Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для измерений тепловых свойств горных пород при повышенных термобарических условиях

Миклашевский, Дмитрий Евгеньевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для измерений тепловых свойств горных пород при повышенных термобарических условиях
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для измерений тепловых свойств горных пород при повышенных термобарических условиях"

003052286 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОб^НЙЙ И~ЙА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Российский государственный геологоразведочный университет

МИКЛАШЕВСКИЙ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва-2007

003052286

Работа выполнена в Российском государственном геологоразведочном университете им. Серго Орджоникидзе

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

проф. Ю.А. Попов

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

проф. Е.А.Поляков (РГГРУ) кандидат физико-математических наук, с.н.с. В.Г.Попов (МГУ)

Ведущая организация: Институт геофизики УрО РАН

Защита состоится 12.04.07 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д212.121.07 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, ауд. 6-38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГТРУ.

Отзывы, заверенные печатью учреждения, в двух экземплярах просим направлять п адресу: 117997, г. Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, РГТРУ, Ученому секретарг диссертационного совета.

Автореферат разослан 12.03.2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, проф.

Г.Н. Боганик

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Экспериментальные исследования физических свойств пород при условиях их естественного залегания относится к важнейшим задачам петрофизики и геотермии Данные о теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости необходимы при изучении теплового режима горных массивов, определении плотности глубинного теплового потока, интерпретации результатов термокаротажа. Информация о температурном коэффициенте линейного расширения пород важна при оценке термического напряжения горных массивов, возникающего из-за теплового расширения пород, для оценки зон возможного обрушения при бурении нефтегазодобывающих и других скважин

При отсутствии достаточно надежных средств измерений тепловых свойств пород в скважинах изучение этих свойств в настоящее время сводится к измерениям на образцах пород с использованием лабораторных установок, моделирующих пластовые температуру и давление

Вместе с тем до последнего времени отсутствовала метрологически изученная аппаратурно-методическая база, обеспечивающая измерения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости при одновременном воздействии температуры, порового и двух компонент (вертикальной и боковой) литостатического давления с учетом тепловой анизотропии свойств на представительных по размеру образцах пород и минералов. Актуальным является создание более совершенных технических средств для изучения зависимости температурного коэффициента линейного расширения минералов и горных пород от температуры с учетом их анизотропии

В связи с этим важной задачей является создание аппаратурно-методического комплекса для изучения тепловых свойств пород и минералов при повышенных термобарических условиях для глубин залегания пород до 10000-12000 м, отвечающего вышеуказанным требованиям.

В условиях недостатка в научной литературе данных о тепловых свойствах минералов и горных пород при повышенных термобарических условиях развитие аппаратурно-методической базы петротепловых исследований сможет обеспечить получение существенно более представительной экспериментальной информации^ о тепловых свойствах горных массивов.

Цель рабо1 ы

Целью работы является развитие экспериментальной базы петрофизических и геотермических исследований и повышение качества эксперимешальной информации о тепловых свойствах горных пород и минералов в условиях их естественного залегания

Основные задачи исследований

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи-

1. Развитие теоретических основ метода измерений теплопроводности и температуропроводности при повышенных гермобарических условиях.

2 Разработка аппаратуры для измерений главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности минералов и горных пород при совместном влиянии температуры, порового и двух компонент (вертикальной и горизонтальной) литостатичеекото давлений в диапазоне температур 25...300 °С и давлений 0,1 ..250 МПа

3. Разработка установки для измерений главных значений тензора температурного коэффициента линейного расширения минералов и пород в интервале температур 25. 250 °С.

4. Метрологическое тестирование разработанной аппаратуры для измерений тепловых свойств минералов и горных пород при повышенных значениях температуры и давления

5. Разработка методики контроля изменений свойств матрицы и порового пространства образца при экспериментальных исследованиях тепловых свойств горных пород в условиях повышенных давлений и температур.

6 Изучение теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости различных типов осадочных пород и пород разреза Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 при повышенных температуре и давлении с учетом их анизотропии.

7. Изучение температурного коэффициента линейного расширения минералов и различных типов осадочных горных пород с учетом их анизотропии.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан аппаратурно-методический комплекс, впервые обеспечивающий одновременное измерение главных значений тензоров

теплопроводности и температуропроводности минералов и горных пород при одновременном воздействии температуры, порового давления и двух компонент литостатического давления.

2 Разработана комплексная методика контроля изменений свойств матрицы и порового пространства образца при измерениях теплопроводности и температуропроводности в условиях повышенных давлений и температур с использованием теоретических моделей эффективной теплопроводности и измерений тепловых свойств при нормальных условиях на прецизионной установке оптического сканирования.

3. Проведено изучение теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости на представительной коллекции различных типов осадочных пород при совместном влиянии повышенных температур (до 180 °С), литостатического (до 200 МПа) и порового (до 80 МПа) давлений.

4. Установлена зависимость между теплопроводностью песчаников и карбонатных пород при повышенных термобарических условиях и теплопроводностью при нормальных условиях.

5. Новые данные о тепловых свойствах горных пород разреза Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 для интервала глубин 432...5949 м с учетом влияния температур до 120 °С и литостатического горного давления до 170 МПа позволяют повысить достоверность экспериментальных оценок глубинного теплового потока в районе бурения скважины СГ-4.

6. Разработана аппаратурно-методическая база, обеспечивающая прецизионные измерения температурного коэффициента линейного расширения образцов минералов и горных пород с учетом их анизотропии при повышении температуры с шагом 20 °С в диапазоне 25 . .250 °С.

7. Получены новые представительные данные о вариациях температурного коэффициента линейного расширения минералов и различных типов осадочных горных пород при повышении температуры

Защищаемые научные положения

1. Разработанный аппаратурно-методический комплекс обеспечивает измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности горных пород при одновременном воздействии температуры в диапазоне 25...300 °С и давления в диапазоне 0,1...250 МПа с раздельным регулированием порового и двух компонент горного давления.

2. Результаты исследований совместного влияния температуры, порового и двухкомпонентного горного давления на теплопроводность, температуропроводность и объемную теплоемкость изученных разновидностей осадочных и вулканогенных пород, полученные с применением разработанного аппаратурно-методического комплекса, создают основу для прогноза тепловых свойств этих пород в условиях горного массива

3. Методика, основанная на использовании теоретических моделей теплопроводности, прецизионных измерениях тепловых свойств сухих и флюидонасыщенных образцов пород и определениях пористости до и после геплофизических измерений при повышенных термобарических условиях, позволяет учитывать изменения свойств матрицы и геометрии порового пространства пород при интерпретации результатов РТ эксперимента.

4 Разработанный автоматизированный дилатометр обеспечивает определение зависимости температурного коэффициента линейного расширения пород и минералов от температуры в диапазоне 25... 140 °С с интервалом 20 °С с оценкой степени анизотропии на каждом изучаемом образце.

Личный вклад автора состоит в следующем:

- участие в создании теоретических основ измерений и в разработке аппаратуры;

- наладка, тестирование, совершенствование и метрологические исследования аппаратуры;

- разработка программных комплексов для автоматизации измерений, контроля параметров режимов измерений и формирования баз данных,

- разработка методики для контроля изменений свойств матрицы и геометрии порового пространства образца при измерениях теплопроводности и температуропроводности в условиях повышенных давлений и температур;

- проведение измерений всего комплекса тепловых свойств на образцах горных пород, обработка и интерпретация экспериментальных данных.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Создан новый аппаратурно-методический комплекс для измерений главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности минералов и горных пород при одновременном воздействии температуры, порового и двух компонент горного давления, а также температурного коэффициента линейного расширения при повышенной температуре, повышающий достоверность геотермических и петрофизических исследований как фундаментального, так и прикладного характера.

2 Получена представительная информация о вариациях тепло-, температуропроводности, объемной теплоемкости различных типов осадочных пород при повышенных значениях температуры, порового и всестороннего давлений, а также температурного коэффициента линейного расширения при повышенной температуре для различных типов горных пород, необходимая при решении различных геолого-геофизических задач.

3. Новые данные о тепловых свойствах горных пород разреза Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 с учетом влияния температур и давления позволили повысить надежность результатов петрофизических и геотермических исследований разреза скважины.

Реализация и внедрение результатов исследований

Результаты работы использованы в научных исследованиях, проводимых организацией ФГУП НПЦ "НЕДРА" (Ярославль), Научно-исследовательской лабораторией (НИЛ) Проблем геотермии Российского государственного геологоразведочного университета, Центром коллективного пользования уникальной геотермической аппаратурой РФФИ-РГГРУ.

Результаты исследований использованы в работах по проектам, выполняемым РГГРУ при поддержке Московского научного центра компании Шлюмберже.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на V Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика» в Санкт-Петербурге (2003), Международной конференции «Тепловое поле Земли и методы его изучения» в Москве (2002), Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле» в Москве (2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006), VI Международной конференции "Тепловой поток Земли и тепловая структура литосферы" в г.Быков, Чехия (2006).

Публикации

Результаты работ отражены в 2 научных статьях и 10 тезисах докладов, представленных на Международных научных конференциях.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 120 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 13 таблиц, библиографию из 117 наименований.

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

Автор глубоко благодарен научному руководителю доктору физико-магематических наук, профессору Ю.А. Попову за участие в становлении автора как исследователя. Автор выражает искреннюю признательность доктору технических наук, профессору В А. Вертоградскому за руководство при конструировании разработанной аппаратурной базы и совершенствование научно-технической подготовки автора. Автор сердечно благодарит специалиста радиотехники А.П. Лазаренко за большую помощь при разработке электронных узлов аппаратуры. Автор благодарит С Н Эмирова, Е Г. Осадчего, В.М Боровкова, ДИ. Кузнецова и В.И. Шувалова за серьезную поддержку при разработке аппаратурной базы. Автор признателен заведующей НИЛ Проблем геотермии РГГРУ Р.А Ромушкевич за многочисленные консультации при геологическом анализе изучаемых коллекций и расширение его геологического кругозора, к ф.-м.н. И.О. Баюк за постановку теоретического обеспечения петротепловых исследований 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 ходе выполнения данной работы.

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Московскому научному центру компании Шлюмберже (Schlumberger Moscow Research), его руководителю Ян Кюн де Шизелю и руководителю отдела физики пласта В.В. Тертычному за многолетнюю поддержку петротепловых исследований.

Автор благодарит Российский фонд фундаментальных исследований за поддержку фундаментальных геотермических и петрофизических исследований, в рамках которых выполнена часть работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В Главе 1 дан анализ ранее выполненных работ по изучению влияния повышенных термобарических условий залегания горных пород на их тепловые свойства.

Показан большой вклад в этом направлении, который внесли ученые России и сгран СНГ ХИ. Амирханов, Т.С Лебедев, В.А Корчин, Г.И Петрунин, В Г. Попов. А.И Масленников, Б.А. Яковлев, А А. Липаев, С.А. Липаев, С Н Эмиров, А.А Курбанов, В Е Зиновьев, И.Г Коршунов и др Характеризуется вклад зарубежных исследователей П. Бриджмена, К. Хораи, Р. Росса, Дж. Сасса, У. Зайпольда, А. Бэка, Д Прибиоу, К Клаузера, И. Кукконена, Р. Шельдшмидта и др.

Приведено описание лабораторных установок, представляющих наибольший практический и научный интерес. Показано, что для большинства описанных в литературе установок для измерений тепловых свойств горных пород при термобарических условиях горного массива характерны следующие существенные недостатки.

1) далеко не во всех случаях проведены достаточные метрологические исследования установок на эталонах и образцах с хорошо изученными тепловыми свойствами,

2) в большинстве случаев обеспечиваются измерения лишь одного параметра - теплопроводности или температуропроводности, отсутствует возможность изучения объемной теплоемкости;

3) установки для измерений тепловых свойств при повышенных термобарических условиях не обеспечивают реализацию порового давления, что особенно важно при изучении осадочных пород;

4) в большинстве случаев измерения проводятся на образцах малых размеров, что увеличивает влияние неоднородности пород на результаты измерений;

5) во многих случаях не обеспечиваются измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности.

На основе анализа современного состояния работ по изучению влияния термобарических условий залегания на тепловые свойства горных пород показана необходимость и поставлена задача создать экспериментальную базу для измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости минералов и горных пород при одновременном воздействии повышенных температуры, порового и двух компонент литостатического давления с возможностью определения тепловой анизотропии на одном образце при одном цикле РТ измерений и обеспечить ее метрологическое тестирование.

Показано, что для измерений температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) горных пород необходимо разработать установку (дилатометр),

которая имела бы следующие преимущества по сравнению с другими дилатометрами' 1) измерения TKJIP на образце стандартного керна, 2) измерения анизотропии ТКЛР на одном образце; 3) определение зависимости TKJIP от температуры с шагом не более 20 °С, 4) прецизионный уровень измерений.

Показано, что в связи с недостатком литературных данных о темлергиурных зависимостях и анизотропии тепловых свойств минералов и пород при повышенных термобарических условиях необходимы экспериментальные исследования породообразующих минералов и представительных коллекций различных типов пород с применением новой аппаратуры, обеспечивающей подобные измерения.

Глава 2 посвящена описанию разработанных теоретических моделей метода измерений теплопроводности и температуропроводности горных пород при условиях in situ, основанных на использовании линейного источника тепловой энергии В рамках данного подхода для расчета теплопроводности (Я) горной породы используется известная формула:

л= в ln(t2)-ln(t,)

Ал Т2-Т, ' ()

где Q - мощность линейного источника на единицу длины, Г/ и Т2 температуры нагревателя в моменты времени соответственно tt и ¡2-

Для анизотропных сред измерения главных значений тензора теплопроводности осуществляются в соответствии с формулой:

Я* = [ЯаЛь cos2 у + ЛаЛс cos2 /? + ЛаЛс cos2 а]"2 где 1* - кажущееся значение теплопроводности, Яа, Хь, Лс - главные значения тензора теплопроводности, а, (3 и у - углы между осыо источника и главными осями теплопроводности А, В и С, соответственно. Для определения главных значений тензора теплопроводности, в случае когда тепловая анизотропия моделируется одноосным эллипсоидом вращения, достаточно провести два измерения, в одном случае линейный источник должен быть ориентирован параллельно, а в другом - перпендикулярно к слоистости образца. Главные значения тензора теплопроводности связаны с эффективными значениями, измеренными в двух вышеупомянутых случаях, с помощью следующих формул'

Л' - V .^2 ~ Лг

где Л\и и ЛI - компоненты тензора теплопроводности соответственно параллельная и перпендикулярная слоистости образца

Разработанная автором методика измерений температуропроводности основана на решении обратной задачи методом оптимизации с определением значений теплопроводности, температуропроводности (я) и контактного сопротивления /г. Для этого минимизируется следующий функционал:

порядка, X - теплопроводность, а - температуропроводность, С, р - соответственно удельная теплоемкость и плотность среды, в которую помещен линейный источник, С ли- Рли и г — соответственно удельная теплоемкость, плотность и радиус линейного источника, Q - мощность линейного источника на единицу длины, И - безразмерное контактное сопротивление, Я - обратное тепловое контактное сопротивление, Я = лслоя/с/с„„, Хсдоя - теплопроводность слоя между линейным источником и плоскостью образца, с!с,ая - толщина этого слоя, г - время действия источника, т - безразмерное время. Т(1)>ксп - температура, измеренная экспериментально в момент времени Г, после начала нагрева линейного источника, Ы- количество экспериментальных точек.

Минимизация функционала (2) проводится методом нелинейной оптимизации с ограничениями на оптимизируемые параметры. Значения объемной теплоемкости задаются с учетом литологии изучаемого образца на основе информации из базы данных об объемной теплоемкости горных пород, разработанной в НИЛ Проблем геотермии РГГРУ. Значение теплопроводности, предварительно определенное по формуле (1), используется как начальное приближение в процедуре минимизации. Случайная ошибка этого приближения задается равной 5%. Начальное приближение для температуропроводности образцов рассчитывается из уравнений регрессии, связывающих теплопроводность с температуропроводностью и основанных на базе

(2)

где T(tJ „,ео/, - температура, рассчитанная по формуле (Карслоу и Егер, 1964)

данных по 1епловым свойствам различных типов осадочных пород, созданной в НИЛ Проблем геотермии РГГРУ. Установлено, чю для сухих образцов (далее - индекс «сух») различных типов осадочных пород эта зависимость имеет универсальный вид

асух = 0,0441 • + 0,2661 • Лсух + 0,3670. Для водонасыщенных (индекс «вн») образцов

также установлена подобная универсальная зависимость ат = 0,51 ■

Разработанная камера высоких температур и давлений включает в себя следующие основные элементы (рис. 1): 1 - камера высоких температур и давлений, 2 -заглушка, в которой через конусные уплотнения проходят электровводы (для электропитания нагревателя и линейных источников и вывода из камеры сигнала термопары и напряжения линейных источников) и капилляр для создания порового давления, 3 - теплоизоляторы для уменьшения теплопотерь по металлическим конструкциям камеры. Для одновременного измерения двух главных значений тензоров теплопроводности (и температуропроводности) в измерительную ячейку включены два

ПОРОВОЕ ДАВЛЕНИЕ

КАМЕРА

СИСТЕМА ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ

ТЕПЛОИЗОЛЯТОРЫ

ЛАТЕРАЛЬНОЕ ДАВЛЕНИЕ

ОСЕВОЕ ДАВЛЕНИЕ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ВВОДЫ -ВЫВОДЫ

ЗАГЛУШКА

ЭЛАСТИЧНАЯ ОБОЛОЧКА

ОБРАЗЕЦ

ВНЕШНИИ НАГРЕВАТЕЛЬ

ПЛУНЖЕР

Рис. 1. Камера высокого давления и температуры для измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности при одновременном воздействии температуры, порового и двухкомпонентного (вертикального и горизонтального) горного давлений.

ортогональных платиновых проводника, которые совмещают функции нагревателей и распределенных датчиков температуры. Последнее решение позволило резко уменьшить влияние локальных тепловых неоднородностей пород на результаты измерений, что является серьезным достоинством новой аппаратуры. Горизонтальная

компонента литоетатического давления создается маслом, нагнетаемым компрессором через боковое отверстие в камере, а вертикальное литостатическое давление -плунжером, расположенным в нижней части камеры. На внешнюю стенку камеры навита трубка, в которой циркулирует охлаждающий флюид

Для РТ измерений тепловых свойств минералов и плотных горных пород (при пористости менее 2%) разработана другая специальная экспериментальная установка. Назначение установки - измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности минералов и пород при одновременном воздействии повышенной температуры и всестороннего литоетатического давления в случае отсутствия необходимости реализовывать поровое давление. В таком случае при изучении пород результаты измерений, в отличии от ранее описанной установки, практически определяются лишь свойствами минеральной матрицы Принцип измерений тепловых свойств также основан на теоретических и экспериментальных моделях метода линейного источника Благодаря отсутствию необходимости обеспечивать трехкомпонентное давление, установка имеет упрощенную конструкцию РТ камеры и менее сложную гидравлическую систему, приводимую в действие ручным гидравлическим насосом. Электронно-измерительная часть установки в основных чертах повторяет аналогичную систему вышеописанной установки для трехкомпонентного давления.

На основе теоретических и экспериментальных исследований различных причин неадекватности разработанных теоретических и экспериментальных моделей метода линейного источника был предложен подход для определения максимально допустимой продолжительности измерений /3 проведены оценки влияния граничных тепловых эффектов на погрешность измерений и выбраны оптимальные параметры режима измерений.

Разработка электронных блоков и оригинального программного обеспечения позволила осуществить автоматизацию циклов измерений на обеих установках, включая выбор необходимого режима нагрева образца, контроль и регулирование рабочих параметров и формирование электронной базы данных.

Метрологические исследования разработанной установки проводились путем измерений на эталонах и рабочих стандартных образцах в четыре этапа

1) при нормальных термодинамических условиях с использованием коллекции эталонов, созданной в НИЛ Проблем геотермии РГГРУ и аттестованной в

метрологических организациях, а также стандартных рабочих образцов с хорошо изученными тепловыми свойствами;

2) при повышенной температуре (до 260°С) с использованием эталона - стекла К-8;

3) при повышенном давлении (до 200 МПа) на эталонах - образцах монокристалла кварца и стекле ЛК5,

4) при совместном влиянии повышенных температуры и всестороннего давления на образце монокристалла кварца.

Качество измерений теплопроводности в температурном интервале (25-260) "С было оценено с использованием кварцевого стекла К8. Сравнение экспериментальных данных, полученных с применением созданной установки и опубликованных в литературе (Сергеев и Шашков, 1983), показало, что среднее расхождение результатов во всем

температурном диапазоне Рис. 2. Экспериментальная зависимость

составило 2% при максимальном теплопроводности стекла К8 от температуры,

полученная с помощью разработанной установки расхождении не более 5% (рис. 2) (1) и летературные данные (2)

Тестирование установки в диапазоне давления (0,1-125) МПа было проведено на основе измерений эффективной теплопроводности монокристалла кварца

(Я = -1Ла/,Лс , где Хаъ и Лс - главные значения тензора теплопроводности) и

сопоставления результатов с экспериментальными данными, полученными Хораем и Сусаки (1989) (рис 3). Как следует из данных, представленных на рис.3, барические зависимости теплопроводности монокристалла кварца близки (расхождение средних результатов составило порядка 1,5%), несмотря на то, что доверительный интервал литературных данных многократно хуже, чем аналогичная характеристика наших данных (соответственно ±0,5 Вт/(м-К) и ±0,1 Вт/(м-К)).

са

л н

Г " "

1 1 I

1 ~ 1 ,

100 150 200 250 300 Температура, "С

Исследования вариации теплопроводности кварцевого стекла J1K5 при давлении до 150 МПа показали, что повышение давления приводит к незначительному увеличению теплопроводности с 1,33 Вт/(м-К) при 0,1 МПа до 1,37 Вг/(м-К) при 150 МПа. Эти экспериментальные результаты находятся в соответствии с литературными данными (Хорай и Сусаки, 1989), согласно

40 60 80 100 120 140 Давление, МПа

Рис. 3. Зависимость теплопроводности

монокристалла кварца от давления (Л*=д/.Я„,Д ),

полученная с помощью новой установки (1) и литературные данные (2) пунктирные линии -доверительный интервал литературных данных.

а к

которым влияние давления на теплопроводность аморфного кварцевого стекла выражено гораздо меньше, чем для монокристалла кварца. На каждой ступени по давлению отношение вертикальной и горизонтальной компонент давления варьировали ог 1 до 2 Случайная ошибка результатов измерений теплопроводности не превысила 2% при доверительной вероятности 0,95.

На рис. 4 представлены результаты одновременного измерения главных значений тензора теплопроводности монокристалла кварца при повышенных термо-

барических условиях и сравнения с аналогичными литературными данными

НОТемпература, °С

0,1

100 130 Давление, МПа

Рис. 4. Сравнение результатов одновременных измерений главных значений тензора теплопроводности монокристалла кварца ла1„ X, Хс, с помощью новой установки (соответственно 1, 2 и 3) с литературными (Бэк, 1977), из которых данными (соответственно 4, 5 и 6), полученными А. Бэком

видно, что различие (1977).

результатов измерений не превышает суммарной ошибки обоих измерений. Это позволяет сделать вывод о том, что результаты одновременных измерений главных

значений тензора теплопроводности при повышенных РТ условиях являю 1ся корректными

Проведенные исследования показали, что разработанные установки обладают следующими техническими характеристиками-

размеры образца, мм..................................диамегр 50, высота 50

диапазон измерений'

теплопроводность, Вт/(м-К)............................0,2... 11

температуропроводность, м2/с..........................0,1.. 6,0

объемная теплоемкость, Дж/(м3-К) ................1,3...5,0

температура, °С.....................................20...300

давление, МПа

поровое.......................................................0,1...250

вертикальная компонента.................... 0,1. .250

горизонтальная компонента............... 0,1...250

состояние образцов.........................................сухие, флюидонасыщенные

основная погрешность измерений

теплопроводность, %............................ 4

температуропроводность, %....................7

объемная теплоемкость, %.......................8

В Главе 3 представлены результаты измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости минералов и горных пород при одновременном воздействии повышенных температуры, горизонтальной и вертикальной компонент литостатического и порового давлений. Измерения проведены на следующих образцах и коллекциях: 1) монокристаллы галита и кварца; 2) 38 образцов песчаника; 3) 22 образца карбонатных пород; 4) 4 образца сульфатных пород; 5) 12 образцов вулканогенных пород разреза Уральской сверхглубокой скважины СГ-4.

По результатам измерений тепловых свойств монокристалла галита можно сделать следующие выводы: 1) теплопроводность уменьшилась при температуре 170 °С и давлении 150 МПа на 47% по сравнению с значением Л при нормальных условиях; 2) температуропроводность уменьшилась на 52%; 3) значения объемной теплоемкости стабильны в интервале температур 25... 120 °С и давления 0,1... 100 МПа; в интервале температур 120...170 °С и давления 100...150 МПа наблюдается увеличение параметра на 10%. Результаты определения тепловых свойств монокристалла кварца представлены в разделе метрологическое тестирование установок.

Разработана методика контроля за вариациями свойств матрицы, объема и геометрии иорового пространства пород при РТ эксперименте, позволяющая учесть эти факторы при интерпретации результатов измерений тепловых свойств при повышенных РТ условиях состоит из следующих стадий, совокупность и взаимосвязь которых реализована впервые в практике пстротеплового эксперимента:

Стадия I

- петрографическое исследование образцов,

- подготовка образцов к измерениям;

- изучение комплекса тепловых свойств и тепловой анизотропии образцов в сухом и флюидонасыщенном состояниях с помощью прецизионных измерений методом оптического сканирования;

- определение пористости;

- оценка свойств минеральной матрицы и геометрических параметров порового пространства образцов (определение функции распределения аспектного отношения пор/трещин) на основе теплофизических данных и теоретических моделей теплопроводности перед РТ измерениями',

Стадия 1Т измерения тепловых свойств при пластовых РТ условиях;

Стадия III повторное комплексное изучение образцов (по аналогии со стадией Г) с помощью петрографических исследований, метода оптического сканирования, измерений пористости и оценки геометрии порового пространства с использованием теоретических моделей теплопроводности после РТ измерений;

Стадия IV. интерпретация результатов изучения вариаций тепловых свойств пород при повышенных давлениях и температурах на основе анализа изменений комплекса изучаемых параметров, позволяющего учесть изменения свойств минеральной матрицы и порового пространства на результаты эксперимента

На стадии I изучают минеральный состав исследуемых образцов в тонких шлифах и, в случае необходимости, проводят дифракгометрический анализ. После этого из полноразмерного керна изготавливают образец цилиндрической формы (высотой 50 мм и диаметром 50 мм). Образцы высушивают при специальном тепловом режиме в печи, а затем при помощи метода оптического сканирования на прецизионном уровне измеряют теплопроводность, температуропроводность, объемную теплоемкость и коэффициент тепловой анизотропии пород. После этого образцы насыщают необходимым флюидом при вакуумировании и снова проводят измерения теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициента

тепловой анизотропии при помощи метода оптического сканирования По результатам взвешивания сухих и флюидонасыщенных образцов определяют его пористость

На основе экспериментальных данных о тепловых свойствах образцов в сухом и флюидонасьиценном состояниях, полученных при нормальных условиях, и данных о пористости оценивают теплопроводность матричного скелета и геометрию порового пространства. Эти оценки проводят с использованием теоретической модели теплопроводности, базирующейся на теории эффективных сред.

Перед началом измерений тепловых свойств при пластовых условиях на основе экспериментальных данных о тепловой анизотропии образца, полученных при нормальных условиях с помощью метода оптического сканирования, выбирают необходимое направление линейных источников для РТ эксперимента. В случае значительной тепловой анизотропии один из линейных источников помещают в направлении, перпендикулярном слоистости образца, поскольку данная компонента тензоров тепло- и температуропроводности является наиболее информативной при петрофизических исследованиях. После этого образец помещают в эластичную оболочку, разделяющую поровое и литостатическое давления.

На стадии II проводят измерения тепловых свойств в нескольких РТ точках, соответствующих термобарическому режиму, характерному для района отбора исследуемых образцов. В каждой РТ точке проводят не менее 10 измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости, что позволяет снизить случайную погрешность измерений.

На стадии III проводят демонтаж эластичной оболочки с последующим высушиванием образца в печи. После этого при помощи аппаратуры оптического сканирования повторно измеряют теплопроводность, температуропроводность, объемную теплоемкость и коэффициент тепловой анизотропии образца в сухом состоянии. Затем образец повторно насыщают флюидом в вакууме, определяют его пористость и проводят новые измерения комплекса тепловых свойств при нормальных условиях. С помощью теоретических моделей на основе данных о повторных измерениях теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости и коэффициента тепловой анизотропии образца в сухом и флюидонасьиценном состояниях оценивают новые значения теплопроводности матричного скелета и геометрических характеристик порового пространства.

На последующей стадии IV проводят анализ полного комплекса экспериментальных и теоретических данных, полученных до и после РТ измерений, и

изучают вариации тепловых свойств, произошедшие в процессе воздействия высоких давления и температуры. Благодаря прецизионному уровню измерений методом оптическою сканирования, основная погрешность которых не превышает 2% для теплопроводности и 3,5% для температуропроводности, удается зафиксировать значимые изменения тепловых свойств, если они происходят в процессе воздействия повышенных термобарических условий. Оценки характеристик геометрии порового пространства позволяют сделать заключение о степени изменения среднего аспектного отношения пор и его функции распределения при РТ измерениях тепловых свойств.

Полный анализ всех измеренных свойств и их вариаций позволяет выявить основные факторы, влияющие на изменения изучаемых тепловых свойств в процессе РТ эксперимента.

Экспериментальные исследования вариаций тепловых свойств различных типов осадочных пород, проведенные на 64 образцах пород при помощи разработанной аппаратуры были проведены при одинаковых значениях вертикальной и горизонтальной компонент литостатического давления Р равных 0,1. 50, 100 и 180 МПа. поровое давление Р„ на каждой ступени по давлению было равно /'/2,5. Температура увеличивалась одновременно с давлением и была равна: 25 °С при Р = 0,1 МПа; 75 °С при Р = 50 МПа; 125 °С при Р = 100 МПа; 180 °С при Р = 180 МПа.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. Результаты измерений теплопроводности при одновременном воздействии температуры, порового и одинаковых значениях вертикальной и горизонтальной компонент горного давления могут существенно отличаться от результатов подхода формального суммирования независимого влияния температуры и давления, широко используемого в литературе.

2. Вариации теплопроводности при повышенных температуре и давлении для большинства образцов близки к линейному закону Я[Вт/(мК)] = к PfMI la] + b. Параметры к и b изменяются в диапазонах соответственно -(0,7...13)10"3 Вт/(МПа м-К) и (1,4 ..5,3) Вт/(м-К).

3. Значения тепло-, температуропроводности и объемной теплоемкости изучавшихся пород изменяются на соответственно -9...-46%, -37...-47% и 45...97% при максимальных значениях температуры и давления по сравнению с значениями этих свойств при нормальных условиях.

4. Установлена тесная корреляция между значениями угла наклона кривых л(Р,Т) и значениями Я. измеренными при нормальных РТ условиях для песчаников и

карбонатных пород (коэффициенты корреляции для данных пород равны соответственно -0,81 и -0,91). Установленная корреляция делает возможным прогноз вариаций теплопроводности при повышенных РТ условиях для данных типов горных пород на основе значений теплопроводности, измеренных при нормальных условиях

Результаты применения разработанной методики исследования образцов показали, что в большинстве случаев не произошло значительных изменений тепловых свойств матрицы и геометрических характеристик порового пространства изученных пород. Для некоторых образцов произошло закрытие трещин во время измерений при повышенных РТ условиях, объясняющее увеличение теплопроводности этих образцов при температуре 75 °С и давлении 50 МПа.

Изучавшаяся коллекция Хаблица х Описание образцов Уральской керна Уральской сверх- сверхглубокой скважины СГ-4 (Р и Т - давление и

глубокой скважины СГ-4 состояла из 12 образцов, отобранных в интервале глубин 432...5939 м (таблица 1). Пористость образцов составляла 0,1. .1,5%.

Результаты измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости при температуре 25... 120 °С и литостатическом давлении в диапазоне (0,1... 170) МПа представлены соответственно на рис. 5,6.

Сопоставление значений теплопроводности каждого образца породы при условиях, соответствующих глубине его залегания, и при нормальных лабораторных условиях

показывает, что в среднем теплопроводность понизилась

температура, образца).

соответствующие глубине отбора

Шифр Глубина, Р, Т,°С Порода

м МИа

2785 431.8 12 9 Туффит базальта

4208 641,6 18 10 Туффит базальта

5332 814,85 22 12 Кварцевый микродиорит

17055 2777,6 76 42 Туффит базальта

20702 3417,0 94 53 Микродиорит

23837 3859,6 106 59 Туфогравипесчаник

30212 4635,0 127 71 Андезито- базальт

31101 4780,8 131 74 Пикродолерит

34291 5226,2 144 81 Базальт гематитизированный

34831 5317,3 143 83 Дацит

35501 5519,9 152 88 Дацит

35961 5939,0 163 96 Базальт

I25

■ - -+.

2785 —4208 -л-5132 -•-17055 20702 -"-23837 -с 30212 -•-31101 о 34291 -о 34831 -4-35501 -♦-35961

140 Температура, °С

0 1 50 100 150 200 Давление, МПа

Рис. 5. Результаты измерений теплопроводности пород разреза СГ-4.

на 4% (при усреднении не

рассматривались образцы 2785 и

4208, соответствующие глубине

432 м и 640 м, где температура

составляет около 10 "С)

Максимальное и

минимальное изменения

теплопроводности составили

20 40 60 80 100 120 140Температура. °С COO ГВвТСТВенНО -11% И 0,3% ОI 50 100 150 200 Давление, МПа

Степень изменения

Рис. 6. Результаты измерений температуропроводности пород разреза СГ-4 теплопроводности связана, в

основном, с типом пород Результаты измерений позволяют учесть пластовые условия при оценке плотности кондуктивного теплового потока по глубине скважины. Их этих данных следует, что при установленном малом влиянии РТусловий на теплопроводность пород новые экспериментальные результаты не могут существенно повлиять на прежние оценки вертикальных вариаций кондуктивной составляющей плотности теплового потока и оценки его глубинного значения для Уральской скважины СГ-4.

В Главе 4 описаны методика и установка (дилатометр) для измерений температурного коэффициента линейного расширения (TKJIP) горных пород и минералов при атмосферном давлении

Разработанный дилатометр обеспечивает измерения TKJIP на образцах стандартного керна (цилиндры диаметром 30 мм и высотой 30 мм), используемые при петрофизических исследованиях, что позволяет изучать корреляцию TKJIP с широким спектром других физических свойств (пористость, проницаемость, скорость распространения упругих колебаний), измеренных на одних и тех же образцах. Установка позволяет проводить измерения главных значений тензора TKJIP на одном образце, изготовленном в виде кубика с длиной ребра 30 мм, с целью исключения влияния неоднородности пород на экспериментальные результаты

Схема дилатометра представлена на рис. 7. Исследуемый образец б располагают на кварцевом держателе 5. Температура образца регистрируется термопарой 10, расположенной непосредственно на его поверхности. Температура образца повышается с помощью печи 7. Тепловое расширение образца, передается кварцевым толкателем 4, опирающимся на верхний торец образца б на основной датчик удлинения 1. Датчик

Г i

\ i \ _. !

'i-

Л i Г - - - 1

Y T"t i

- 2785 ^4208 -а-5332

— 17055 20702

-•-23837 -о-30212 -•-31101 » 34291 34831 -«-35501 -•-35961

удлинения 2 включен

дифференциально с датчиком 1 с целью учета влияния теплового расширения держателя кварцевой трубки 3, вызванного вариациями температуры окружающей среды, на результаты измерений. Термоконтроллер объединен с блоком обработки сигналов датчиков перемещения и аналого-цифровым преобразователем (12).

Создан представительный набор эталонов ТКЛР для проведения периодического метрологического тестирования дилатометра и текущего контроля качества измерений, состоящий из кварцевого стекла КВ, монокристаллического кремния, поликристаллической меди и поликристаллического алюминия. Диапазон ТКЛР эталонов перекрывает характерные значения ТКЛР горных пород.

На основе разработанных электронных блоков и оригинального программного комплекса проведена автоматизация цикла измерений, позволившая реализовать необходимые режимы нагрева и охлаждения образцов, контролировать параметры режима эксперимента и формировать электронную базу данных.

Проведенные исследования показали, что разработанный дилатометр обладает

следующими техническими характеристиками:

форма изучаемых образцов........................................стандартный керн,

кубики с ребром 30 мм

диапазон ТКЛР, ■ 10'6 К"1....................................................1.. .25

диапазон температуры, °С...............................................20. .250

основная погрешность определений

температуры, °С........................................................± 0,2

абсолютная погрешность измерений ТКЛР

для температурного интервала 20°С, -10'6 К"1...................±0,2

Рис 7. Схема разработанного дилатометра. 1, 2

- датчики перемещения; 3 - держатель кварцевой трубки; кварцевая система дилатометра: кварцевые толкатель 4 и держатель образца 5; 6 - исследуемый образец; 7- печь; 8 - вентилятор; 9 - термопара печи; 10

- термопара образца, 11 - система подъема печи, 12 - термоконтроллер, блок обработки сигналов, поступающих с датчиков перемещения и аналого-цифровой преобразователь.

относительная погрешность измерений ТКЛР

для температурного интервала 20 °С, 10"6К"'............. 0,5% при ТКЛР = 25

5% при ТКЛР = 2

режим измерений...................................................автоматический

Разработанный прибор использован нами для измерений ТКЛР образцов минералов и пород. Измерения были проведены в диапазоне температуры 25 . 140 °С с интервалом 20°С и выполнялись со следующими целями: 1) пополнить объем данных о ТКЛР породообразующих минералов (весьма ограниченный в настоящее время); 2) получить данные об анизотропии ТКЛР минералов, которые практически отсутствуют в литературе, 3) изучить зависимости ТКЛР от температуры, которые также практически отсутствуют в литературе в настоящее время; 4) создать предпосылки для разработки представительной базы данных по ТКЛР для осадочных горных пород

В главе представлены результаты измерений температурного коэффициента линейного расширения некоторых основных породообразующих минералов с учетом анизотропии в виде зависимостей ТКЛР от температуры (таблица 2).

Таблица 2. Экспериментальные значения ТКЛР минералов (ТКЛР = АТ0"6[К"']).

Минерал Сингония Ось с Ось а Ось Ь

Кварц Тригональная А = 0,0130-Т + 6,72 А = 0,0092-Т + А = 0,0092 Т +

Микроклин Триклинная А = -0,0042-Т + А = 0,0127-Т + А = 0,0073-Т -

Гроссуляр Кубическая А = 0,0166-Т + 6,67 А = 0,0166Т + А = 0,0166-Т +

Баоит Ромбическая А = 0.0123-Т+ 16.8 А = 0.0127 Т + А = 0.0168-Т +

Гипс Моноклинная А = 27,1 10"ЬК-' при 30°С - -

Роговая обманка Моноклинная А = 0,0165-Т + 5,51 - А = 0,02-Т + 7,3523

Из анализа результатов измерений ТКЛР на 65 образцах различных типов осадочных горных пород, представленных в таблице 3, можно сделать следующие выводы

1. ТКЛР горных пород определяется главным образом ТКЛР минералов, входящих в ее состав (например, более высокое содержание кварца в полевошпат-кварцевых по сравнению с кварц-полевошпатовыми песчаниками приводит к повышенным значениям ТКЛР) при крайне незначительном влиянии пористости,

2. Карбонатные горные породы имеют гораздо более низкие значения ТКЛР по сравнению с песчаниками в связи с более низкими значениями ТКЛР кальцита и доломита в сравнении с ТКЛР кварца.

Таблица 3 Результаты измерений температурного коэффициента линейного расширения образцов осадочных пород (температура соответствует значению в центре

Температура Порода 30°С | 100°С

Среднее, 10"6 [К1] Мин, 10"6 [К'1] - Макс, 10"6 [К"'|

Полевошпат-кварцевые песчаники 10,9 10,3-11,5 12,2 11,6-12,6

Кварц-полевошпатовые песчаники 8,7 7,87-10,1 П,1 9,66 - 12,0

Карбонатные породы 4,8 3,48-10,8 6,3 4,50 -14,4

Корреляционный анализ, проведенный на 22 карбонатных образцах, позволил выявить тесную корреляцию между значениями ТКЛР и содержанием кальцита (коэффициент корреляции 0,87). Установлено, что ТКЛР известняков (содержание кальцита 90. .95%) не зависит от значений пористости в интервале (0,7... 12)%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан аппаратурно-методический комплекс для измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости пород при повышенных термобарических условиях, обеспечивающий:

измерения указанных тепловых свойств при одновременном воздействии температуры, порового и двух компонент литостатического давлений в диапазонах температуры 25...300 °С и давлений 0,1.. 250 МПа;

измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности для анизотропных сред;

измерения тепловых свойств на образцах в форме цилиндров с представительными размерами (высотой 50 мм и диаметром 50 мм) для уменьшения влияния неоднородности горных пород на результаты измерений;

теплофизические измерения на образцах пород в сухом и флюидонасыщенном состояниях.

2 На коллекции эталонов и рабочих стандартных образцов проведено метрологическое тестирование разработанных установок при нормальных и повышенных термобарических условиях; установлено, что основная погрешность измерений теплопроводности и температуропроводности с помощью разработанной установки не превышает соответственно 4% и 7% (при доверительной вероятности 0,95).

3 Разработана методика конгроля за вариациями свойств матрицы, объема и геометрии порового пространства пород при РТ эксперименте, позволяющая учесть эги факторы при интерпретации результатов измерений тепловых свойств при повышенных РТ условиях

4 Проведены измерения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости на представительных коллекциях осадочных и вулканогенных пород при повышенных термобарических условиях.

5. Установлены закономерности в изменениях теплопроводности, хемпературопроводности и объемной теплоемкости при переходе от нормальных условий к условиям горных массивов, которые помогают осуществить прогноз тепловых свойств изучавшихся типов пород для условий in situ.

6 Разработана аппаратурная база для измерений температурного коэффициента линейного расширения образцов минералов и горных пород в форме стандартного керна и кубиков с длиной ребра 30 мм с возможностью изучения вариаций этого параметра с изменением температуры с шагом 20 °С и изучением анизотропии температурного коэффициента линейного расширения на каждом образце пород

7. Проведены измерения температурного коэффициента линейного расширения на образцах минералов и представительной коллекции (65 образцов) различных типов осадочных пород, позволившие получить новые данные о значениях и температурных вариациях изучавшегося параметра для изучавшихся сред

Публикации по теме диссертации

1. Вертоградский В.А., Попов Ю.А., Миклашевский Д.Е. Метод и установка для измерений теплопроводности горных пород при высоких давлениях и температурах Известия высших учебных заведений, серия «Геология и разведка», 2003, 5 С. 47-51.

2. Миклашевский Д.Е., Попов Ю А, Вертоградский В А., Баюк И.О. Измерения компонент тензоров теплопроводности и температуропроводности горных пород при пластовых термобарических условиях. Известия высших учебных заведений, серия «Геология и разведка», 2006,6. С. 35-42

3. Vertogradskiy V., Popov Yu., Miklashevskiy D. Method and equipment for rock thermal conductivity measurements at formational pressure and temperature. Proceedings of the International conference "The Earth's Thermal Field and Related Research Methods", Moscow, 2002. PP. 297-300.

4. Миклашевский Д.Е. Система для автоматизации измерений теплопроводности образцов горных пород методом линейного источника Сборник тезисов докладов IV

Международной научно-практической геолого-геофизической конкурса-конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-2003», Санкт-Петербург, 2003 С 122-124

5. Миклашевский Д.Е., Попов Ю.А. К оценке представительности экспериментальных данных о теплопроводности пород при пластовых давлениях и температурах. V Международная научно-практическая конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», Москва, 2006. С. 230.

6 Миклашевский Д.Е., Коробков Д.А, Горобцов Д H Теплопроводность осадочных горных пород при высоких значениях температуры, порового и всестороннего давлений. Научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученных «Молодые - наукам о Земле», Москва, 2006. С. 157.

7. Попов Ю.А., Миклашевский Д.Е., Вертоградский В.А., Коробков Д.А. Научно-техническая база центра коллективного пользования уникальным петрофизическим оборудованием. V Международная научно-практическая конференция «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», сборник избранных научных трудов. РИО «Ротапринт»; Москва 2006. С. 161

8. Popov Yu., Romushkevich R., Tertychnyi V., Korobkov D., Bayuk I., Miklashevskiy D., Vertogradsky V. Experimental studying rock's thermal properties: advanced approaches and new data. Abstract volume of the XI international conference "The Earth's heat flow and thermal structure of lithosphere 2006", Bykov, Czech Republic, 5-10 June 2006 PP 85.

9. Попов Ю.А., Шувалов В.И., Вертоградский B.A., Коробков Д.А., Миклашевский Д.Е., Лазаренко А.П., Баюк И.О. Результаты исследований температурного коэффициента линейного расширения горных пород. XI Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ. Санкт-Петербург, 2005, 1. С 216

10. Вертоградский В.А., Попов Ю.А., Миклашевский Д.Е., Коробков Д.А., Лазаренко А.П., Новиков C.B. Установка для измерения теплопроводности горных пород при высокой температуре, поровом и двухкомпонентном внешнем давлении. VII Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», 2005, 3. С. 174.

11. Коробков Д.А., Миклашевский Д.Е., Вертоградский В.А., Попов ЮА. Измерения теплового коэффициента линейного расширения горных пород. VII Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», 2005, 3. С. 175.

12. Миклашевский Д.Е., Вертоградский В.А., Коробков Д.А., Попов Ю.А., Новиков C.B. Теплопроводность монокристаллического кварца при высоких давлениях. VII Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле», 2005, 3. С. 177.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Миклашевский, Дмитрий Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АППАРАТУРНО-МЕТОДИЧЕСКОЙ БАЗЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ И АНАЛИЗ ПРЕДСТАВИТЕЛЬНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

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

1.2. Особенности определения тепловых свойств минералов и горных пород при условиях горных массивов.

1.3. Измерения теплопроводности и температуропроводносш при повышенных термобарических условиях.

1.3.1. Установки для измерений теплопроводности пород при термобарических условиях горною массива.

1.3.2. Результаты предыдущих измерений теплопроводности осадочных горных пород при повышенных термобарических условиях.

1.4. Аппаратура для измерений температурного коэффициент линейною расширения пород.

1.5. Представит ельность результатов измерений температурного коэффициента линейного расширения пород в литера хурных данных.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ПОРОД ПРИ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

ГОРНОГО МАССИВА.

2.1. Теоретическая модель метода линейного источника для определения теплопроводности.

2.2. Теоретическая модель метода линейною источника для определения температуропроводности.

2 3. Теоретическая модель метода линейного источника для измерений главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности пород.

2.4. Экспериментальная модель метода линейною источника для определения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности.

2.5. Причины неадекватности теоретической и экспериментальной моделей метода линейного источника.

2.5.1. Систематическая погрешность, обусловленная конечными размерами образца.

2.5.2. Нестабильность мощнос1 и линейного источника.

2.5.3. Погрешность измерения температуры и длины линейною источника.

2.6. Теоретические основы анализа вариаций теплопроводноеiи осадочных пород при повышенных /''/'условиях.

2.7. Аппаратурный комплекс для измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости при одновременном воздействии высоких температур и давлений. комплекса ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ О ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ПОРОД

ПРИ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ ГОРНОГО МАССИВА.

3.1. Измерения теплопроводности и температуропроводности монокристалла галита.

3 2 Методика комплексного исследования образцов пород для интерпретации экспериментальных данных РТ измерений.

3.3. Результаты измерений тепловых свойств осадочных пород при повышенных термобарических условиях.

3.3.1. Описание коллекции образцов пород.

3.3.2. Резулыаты измерений теплопроводности, температуропроводносж и объемной 1еплоемкости пород.

3.3.3. Исследования тепловых свойств песчаника при раздельном и совместном влиянии температуры и давления.

3.4. Интерпретация экспериментальных данных.

3.4.1. Исследование вариаций тепловых свойств матрицы и характеристики порового пространства, произошедших при воздействии давления и температуры.

3.4.2. Вариации 1ешюпроводности терригенных и карбонатных пород при повышенных /'/'условиях.

3.5. Результаты измерений тепловых свойств образцов пород Уральской сверхглубокой скважины СГ - 4.

3.5.1. Описание коллекции образцов.

3.5.2. Измерения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости пород.

ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4. АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ И

РЕЗУЛЬТАТЫ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ.

4.1. Установка для измерений температурного коэффициента линейного расширения.

4 2. Автоматизация новой установки.

4 3. Метрологические исследования новой установки.

4.4. Результаты измерений температурного коэффициента линейною расширения минералов.

4.5. Методика проведения измерений температурного коэффициента линейного расширения на образцах горных пород.

4 6 Экспериментальные результаты измерений температурного коэффициента линейного расширения образцов горных пород.

4.7. Прогноз вариаций температурного коэффициента линейного расширения на основе теоретического моделирования.

ВЫВОДЫ.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для измерений тепловых свойств горных пород при повышенных термобарических условиях"

Актуальность работы

Экспериментальные исследования физических свойств пород при условиях их естественного залегания относится к важнейшим задачам петрофизики и геотермии Данные о теплопроводности (Л), температуропроводности (а) и объемной теплоемкости (ср) необходимы при изучении теплового режима горных массивов, определении плотное ги глубинного теплового потока, интерпретации результатов термокарогажа. Информация о температурном коэффициенте линейного расширения (TKJIP) пород важна при оценке термического напряжения горных массивов, возникающего из-за теплового расширения пород, для оценки зон возможною обрушения при бурении нефтегазодобывающих и других скважин.

Вместе с тем до последнего времени отсутствовала метрологически изученная аппаратурно-методическая база, обеспечивающая измерения теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости при одновременном воздействии температуры, порового и двух компонент (вертикальной и боковой) литостатического давления с учетом тепловой анизотропии свойств на представительных но размеру образцах пород и минералов. Актуальным является создание более совершенных технических средств для изучения зависимости температурного коэффициента линейного расширения минералов и горных пород о г температуры с учетом их анизотропии.

В связи с этим важной задачей является создание аппаратурно-методического комплекса для изучения тепловых свойств пород и минералов ири повышенных термобарических условиях для глубин залегания пород до 10000-12000 м, отвечающего вышеуказанным требованиям

В условиях недостатка в научной литературе данных о тепловых свойствах минералов и горных пород при повышенных термобарических условиях развитие аппаратурно-методической базы петротепловых исследований сможет обеспечить получение существенно более представительной экспериментальной информации о тепловых свойствах горных массивов.

Цель работы

Целью работы является развитие экспериментальной базы петрофизических и геотермических исследований и повышение качества экспериментальной информации о тепловых свойствах горных пород и минералов в условиях их естественного залегания.

Основные задачи исследований

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие основные задачи:

1. Развише теоретических основ метода измерений теплопроводности и температуропроводности при повышенных 1ермобарических условиях

2. Разработка аппаратуры для измерений главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности минералов и юрных пород при совместном влиянии температуры, порового и двух компонент (вертикальной и горизонтальной) лито статического давлений в диапазоне температур 25.300 °С и давлений 0,1.250 МПа.

4 Мегрологическое тестирование разработанной агшарагуры для измерений тепловых свойств минералов и горных пород при повышенных значениях температуры и давления.

5. Разработка методики контроля изменений свойств матрицы и норового пространства образца при экспериментальных исследованиях лиловых свойств горных пород в условиях noBF.irnenHj.ix давлений и ieMnepaiyp.

6. Изучение теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости различных типов осадочных пород и пород разреза Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 при повышенных температуре и давлении с учетом их анизотропии.

Научная новизна работы

11аучная новизна работа заключается в следующем:

1. Разработан аппаратурно-методический комплекс, впервые обеспечивающий одновременное измерение главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности минералов и горных пород при одновременном воздействии темпераiypi.i, порового давления и двух компонент литостатического давления

2. Разработана комплексная методика контроля изменений свойств матрицы и поровою пространства образца при измерениях теплопроводности и тем пера гуропроводности в условиях повышенных давлений и температур с использованием теоретических моделей эффективной теплопроводное!и и измерений тепловых свойств при нормальных условиях на прецизионной установке оптического сканирования

3. Проведено изучение теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости па представительной коллекции различных типов осадочных пород при совместном влиянии повышенных температур (до 180 °С), литостатического (до 200 МПа) и порового (до 80 МПа) давлений.

4. Установлена зависимость меиеду теплопроводност ью песчаников и карбонатных пород при повышенных термобарических условиях и теплопроводностью при нормальных условиях.

5. Новые данные о тепловых свойствах горных пород разреза Уральской сверхглубокой скважины СГ-4 для интервала глубин 432. .5949 м с учетом влияния температур до 120 °С и литостатического юрного давления до 170 МПа позволяют повысить достоверность экспериментальных оценок глубинного тепловою потока в районе бурения скважины СГ-4.

6. Разработана аппаратурно-методическая база, обеспечивающая прецизионные измерения температурного коэффициента линейного расширения образцов минералов и горных пород с учетом их анизотропии при повышении 1емпературы с шагом 20 "С в диапазоне 25.250 "С.

7 Получены новые представительные данные о вариациях температурного коэффициента линейного расширения минералов и различных типов осадочных горных пород при повышении температуры.

Защищаемые научные положенш!

1. Разработанный аппаратурно-методический комплекс обеспечивает измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности горных пород при одновременном воздействии температуры в диапазоне 25. 300 "С и давления в диапазоне 0,1.250 МПа с раздельным регулированием порового и двух компонент горного давления.

2. Результаты исследований совместного влияния температуры, порового и двухкомпонентного горного давления на теплопроводность, темпера гуропроводность и объемную теплоемкость изученных разновидностей осадочных и вулканогенных пород, полученные с применением разработанного аппаратурно-методического комплекса, создаю! основу для прогноза 1епловых свойств эгих пород в условиях юрною массива.

3. Методика, основанная на использовании теоретических моделей теплопроводности, прецизионных измерениях тепловых свойств сухих и флюидонасыщенных образцов пород и определениях пористости до и после 1ешюфизических измерений при повышенных термобарических условиях, позволяет учитывать изменения свойств матрицы и геометрии поровою пространства пород при интерпретации результатов /^'эксперимента

4. Разработанный автоматизированный дилатометр обеспечивает определение зависимости температурного коэффициента линейною расширения пород и минералов от температуры в диапазоне 25. 140 "С с интервалом 20 °С с оценкой степени анизотропии на каждом изучаемом образце.

Личный вклад автора состоит в следующем: участие в создании теоретических основ измерений и в разработке annapaiypbi, наладка, тестирование, совершенствование и метрологические исследования аппаратуры; разработка программных комплексов для автоматизации измерений, контроля параметров режимов измерений и формирования баз данных; разработка методики для контроля изменений свойс1в матрицы и геометрии норового пространства образца при измерениях теплопроводности и температуропроводности в условиях повышенных давлений и температур, проведение измерений всего комплекса тепловых свойств на образцах горных пород, обработка и интерпретация экспериментальных данных.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Создан новый аппаратурно-методический комплекс для измерений главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности минералов и горных пород при одновременном воздействии температуры, порового и двух компонент горного давления, а также температурного коэффициента линейного расширения при повышенной температуре, повышающий достоверность геотермических и петрофизических исследований как фундамент-ального, так и прикладного характера

2. Получена представи тельная информация о вариациях теплопроводности, температуропроводности, объемной теплоемкости различных типов осадочных пород при повышенных значениях темперагуры, порового и всестороннего давлений, а также температурного коэффициента линейного расширения при повышенной температуре для различных типов горных пород, необходимая при решении различных геолого-геофизических задач.

Реализация и внедрение результатов исследований

Апробации работы

Публикации

Объем и cipymypa работы

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Миклашевский, Дмитрий Евгеньевич

ВЫВОДЫ

1. Разработанный автоматизированный дилатометр обеспечивает прецизионные измерения ТКЛР на образцах минералов и горных пород в форме стандартного керна и кубиков с длиной ребра 30 мм в диапазоне темперагур 25. 100 "С при изменении температуры с интервалом 20 "С с определением коэффициента анизотропии на одном образце.

2. Метролошческое тесгирование нового дилатометра показало, чго полная почетность единичного измерения во всем диапазоне ТКЛР изменяется от а.4% для образца монокристаллического кремния до ^1,5% для образцовой меры из алюминия.

3. В результате экспериментальных исследований 22 образцов карбонатных горных пород с использованием разработанною оборудования установлена тесная корреляционная связь между значениями ТКЛР и содержанием в них кальцита (коэффициент корреляции 0,87).

4. Экспериментально установлено, что ТКЛР сухих мономинеральных известняков с содержанием кальцита 90.„95% не зависит от пористости, что согласуется с результатами теоретическою моделирования.

5. Анизотропия TKJIP образцов кварц-полевошпатовых песчаников (Калининградский вал), выпиленных с параллельной и перпендикулярной ориентировкой относительно оси керна, не превышает 6%

6. Коэффициент анизотропии карбонатных горных пород, определенный на одном образце, может достигать значения 5,2, что, возможно, связано с наличием ориентированной трещиноватости

7. В результате экспериментальных исследований четырех коллекций терри! енных и карбонатных пород общим объемом 65 образцов установлено, что ТКЛР породы определяется главным образом TKJIP минералов, входящих в ее состав; например, более высокое содержание кварца в полевошпат-кварцевых песчаниках по сравнению с кварц-полевошпатовыми песчаниками приводит к повышенным значениям ТКЛР

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработан аппаратурно-методический комплекс, включающий в себя две установки, предназначенный для измерений теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости пород при повышенных термобарических условиях и обеспечивающий: измерения указанных тепловых свойств при одновременном воздействии температуры, порового и двух компонент литостатическою давлений в диапазонах температуры 25. 300 °С и давлений 0,1.250 МПа; измерения указанных тепловых свойств при одновременном воздействии температуры и литостатического давления в диапазонах температуры 25.300 °С и давления 0,1.250 МПа; измерения главных значений тензоров теплопроводности и температуропроводности для анизотропных сред; измерения тепловых свойств на образцах в форме цилиндров с представительными размерами (высотой 50 мм и диаметром 50 мм) для уменьшения влияния неоднородности горных пород на результаты измерений; теплофизические измерения на образцах пород в сухом и флюидонасыщенном состояниях.

2 На коллекции эталонов и рабочих стандартных образцов проведено метрологическое тестирование разработанных установок при нормальных и повышенных термобарических условиях; установлено, что основная погрешность измерений теплопроводности и температуропроводности с помощью разработанной установки не превышает соответственно i4% и (при доверительной вероятности 0,95)

3. Разработана методика контроля за вариациями свойств магрицы, объема и геометрии порового пространства пород при РТ эксперименте, позволяющая учесть эти факторы при интерпретации результатов измерений тепловых свойств при повышенных /''/'условиях.

4. Проведены измерения теплопроводности, темпера1уропроводности и объемной теплоемкости на представительных коллекциях осадочных и вулканогенных пород при повышенных термобарических условиях.

5. Установлены закономерности в изменениях теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости при переходе от нормальных условий к условиям горных массивов, которые помогают осуществить прогноз тепловых свойств изучавшихся типов пород для условий in situ.

6. Разработана аппаратурная база для измерений тем пера 1урного коэффициента линейного расширения образцов минералов и горных пород в форме стандартною керна и кубиков с длиной ребра 30 мм с возможностью изучения вариаций этого параметра с изменением темперагуры с шагом 20 "С и изучением анизотропии температурного коэффициента линейного расширения на каждом образце пород.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Миклашевский, Дмитрий Евгеньевич, Москва

1. Авчян Г.М., 1972. Физические свойств осадочных пород при высоких температурах и давлениях. Москва, 1972, 144с

2. Ама1уни АН, 1972. Методы и приборы для определения температурных коэффициентов линейного расширения. М., Изд-во стандартов, 138 с.

3. Бабаев В.В., Будымка В.Ф , Сергеева Т.А., Домбровский М.А, 1987 Теплофизические свойства горных пород. Москва, Недра, 156 с.

4. Бабичев А П., Бабушкина Н.А., Братковский A.M., 1991. Физические величины (справочник). М., Энергоатомиздат. 1232 с.

5. Багринцева К.И., 2003. Условия формирования и свойства карбонатных коллекторов нефти и газа Москва, РГГУ, 285 с.

6. Баюк Е.И , Томашевская И.С., Добрынин В.М., 1988. Физические свойства минералов и горных пород при высоких термодинамических параметрах. Справочник, М., Недра, 255 с.

7. Бетехтин А.Г., 1960. Курс минералогии. Ред. ТИ Воронцова Москва, Моек Типогр. №5. 538 с.

8. Бриджмен П., 1935. Физика высоких давлений. Перевод с англ. Проф. М.П. Воларовича. Объединенное научно-техническое издательство НГТП СССР, Главная редакция общетехнических дисциплин и номографии, Москва 1935 Ленинград.

9. Бриджмен П.В., 1948. Новейшие работы в области высоких давлений. Перевод с англ. А И Лихтера. Государственное издательство иностранной литературы, Москва.

10. Варгафтик Н.Б., 1978. Теплопроводность флюидов и газов.

11. Вертоградский В. А., 1970. Способ определения коэффициента температуропроводности. Авт. свид. СССР. 258665. Бюлл. изобр., 1.

12. Власов Б В, Толуц С.С., Горбунов Ю.В., 1988. Установка для определения теплофизических свойств породообразующих минералов и окислов при высоких температурах. Нефтегеологические ишерпретации тепловою режима недр Западной Сибири. Тюмень, с. 127-135.

13. Гиматудинов Ш К. и др., 1982. Физика нефтяного и газового пласта. -М.: Недра, 312 с.

14. Горные породы и полезные ископаемые (петрофизика), 1992. Справочник, т.З, Под. ред. Дортман Н.Б. Москва, Недра, 453 с.

15. Добрынин В М., 1979. Деформации и изменения физических свойств коллекторов нефти и газа Москва, Недра, 239 с.

16. Дорофеева Р.П , 1981. Теплофизические свойства пород Иркутского амфитеатра. Геология и геофизика №10, с. 123-126.

17. Жарков В.Н., 1983. Внутреннее строение Земли и планет. М., Наука

18. Карслоу Г., Егер Д , 1964. Теплопроводность твердых тел. М., «Наука», 487 с

19. Кобранова В.Н., 1986. Петрофизика. Москва, Недра, 392 с.

20. Кондратьев Г.М., 1957. Регулярный тепловой режим. Москва, Гостехиздат, 408 с

21. Коробков Д А , 2006. Исследования тепловых свойств осадочных пород методом оптического сканирования. Дисс. к.т.н. наук. Москва. 184 с.

22. Курбанов А.А, 2000. Закономерности изменения теплофизических свойств флюидосодержащих коллекторов в пластовых /^/'-условиях и способы их применения. Махачкала. 226 с.

23. Лебедев Т.С., Корчин В А., Савенко Б.Я., Шаповал В.И, Шепель С.И, Буртный П.А, 1988 Петрофизические исследования при высоких РТ-параметрах и их геофизические приложения. Киев, Паукова Думка 248 с.

24. Липаев А.А. 1993. Теплофизические исследования в нетрофизике Казань, КРУ, 145 с.

25. Липаев С.А., 2005. Тепловые свойства горных пород Урала и их зависимости от температуры и давления. Автореферат на соискание ученой степени канд. геол.-мин. наук. Институт Реофизики УрО РАН Екатеринбург

26. Любимова Е.А., Масленников А.И., Ганиев Ю.А., 1979 О теплопроводности юрных пород при повышенных гемпературах и давлениях в водо- и нефтенасыщенном состояниях. Изв. АН СССР. Физика Земли. С. 87-93.

27. Малофеев Г.В., Сабанеева НС., Сергиенко С.И., 1972. Определение теплофизических свойств горных пород осадочного чехла ЗападноСибирской плиты. Нефтяное хозяйство №2, с. 33-37.

28. Мандель A.M. и Попов Ю.А., 1998. Математические модели теплопроводности горных пород. Известия РАН. Физика земли. №34. С. 369381.

29. Масленников А.И., 1975. Исследование влияния давления и температуры на теплопроводность юрпых пород (сухих, водо- и нефтенасыщенных) Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. 164 с.

30. Масленников А.И., Ганиев Ю.А., 1973. Влияние давления и температуры на теплопроводность горных пород Проблемы юрпой теплофизики, 1973. С. 38-40.

31. Масленников А И., Ганиев Ю.А, 1975. Влияние давления и темпера1уры на теплопроводность горных пород. Физические процессы горного производства. Вып 1. С. 137-140.

32. Моисеенко У.И., Соколова Л С., Истомин В.Е., 1967 Теплопроводноеib эклогита и долерита при высокой 1емпературе Доклады АН СССР, В. 173. № 3. С. 669-671.

33. Моисеенко У.И., Соколова Л.С., Истомин В.Е., 1970. Электрические и тепловые свойства горных пород. Новосибирск, Наука, 67с.

34. Николаев С.А., Николаева Н.Г, Саламатин АН., 1987. Теплофизика юрпых пород. Казань, КГУ, 150 с.

35. Петрофизика, 1992. Справочник, под ред. Молчанова А. и Дортман II., М , Недра. 275 с.

36. Петрунин Г.И., Юрчак Р.П., 1973. К вопросу об измерения температуропроводности. Известия АН СССР. Физика Земли. №11. С. 92-95.

37. Петру ни» Г.И, 1996 Теплофизические характеристики вещества оболочки Земли и кондуктивпый теплоперенос в мантии. М.

38. Петрунин Г.И., Попов В.Г., М. И. Тимошечкин, 1989 Теплофизические свойства галлиевых гранатов Отд физики твердого гела, МГУ им. М. В. Ломоносова, Физ фак 65 с

39. Платунов Е.С, Буравой С.Е., Курепин В.В., Пегров Г.С., 1986 Теплофизические измерения и приборы. Под ред Е.С. Платунова. Ленинград, Машиностроение. 256 с

40. Поляков Е. А, 1981. Методика изучения физических свойств коллекторов нефти и газа. М., Недра, 182 с.

41. Попов Ю А., 1983. Теоретические модели метода измерения тепловых свойств горных пород на основе подвижных источников тепловой энергии. Геология и разведка. №9, с 97-103.

42. Попов Ю.А, Рабе Ф., Бангура А., 1992. Анализ адекватное™ теоретической и экспериментальной моделей метода оптического сканирования. Москва, Геология и разведка С. 4-15.

43. Попов Ю А., Березин В.В., Соловьев Г.А , Ромушкевич Р.А , Коростелев В.М., Костюрин А.А., Куликов И.В., 1987. Теплопроводность минералов. Физика Земли, №3. С. 83-89.

44. Семенова А П., 2006. Теоретическое изучение теплопереноса в скважине и горном массиве применительно к задачам геотермии. Дисс. к.ф.-м. наук. Москва. 145 с.

45. Сергеев О.А, Шашков А.Г., 1983. Теплофизика оптических сред. Минск, Наука и техника. 232 с.

46. Смирнова Е.В., Люсоиа Л.Н., 1979. О результатах исследования тепловых свойств пород осадочного чехла и фундамента Московской синеклизы. Экспериментальное и теоретическое изучение тепловых потоков. Под ред М.П. Воларовича. Москва, Наука. С. 34-50.

47. Тори Г., Торн К. , 1984. Справочник по математике для научных работников и инженеров М.: Наука. С.27.

48. Физико-механические свойства горных пород верхней части земной коры, 1968. Ред. 10. Розанов, Москва. Наука.

49. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых' справочник геофизика. 1984. Москва, Недра 584 с.

50. Филиппов Л П., 1984. Измерения теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева. Москва, Энергоатомиздат. 105 с

51. Харламов А.Г., 1973. Измерение теплопроводности твердых тел. Москва, Атомиздат. 152 с.

52. Шашков А.Г., Волохов Г.М , Абраменко Т.Н., Козлов В.Г1. , 1973. Методы определения теплопроводности и температуропроводности / Под. ред. Лыкова А В. Москва, Энергия. 336 с.

53. Шермергор Т.Д., 1977. Теория упругости микронеоднородных сред. Москва, 400 с.

54. Эмиров С.Н., Цомаева Т.А., Аскеров СЯ, 1997 Теплопроводность песчаников в условиях высоких давлений, температур и флюидонасыщения. Геофизический журнал (Geophysical Journal), 2. С. 68-71.

55. Яковлев Б.А., 1996. Прогнозирование нефтегазоностности недр по данным геотермии. Москва, Недра. 240 с.

56. Amyx J., Bass D.M.,Whiting Jr.R , 1960. Petroleum Reservoir Engineering Physical Properties New York-Toronto-London: McGraw-Hill Book Company. 570

57. Angstrom A J. 1981 Neue methode Warmeleiltungsvermogen der Korper zu bestimmen. Ann.d. Physik. Bd.14. s.513.

58. Asaad, Y., 1955. A study of the thermal conductivity of fluid bearing porous rocks. PhD Dissertation, Univ. of Calif., Berkeley, 71 p.

59. ASTM D 4535-85 (Reapproved 2000) Standard Test Method for Measurement of Thermal Expansion of Rock Using a Dilatomiter

60. ASTM E 228-95. Standard Test Method for Linear Thermal Expansion of Solid Materials with a Vitreous Silica Dilatometer.

61. Beck A. E., Darbha D.M., and Schloessin H.H., 1977 Lattice conductivities of single-crystal and polyciystalline materials at mantle pressure and temperatures // Physics of the Earth and Planetaiy Interiors, №17, P. 35-53.

62. Beck A.E., 1988. Methods for determining thermal conductivity and thermal diffusivity. Handbook on Terrestrial Heat Flow Density Determination Eds. R. Haenel, L. Rybach, L. Stegena Kluwer, Dordrecht, p. 87-124.

63. Birch, F, and Clark, H., 1940. The thermal conductivity of rocks and its dependence upon temperature and composition. Am. J. Sci. V. 238. PP. 529-558 & 613-635.

64. Brigaud F., Chapman D.S., Le Douran S., 1990. Estimating thermal conductivity in sedimentaiy basins using lithological data and geophysical well logs. AAPG Bulletin 74 (9), p. 1459-1477.

65. Brigaud, F., 1989. Conductivite thermique et champ de temperature dans les bassins sedimentaires a partir des donnees de puits. Documents et Travaux, Centre Geologique et Geophysique De Montpellier, 23,419 p.

66. Cermak, V., and Rybach , L, 1979. Terrestrial Heal Flow in Europe, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, New York.

67. Clark P.S., 1966 Handbook of Physical Constants. Ed.: Yale University, New Haven, Connecticut.

68. Clauser C., Iluenges E , 1995. Thermal Conductivity of rocks and minerals in Rock physics & phase relations A handbook of physical constants. Library of congress cataloging in publication date, ISBN 0-87590-853-5, ISSN 1080-305X, 1995. 105-125.

69. Dreyer W., 1974. Properties of anisotropic solid-state materials Springer. Wien. 254 p.

70. Druri MJ., Allen V.S., Jessop A.M. 1984. The measurement of thermal diffusivity of rock cores. Tectonophysics. V.103. p. 321-333.

71. Emirov, S.N., 1989. Thermal conductivity of certain rocks under high pressures and temperatures. High Pressure Investigations in Geosciences. В Akad. Verl. PP. 123-126.

72. Horai, K, Susaki, J, 1989. The effect of pressure on the thermal conductivity of silicate rocks up to 12 kbar. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 55, pp. 292-305.

73. Huotary Т., and Kukkonen I., 2004. г1Ъегта1 expansion properties of rock: literature survey and estimation of thermal expansion coefficient for Olkiluoto Mica Gneiss Geological Survey of Finland. Working report 2004-04.

74. Kaselow A. and Shapiro S., 2004. Stress Sensitivity of Elastic Moduli and Electrical Resistivity in Porous Rocks. J. Geophys. Eng., 1,1-11.

75. Kanamori H., Mizutani H., Fujii N. 1969. Method of thermal dilTusivity measurement. J. Phys. Earth. V.17. N1. p. 43-53.

76. Landolt-Bornstein, 1959. Zalenwerte und Funktion . 2 Bd, 6 Teil, Berlin-Gottingen-I leidelberg: Springer-Verlag.

77. MPDB v5.16 Database, 2003, available from Internet (httpV/www.jahm com)

78. Murfin, D., 1970. Development in the flash method for the the measurement of thermal diffusivity. Rev. Int, High. Temp, at Refr. 7, 284-289.

79. Parker, W.J., Jenkins, R J., Batler, C.P., 1961. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity. J. Appl. Phys. 32 (9), p 1679- 1685.

80. Popov Yu A., Pribnow D., Sass J., Williams C., and Burkhardt H., 1999. Characterisation of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning., Geothermics, 28, 253-276.

81. Popov Yu. A., Tertychnyi V. V., Romushkevich R A., Korobkov D A., and Pohl J. 2003. Interrelations Between Thermal Conductivity and Other Physical Properties of Rocks: Experimental Data. Pure and Appl. Geophys, 160, 11371161.

82. Popov Y., Romushkevich R., Bayuk I., Korobkov D., Mayr S., Burkhardt H., and Wilhelm H., 2004. Physical properties of rocks from the upper part of the

83. Yaxcopoil-1 drill hole, Chicxulub crater. Meteoritics & Planetary Science, 39, 6, 799-812.

84. Pribnow D., Sass J., 1995. Detennination of thermal conductivity for deep boreholes. 1995. Journal of geophysical research, vol. 100, NO. B6,9981-9994

85. Pribnow D., Williams C., Sass J.H., Keating R., 1996. Thermal conductivity of water-saturated rocks from the KTB pilot hole at temperature of 25 to 300°C. Geophysical Research Letters. 23(4), p. 391-394.

86. Robertson, E.C, 1979. Thermal conductivity of rocks United States Department of the Interior, US Geological Survey, Reston, Virginia, Open File Report 79-356,58 p

87. Sass J.H., Stone C., Munroe R.J., 1984. Thermal conductivity determinations on solid rock a comparison between a steady-state divided bar apparatus and a commercial transient line-source device. J. Volcan. Goetherm. Vol.20. №1/2. p. 145-153.

88. Schatz, J.F., and Simmons, G., 1972. Thermal conductivity of earth materials at high temperature. Journal of Geophysical Research, 77 (35), 69666982.

89. Schoen J.H., 1996. Physical properties of rocks: fundamentals and principles of petrophysics. Handbook of geophysical exploration. Section I, Seismic exploration: V.18, Redwood Books, Trowbridge, 575 p.

90. Seipold, U, 1990. Pressure and temperature dependence of thermal transport properties of granites High Temperatures High Pressures, volume 22, pp. 541548.

91. Seipold, U. and Elgler, R., 1981. Investigation of the thermal diffusivity of jointed granodiorites under uniaxial load and hydrostatic pressure. Gerlands Beitr. Geophysik, Leipzig 90 (1981) 1, s. 65-71.

92. Seipold, U., 1995. The variation of thermal transport properties in the Earth's crust. J. Geodynamics Vol. 20. No. 2, pp. 145-154.

93. Seipold, U., 1998. Temperature dependence of thermal transport properties of crystalline rocks a general law. Tectonophysics 291, pp. 161-171.

94. Seipold, U., 2001. Der warmetransport in kristallinen gesteinen unter den Bedingungen der kontinental Kruste GeoForschungsZentrum Potsdam, Scientific Technical Report STR01/13.

95. Seipold, U., Huenges, E., 1998. Thermal properties of gneisses and amphibolites high pressure and high temperature investigations of KTB-rock samples. Tectonophysics. 291. 173-178.

96. Seipold, U., Mueller H.-J. and Tuisku P., 1998. Principle differences in the pressure dependence of thermal and elastic properties of ciystalline rocks. Phys. Chem. Earth, Vol. 23, no. 2, pp. 357-360.

97. Somerton, W.H. 1958. Some thermal characteristics of porous rocks Journ. Petr. Techn. 10, 5, p. 61-64.

98. Somerton, W.H , 1992 Thermal properties and temperature-related behavior of rock/fluid systems. Univ. of Calif. Berkeley, U.S.A., Elsevier, 257.

99. Theoretical and experimental investigations of physical properties of rocks and minerals under Extreme p,T- conditions. Edited by II. Stiller, M. P. Volarovich. Akademie-Verlag Berlin. 1979.

100. Touloukian, Y.S., Judd, W.R. and Roy, R.F., 1981. Physical Properties of Rocks and Minerals USA- Purdue Research Roundation. 548 p. (McGraw-Hill/ С IN DAS Data Series on Material Properties; v. 11-2).

101. Vosteen, H. and Schellschmidt, R., 2003. Influence of temperature on thermal conductivity, thermal capacity and thermal diffusivity for different types of rock. Physics and Chemistiy of the Earth, 28. PP. 499-509.

102. Wong, T.F. and Brace, W.F., 1979. Thermal expansion of rock: some measurements at high pressure. Tectonophysics, 57, 95-117.

Информация о работе

Миклашевский, Дмитрий Евгеньевич
кандидата технических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.10

Диссертация

Разработка и применение аппаратурно-методического комплекса для измерений тепловых свойств горных пород при повышенных термобарических условиях - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы