Введение к работе
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 рабо і ы
Целью работы является развитие экспериментальной базы иетрофизических и геотермических исследований и повышение качества зксперименіальной 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) литостатическою давлений в диапазоне температур 25...300 С и давлений 0,1 ..250 МПа
-
Разработка установки для измерений главных значений тензора температурного коэффициента линейного расширения минералов и пород в интервале температур 25. 250 С.
-
Метрологическое тестирование разработанной аппаратуры для измерений тепловых свойств минералов и горных пород при повышенных значениях температуры и давления
-
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 аииаратурно-методический комплекс, впервые
обеспечивающий одновременное измерение главных значений тензоров
5 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.
-
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.
-
Установлена зависимость между теплопроводностью песчаников и карбонатных пород при повышенных термобарических условиях и теплопроводностью при нормальных условиях.
-
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.
-
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.
-
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.
-
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
-
Методика, основанная на использовании теоретических моделей теплопроводности, прецизионных измерениях тепловых свойств сухих и флюидонасыщенных образцов пород и определениях пористости до и после тешюфизических 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 таюке 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
