуограниченной изотропной фильтрующей среды, на поверхности которой задаются периодические колебания теплового потока, совпадающего по направлению с фильтрационным потоком жидкости. Подобным образом показана возможность организации технологии воздействия на пласты высоковязких нефтей и битумов, обеспечивающая большую глубину циклического воздействия при одновременном снижении температурных напряжений на забое скважины. Это же решение позволяет при периодическом нагреве в нагнетательной скважине и измерении колебаний температуры и скорости движения жидкости в гидравлически связанной с ней скважине оценивать тепло- и температуропроводность пластов. В § 8.1 обсуждается также проблема термометрического контроля за разработкой месторождений заводнением. С целью изучения влияния закачки воды переменной температуры ("зима-лето") на охлаждение пластов показаны периодические поля температуры, возникающие в

этом процессе. Здесь же рассмотрена проблема интерпретации термометрических измерений в действующих скважинах.

В § 8.2 приведены предлагаемые автором примеры возможного использования эффектов периодического нагрева в термометрии скважин при контроле разработки нефтяных пластов геофизическими методами. В их основу положены закономерности периодических температурных полей в движущихся средах (§ 5.3). Размещая на некотором расстоянии друг от друга в потоке флюида малоинерционные периодические источники нагрева и датчики температуры, можно исследовать поля скоростей в скважинах, массовый расход жидкости или газа (§ 8.2.2). Тепловые свойства водонефтяных эмульсий зависят от соотношения в них компонентов, благодаря чему возможно определение влагосодержания нефтей в описанной выше модели (§ 8.2.2). В § 8.2 рассмотрены конструктивные и режимные параметры подобных измерений. Преимущества предлагаемых способов в отсутствии вращающихся механических деталей и в определении комплекса характеристик. Это, на взгляд автора, позволит создавать новые методики геофизических исследований при контроле за разработкой месторождений.

В заключении перечислены основные результаты, полученные при выполнении работы.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. ЛИПАЕВ A.A. Теплофизические исследования в петрофизике. -Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1993.- 147 с.

2. ЯКОВЛЕВ Б.А., ЛИПАЕВ A.A., ТУЖИЛИН Г.А., и др. Экспериментальное исследование тепловых свойств горных пород в различных термодинамических условиях // Проблемы горной теплофизики: Тез. докл. 2 Всесоюзн.научно-техн.конф., 17-19 ноября 1981 г. Ленинград. - С.ЗО.

3. ЯКОВЛЕВ Б.А., ЛИПАЕВ A.A., СИНГАТУЛЛИН М.Р. Экспериментальное исследование тепловых свойств горных пород в различных термодинамических условиях//Нефтяное хозяйство,-1983.-N5.-C.43-45.

4. ЯКОВЛЕВ Б.А., ИСКАНДЕРОВ Д.Б., ЛИПАЕВ A.A. Тепловые свойства известняков верей-башкирских отложений // Нефтяная промышленность. Сер. Нефтепромысловое дело и гранспорт нефти.- 1984.Вып.8.-С.14-16.

5. ЯКОВЛЕВ Б.А., ИСКАНДЕРОВ Д.Б., ЛИПАЕВ A.A. Коррелируемость по тепловым свойствам и коллекторским характеристикам карбонатных пород верей-башкирских отложений // Цеп.в ВНИИОЭНГ, 1986, N 1234/нг.

6. A.c. 1326975 СССР МКИ3 G Ol N 25/18. Устройство для определения теплофизических свойств материалов I А.А.Липаев, С.А.Николаев, Б.А.Яковлев (СССР).- 4 с.

7. НИКОЛАЕВ С.А., ЛИПАЕВ A.A. Аппаратура для теплофгоических исследований горных пород методом тепловых волн при моделировании термобарических условий // Методы и средства теплофизических измерений: Тез. докл. Всесоюзн. научно-техн. конф., 17-19 сентября 1987 г.-Севастополь, 1978.-С. 66-67.

8. НИКОЛАЕВ С.А., ЧУГУНОВ В.А., ЛИПАЕВ A.A. Определение параметров тепломассопереноса в пористых средах методом тепловых волн // Новейшие исследования в области теплофизических свойств: Тез. докл. Всесоюзн. совещ.-семин. мол. учен. Тамбов, 13-19 мая 1988. -Тамбов, 1988.- С.68.

9. ЛИПАЕВ A.A. Методика и аппаратура для исследования комплекса теплофизических и коллекторских свойств горных пород при моделировании термобарических условий пласта // Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях: Тез.докл.конф. 16-20 октября 1989 г.- Свердловск. 1989.-С. 105.

10. НИКОЛАЕВ С.А., ЛИПАЕВ A.A. Экспериментальные исследования тепломассопереноса в горных породах для изучения геотермических условий в массиве // Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях.: Тез. докл. конф. 16-20 октября 1989 г.- Свердловск, 1989.-С. 109.

11. ЛИПАЕВ A.A., НИКОЛАЕВ С.А., ЧУГУНОВ В.А. Методы исследования тепломассопереноса в проницаемых материалах // Состояние работ в области создания проницаемых материалов и перспективы их использования: Тез.докл.научно,- теш. совещ.,Минск, 21-22 ноября 1989 г.- Минск,1989.- С. 56-57.

12. НИКОЛАЕВ С.А.,ЛИПАЕВ A.A. Измерительный комплекс для исследования проницаемых материалов // Состояние работ в области создания проницаемых материалов и перспективы их использования: Тез.докл.научно-техн.совещ., Минск, 21-22 ноября 1989 г. -Минск, 1989.-С. 57-58.

13. ЛИПАЕВ A.A. О методике определения параметров тепломассопереноса в пористых проницаемых средах // Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий: Тез. докл.Республ.науч.-техн.совещ. 10-12 мая 1990 г.-Казань.1990.-С.74-75.

14. ЛИПАЕВ A.A., ЕВТУШЕНКО С.П., ЧУГУНОВ В.А. Исследование теплофизических свойств фильтрующих сред методом тепловых волн и анализ погрешностей эксперимента // Теплофизика релаксирующих систем: Тез. докл. Всесоюзн. совещ.-семинар. мол. учен., Тамбов,28 мая- 1 июня 1990 г.- Тамбов., 1990.- С.66.

15. ЛИПАЕВ A.A. Методические разработки и теплофизические исследования образцов горных пород при моделировании

термобарических условий // Геофизические исследования в нефтяных скважинах.-Уфа, 1990.-Вып.20- С.20-27.

16. НИКОЛАЕВ С.А.,ЛИПАЕВ A.A. Метод тепловых волн в трехсоставной системе тел при определении теплофизических свойств веществ в широком диапазоне температур и давлений // Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур: Тез.докл.1У Всесоюзн. научно-техн. конф. 29-31 мая 1990 г.- Харьков, 1990.-С.251-252.

17. ЛИПАЕВ A.A. Разработка методов определения и исследование тепловых свойств горных пород-коллекторов в условиях, моделирующих естественное залегание // Тез. докл. 8 Всесоюзн. совещ. по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах 1990 г. Уфа. 1990 г. ч. 2 С.42.

18. НИКОЛАЕВ С.А., ЧУГУНОВ В.А., ЛИПАЕВ A.A. Определение теплофизических свойств капиллярно-пористых сред в условиях массопереноса методом тепловых волн // ИФЖ.- 1990 г.-Т. 59.- № 2.-С.317 - 319.

19. ЛИПАЕВ A.A. Метод температурных волн в системе контактирующих тел при исследовании фильтрующих капиллярно-пористых сред // ИФЖ. 1991.-Т.61. № 2 - С.335-336.

20. ЛИПАЕВ A.A. Горные породы - анализ лабораторных методов определения тепловых свойств. Состояние и перспективы / Казанск.ун-т.Казань. 1991 г.- Деп. в ВИНИТИ 04.06.91г. № 2321-1391.

21. ЛИПАЕВ A.A., ЧУГУНОВ В.А. Особенности периодических температурных полей в фильтрующих капиллярно-порнстых средах // ИФЖ.- 1991- Т.61.- N4.- С.631-634.

22. A.c. 1755152 AI СССР MK№ G 01 N 25/18. Устройство для определения теплофизических свойств материалов / А.А.ЛИПАЕВ (СССР). - 4 с.

23. A.c. 1797026 AI СССР МКИ5 G 01 N 25/18. Способ определения теплофизических свойств капиллярно-пористых сред в условиях фильтрации / А.А.ЛИПАЕВ и В.А.ЧУГУНОВ (СССР) - 6 с. ил.

24. ЛИПАЕВ A.A., НИКОЛАЕВ С.А., ЧУГУНОВ В.А. и др. Исследование тепломассопереноса в нефтебитумных коллекторах // Теплоэнергетика и энерготехнология в проблемах добычи нефти и битума.- Казань, 1991.-С.51 -60.

25. ЛИПАЕВ A.A. О методике определения теплофизических свойств горных пород при геотермических исследованиях // Региональные геотермические исследования.-Свердловск: УрО РАН. 1992.-80 с.

26. ЛИПАЕВ A.A. Методы температурных волн для решения задачи петрофизического обеспечения геотермических исследований // Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон.- М.: Наука, 1993.-С.350-358.

27. ЛИПАЕВ A.A., ЧУГУНОВ В.А., ЕВТУШЕНКО С.П. Экспериментальное исследование параметров тепломассопереноса в нефтебитумных коллекторах И Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов: Тез. докл. междунар. конф., 4-8 октября 1994 г.- Казань. 1994.-С.134.

28. ЛИПАЕВ A.A., БУРХАНОВ Р.Н., ВОЛКОВ Ю.В. и др. Тепловые свойства горных пород и пластовых флюидов нефтяных и битумных месторождений Татарстана // Проблемы развития нефтяной промышленности Татарстана на поздней стадии освоения запасов: Тез. докл. научно-практич. конф. 27-28 октября 1994 г. - Альметьевск, 1994, - С.55.

29. ЛИПАЕВ A.A.,ЧУГУНОВ В.А.,ЕВТУШЕНКО С.П. и др. Экспериментальное исследование параметров тепломассопереноса в нефтебитумных коллекторах (методика, аппаратура, результаты) И Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов : Сб. трудов международн. конф. Казань, 4-8 октября 1994 г. Казань.-Т.4.-С. 1242-1259.

30. ЛИПАЕВ A.A. Проблемы теплофизического обеспечения решения нефтепромысловых задач // Повышение эффективности теплофизических исследований технологических процессов.Тез.докл. междунар .теплофизической школы. 25-30 сентября 1995 г.-Тамбов, 1995. -С. 47-51.

31. ЛИПАЕВ A.A., ЧУГУНОВ В.А. Методика определения тепловых свойств горных пород дня интерпретации термометрии скважин при взрывном и импульсном воздействии / Казан.ун-т. Казань. 1995 г.- 21 с - Деп. в ВИНИТИ 10.11.95 N 1332-В 95.

32. ЛИПАЕВ A.A.,БУРХАНОВ Р.Н. Учет экологических последствий тепловых методов разработки Мордово-Кармальского месторождения битумов // Геоэкология в нефтяной и газовой промьшшенности.Тез.докл.научно-техн.конф.,М.,25-27 октября 1995 г.-М.,1995.- С. 40-41.

33. ЛИПАЕВ A.A., СТАРШИНОВ А.Г., ЛИПАЕВ С.А. Автоматизация теплофизических исследований горных пород // Проблемы разработки нефтяных месторождений...: Тез.докл.научно-практ.конф. 1-2 ноября, Альметьевск, 1996.- С.153.

34. ЛИПАЕВ A.A. Методы исследования параметров тепломассопереноса в горных породах // Проблемы разработки нефтяных месторождений: Тез. докл. научно-практ. конф., Альметьевск, 1-2 ноября 1996 г.-Альметьевск, 1996.-С. 53-54.

35. ЛИПАЕВ A.A., АХМЕДЗЯНОВА Г.Р., БУРХАНОВ Р.Н. О классификации пород Мордово-Кармальского месторождения битумов по тепловым свойствам // Казан, ун-т.- Казань, 1996.- 27 е.- Деп. в ВИНИТИ 22.05.96. № 1659- В 96.