Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Тепловые свойства горных пород Урала и их зависимости от температуры и давления

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Липаев, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Современное состояние изученности тепловых свойств горных пород.

1.1. Особенности горных пород и способы определения их тепловых характеристик.

1.2. Обзор исследований по влиянию давления и температуры на тепловые свойства горных пород.

1.3. Постановка задачи экспериментального исследования.

ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и методика определения тепловых свойств горных пород при воздействии высоких температур и давлений.

2.1. Проектирование и расчет камеры высокого давления и температуры.

2.2. Расчет заземляющего устройства для экспериментальной установки.

2.3. Схема экспериментальной установки и проведение измерений.

2.4. Расчетные формулы и методика определения тепловых свойств горных пород.

2.5. Метрологические исследования и оценка погрешностей теплофизических измерений.

ГЛАВА 3. Результаты исследований тепловых свойств горных пород Урала.

3.1. Тепловые свойства серпентинизированных дунитов Урала при повышенных температурах.

3.1.1. Петрофизическая характеристика исследованной коллекции серпентинизированных дунитов Урала.

3.1.2. Корреляция тепловых свойств дунитов Урала со степенью их серпентинизации при различных температурах.

3.2. Влияние температуры и всестороннего давления на тепловые свойства горных пород. ф 3.2.1. Краткая характеристика исследованных образцов горных пород.

3.2.2. Зависимости тепловых свойств пород от температуры при различных давлениях.

3.2.3. Влияние давления на тепловые свойства горных пород при различных температурах.

3.3. Определение коэффициента теплопроводности образцов горных пород из скважины «Институтская-1».

ГЛАВА 4. Использование полученных результатов

Ф в геотермических исследованиях.

4.1. Оценка плотности теплового потока из

Уральской сверхглубокой скважины СГ-4.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Тепловые свойства горных пород Урала и их зависимости от температуры и давления"

Исследование тепловых свойств горных пород лежит в основе применения методов геотермии при поисках, разведке и эксплуатации месторождений полезных ископаемых.

Данные о тепловых характеристиках пород используются для изучения естественных тепловых полей в недрах, корреляции разрезов скважин, их литологического расчленения, выделения в них газоносных горизонтов, исследования процессов теплообмена при использовании глубинного тепла Земли и решения других задач.

Проблема определения тепловых свойств горных пород связана с фундаментальной проблемой оценки теплового потока, что напрямую ведет к ф изучению глубинного строения как отдельных регионов, так и в целом Земной коры.

К важнейшим тепловым характеристикам горных пород можно отнести теплопроводность X, температуропроводность а и теплоемкость с. Разработкой методов определения и изучением тепловых свойств пород занимались многие ученые, в том числе Х.И.Амирханов, П.В.Бриджмен, К.В.Васильев, В.А.Вертоградский, С.П.Власова, В.С.Волькенштейн, В.К.Гордиенко, В.Н.Дахнов, И.Д.Дергунов, Г.Н.Дульнев, А.Д.Дучков, Д.И.Дьяконов, Д.Егер, У.Зайпольд, В.Е.Зиновьев, Г.Карслоу, Г.М.Кондратьев, Р.И.Кутас, А.А.Липаев, Е.А.Любимова, А.В.Лыков, А.И.Масленников, У.И.Моисеенко, С.А.Николаев,

• Ю.А.Попов, Л.С.Соколова, Г.М.Сухарев, В.В.Суетнов, Ю.К.Тарануха, А.Ф.Чудновский, СН.Эмиров, Р.П.Юрчак, Б.А.Яковлев и другие.

В то же время следует отметить недостаточную изученность влияния высоких давлений и температуры на тепловые свойства горных пород, что не позволяет проводить достоверные определения величин глубинных тепловых потоков и затрудняет применение геотермических исследований при решении различных фундаментальных и прикладных задач.

В основу диссертационной работы положены материалы экспериментальных исследований автора.

Цель работы: экспериментальное определение теплопроводности и ф температуропроводности горных пород Урала в условиях всестороннего давления до 150 МПа и температуры до 140 °С.

Научная новизна состоит в следующем:

- На основе новых материалов выполнены главные детали конструкции установки, что позволило расширить диапазон давлений до 150 МПа и повысить ее надежность.

- Проведенные исследования тепловых свойств некоторых осадочных и магматических пород Урала при воздействии на образцы высокого давления до 150 МПа и температуры до 140 °С показали существенную зависимость ф теплопроводности и температуропроводности горных пород от температуры и давления, а также влияние на тепловые свойства неоднородностей горных пород.

- Результаты корреляции теплопроводности и температуропроводности дунитов Соловьевой горы Нижнетагильского дунит-клинопироксенитового массива Урала со степенью их серпентинизации в диапазоне температур от 20 °С до 140 °С.

- Результаты определения плотности теплового потока в скважине СГ-4 для интервала глубин 5010-5090 м с учетом зависимости теплопроводности горных пород от температуры и давления. ф Практическая ценность выполненных исследований в следующем:

- результаты исследований тепловых свойств горных пород в зависимости от давления и температуры могут применяться при вычислении тепловых потоков из недр в глубоких скважинах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Липаев, Сергей Александрович

Основные результаты выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований сводятся к следующему:

1. Реализована и усовершенствована установка по исследованию тепловых свойств образцов горных пород при моделировании условий их естественного залегания, в расширенном диапазоне давлений до 150 МПа, на базе тепловой схемы метода регулярного теплового режима 3-го рода в системе контактирующих тел. —------------

2. Определены метрологические характеристики установки (проведена её градуировка, определена систематическая и случайная погрешности) по стандартным образцам эталонов.

3. Проведены исследования тепловых свойств некоторых осадочных и магматических пород Урала при воздействии на образцы высокого давления до 150 МПа и температуры до 140 °С.

4. Получены уравнения корреляции между теплопроводностью, температуропроводностью, теплоемкостью дунитов Соловьевой горы Нижнетагильского дунит-клинопироксенитового массива Урала и степенью их серпентинизации в диапазоне температур от 20 °С до 140 °С.

5. Получены зависимости теплопроводности и температуропроводности горных пород от термобарических условий. Показано, что определение плотности теплового потока в скважинах требует учета РТ условий залегания пород.

6. Выявлено, что тепловые свойства горных пород Урала существенно зависят от температуры и давления, а также от их неоднородности.

108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Липаев, Сергей Александрович, Екатеринбург

1. Амирханов Г.М., Матвеенко A.A., Стефанкевич З.Б. Петрофизика осадочных пород в глубинных условиях.- Москва: Недра, 1979.- 224 с.

2. Бриджмен П.В.Физика высоких давлений.-М.-Л.:ОНТИ,1935.-398с.

3. Васильев К.В. Исследование влияния термодинамических параметров состояния на теплофизические свойства горных пород при термическом воздействии на пласт: Автореф. дисс. к.т.н.-Москва, 1979.-22 с.

4. 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. Геология и разведка 2003, № 5. С 47-51.

5. ВНИИМ им. Менделеева. Свидетельство о поверке. Плавленный кварц.

6. Голованова И.В. Тепловое поле Южного Урала. Дисс. д.ф.-м.н.- Уфа: Институт геологии Уфимский научный центр РАН, 2003.- 228 с.

7. Добрынин В.М., Венделыптейн Б.Ю., Кожевников Д.А. Петрофизика: Учебник для вузов.- Москва: Недра, 1991.-368 с.

8. Дучков А.Д., Лысак C.B., Балобаев В.Т. и др. Тепловое поле недр Сибири,- Новосибирск: Наука, 1987.- 197 с.

9. Дьяконов Д.И., Яковлев Б.А. Определение и использование тепловых свойств горных пород и пластовых жидкостей нефтяных месторождений.-Москва: Недра, 1969.- 117 с.

10. Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин.- Изд-во "Наука", Л., 1974.- 108 с.

11. Курбанов A.A. Теплопроводность газо-, водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях, моделирующих глубинное залегание пластов // Изв. АН СССР, сер. Физика Земли.- 1988.- № 9,- С. 107-112.

12. Лебедев Т.С., Корчин В.Л., Савенко Б.Я. и др. Физические свойства минерального вещества в термобарических условиях литосферы.- Киев: Наукова думка, 1986.- 200 с.

13. Липаев A.A., Бабинец В.М., Липаев С.А. Экспериментальная установка для исследования образцов горных пород при разноосном давлении и высоких температурах. Альметьевск, С. 246-249.

14. Липаев A.A., Гуревич В.М., Липаев С.А. Тепловые свойства горных пород нефтяных месторождений Татарстана. Справочник.- Казань: КМО, 2001.205 с.

15. Липаев A.A., Липаев С.А., Максимова Ю.Л. и др. Экспериментальное исследование тепловых свойств парафинов // Научные исследования и подготовка специалистов в вузе, выпуск 2.- Альметьевск, 1999.- С. 20-23.

16. Липаев A.A., Липаев С.А. Экспериментальное исследование тепловых свойств горных пород при моделировании пластовых условий // X Российская конф. по теплофизическим свойствам веществ. Тез. докл. конф.- Казань, 2002.-С. 133-134.

17. Липаев A.A. Методы теплофизических исследований горных пород в нефтегазовой геотермии. Дисс. д.т.н.- Альметьевск, 1997.- 414 с.

18. Липаев A.A., Старшинов А.Г., Липаев С.А. Автоматизация теплофизических исследований горных пород // Проблемы разработки нефтяных месторождений и подготовки специалистов в вузе: Тез. докл. научно-практич. конф.- Альметьевск, 1996.- С. 153.

19. Липаев A.A. Теплофизические исследования в петрофизике.- Казань: КГУ, 1993.- 148 с.

20. Липаев A.A., Хисамов P.C., Чугунов В.А. Тепломассоперенос в породах-коллекторах. Учебное пособие.- Казань: КМО, 1999,- 198 с.

21. Липаев A.A., Чугунов В. А., Абсалямов Р.Ш., Липаев С. А. Термоциклическое воздействие на призабойную зону скважины. Вестник Удмуртского университета № 9, 2002 С. 78-94.

22. Липаев A.A., Яковлев Ю.Ю., Липаев С.А. Разработка комплекса аппаратуры для теплофизических исследований горных пород // Наука и образование будущее Юго-восточного субрегиона РТ: Тез. докл. итоговой научно-практич. конф.- Альметьевск, 1998.- С. 45-47.

23. Липаев С.А. Аппаратура для исследования тепловых свойств горных пород при моделировании условий их естественного залегания // VIII Всерос. научн. конф. студентов-физиков и молодых ученых. Тез. докл. конф.-Екатеринбург, 2002.- С. 625-628.

24. Липаев С.А. Исследование теплофизических свойств горных пород методом периодического нагрева // Уральская молодежная научная школа по геофизике. Тез. докл. конф.- Екатеринбург, 2000.- С. 28-32.

25. Липаев С.А. Исследование тепловых свойств горных пород при моделировании термобарических условий // III Уральская молодежная научная школа по геофизике. Тез. докл. конф.- Екатеринбург, 2002.- С. 61-65.

26. Липаев С.А. Исследование тепловых свойств горных пород при повышенных температурах. V Уральская молодежная научная школа по геофизике. Тез. докл. конференции.- Екатеринбург, 2004.- С.76-78.

27. Липаев С.А. К вопросу об оценке плотности теплового потока из скважин (на примере Уральской сверхглубокой скважины). VI Уральская молодежная научная школа по геофизике. Тез. докл. конф.- Пермь, 2005.-С.115-118.

28. Липаев C.A., Воронков O.A. Экспериментальное исследование тепловых свойств горных пород // 53-я Межвузовская студенческая научная конференция. Тез. докл.- Москва, 1999.- С. 42-43.

29. Липаев С.А., Уткин В.И., Щапов В.А., Бахтерев В.В. и др. Экспериментальное исследование тепловых свойств горных пород при моделировании пластовых условий. Институт геофизики УрО РАН. Екатеринбург, 2002.- 13 с. Деп. в ВИНИТИ 03.09.02 г.- № 1532-В 2002.

30. Липаев С.А., Щапов В.А. Комплекс аппаратуры для исследования тепловых свойств горных пород при моделировании пластовых условий // Геофизика-2001. Тез. докл. межд. конф. молодых ученых, специалистов и студентов. Новосибирск, 2001,- С. 123-125.

31. Методы определения теплопроводности и температуропроводности // Под. ред А.В.Лыкова.- Москва: Энергия, 1973.- 336 с.

32. Николаев С.А., Николаева Н.Г., Саламатин А.Н. Теплофизика горных пород.- Казань: КГУ, 1987.- 150 с.

33. Петрофизические исследования при высоких РТ-параметрах и их геофизические приложения // Т.С.Лебедев, В.А.Корчин, Б.Я.Савенко и др.-Киев: Наукова думка, 1998.- 248 с.

34. Платунов Е.С. Теплофизические измерения в монотонном режиме.-Ленинград: Энергия, 1973.- 144 с.

35. Попов Ю.А., Березин В.В. Теплофизический и геотермический разрезы Уральской сверхглубокой скважины // Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон. М.: Наука, 1993. С. 70-77.

36. Рац М.В. Неоднородность горных пород и их физических свойств.-Москва: Наука, 1975.-359 с.

37. Саламатин А.Н., Кошко И.И. Влияние естественной конвекции на процесс теплопередачи в призабойной зоне при электропрогреве скважины.// Вопросы геотермии и разработки нефтяных месторождений.- Казань: КГУ, 1978,- С. 74-80.

38. Самарский A.A. Введение в теорию разностных схем.- Москва: Наука, 1971.-552 с.

39. Смыслов A.A., Моисеенко У.И., Чадович Т.З. Тепловой режим и радиоактивность Земли.- Ленинград: Недра, 1979.- 191 с.

40. Сургучев М.Л., Жданов С.А., Симкин Э.М. Влияние методов теплофизического воздействия на увеличение нефтеотдачи // Нефтяное хозяйство.- № 9, 1977.- С. 33-36.

41. Уткин В.И., Липаев A.A., Щапов В.А., Липаев С.А. Исследование тепловых свойств горных пород Урала // Ядерная геофизика, геофизические исследования литосферы, геотермия. Тез. докл. I научных чтений им. Ю.П.Булашевича.- Екатеринбург, 2001.- С. 86-88.

42. Филиппов Л.П. Измерения теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева.- М.: Энергоатомиздат, 1984.- 105 с.

43. Харламов А.Г. Измерение теплопроводности твердых тел.- Москва: Атомиздат, 1973.- 152 с.

44. Чекалюк Э.Б. Термодинамика нефтяного пласта.- Москва: Недра, 1965.- 238 с.

45. Чудновский А.Ф. Теплообмен в дисперсных средах.- Москва: Гос. Изд-во техн. теор. лит-ры, 1954.- 444 с.

46. Эмиров С.Н. Влияние давления на температурную зависимость теплопроводности горных пород и пористых сред // Тепловое поле Земли иметоды его изучения: Сб. научн. трудов / Отв. ред. М.Д.Хуторской.- Москва: РУДН, 2000.- С. 241-245.

47. Эмиров С.Н. Экспериментальные исследования теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах: Автореф. дисс.докт.техн.наук.- Москва, 1997.- 39 с.

48. Шарапов И.П. Применение математической статистики в геологии.-Москва: Недра, 1971.-248 с.

49. Щапов В. А., Юрков А.К., Демежко Д.В., Николаев В.В. Геотермические исследования Уральской сверхглубокой скважины // Тепловое поле Земли и методы его изучения. М.: Изд. РУДН, 1997. С. 195-198.

50. Яковлев Б.А. Прогнозирование нефтегазоносности недр по данным геотермии.- Москва: Недра, 1996.- 240 с.

51. Яковлев Б. А. Решение задач нефтяной геологии методами термометрии.-Москва: Недра, 1979.- 143 с.

52. Seipold U. Depth dependense of thermal transport properties for typical crustal rocks. Phys.- Earth Planet. Inter., 1992, 69.- P. 299-303.

53. Seipold U. Pressure and temperature dependense of thermal transport properties of granites.- High Temperatures- High Pressures, 1990, vol.22.-P.541-548.

54. Seipold U. Der Wärmetransport in kristallinen Gesteinen unter den Bedingungen der kontinentalen Kruste. STR 01/13, Potsdam, 2001.- 142 p.