Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение геофизическими методами задач поиска, разведки и разработки месторождений нефти и газа на современном этапе в условиях ухудшения структурных запасов углеводородов и обострения экологических проблем, развитие геотермальной энергетики, подземного строительства и т.д. предусматривает изучение физических процессов, происходящих в массивах пород. При этом важное значение имеет информация о физических, в том числе тепловых свойствах горных пород, которые проявляются в этих процессах и определяют их. Так, естественные и искусственные поля температуры в недрах обусловливаются параметрами тепломассопереноса пластов. Поэтому для интерпретации геотермических, гидрогеотермических, термометрических и других исследований нефтепромысловой практики, связанных с теплом Земли, необходимо наличие базы данных по тепловым характеристикам пород: тепло-, температуропроводности, теплоемкости и др. С привлечением последних решается широкий спектр задач нефтегазовой геотермии, в том числе: прогнозирование глубинных температур, изучение литологических особенностей разрезов скважин, контроль за разработкой месторождений углеводородов (определение мест притоков и затрубной циркуляции, проверка качества перфорации скважин), эксплуатацией газовых хранилищ, а также поиск и разведка подземных вод, изучение направлений их миграции, оценка области теплового влияния скважин и т.д. Для этого требуется знать зависимости тепловых параметров пород от горного и пластового давлений, температуры, характера насыщения, фильтрации флюидов и других факторов.
Значительный вклад в исследование процессов тепломассопереноса в горных породах, разработку теоретических и экспериментальных методов определения их тепловых свойств внесли Х.И.Амирханов, П.В.Бриджмен, С.П.Власова, В.С.Волькенштейн, В.К.Гордиенко, В.Н.Дахнов, Г.Н.Дульнев, А.Д.Дучков, Д.И.Дьяконов, Д.Егер, В.Е.Зиновьев, Г.Карслоу, Г.М.Кондратьев, Р.И.Кутас, Е.А.Любимова, А.В.Лыков, У.И.Моисеенко, С.А.Николаев, Е.С.Платунов, Ю.А.Попов, Г.М.Сухарев, В.В.Суетнов, Ю.К.Тарануха, Л.П.Филиппов, А.Ф.Чудновский, Б.А.Яковлев и многие другие ученые.
Тем не менее следует отметить недостаточную (в основном на качественном уровне) изученность влияния термодинамических параметров пласта, в том числе фильтрации флюидов, на теплоперенос в горных породах. Для оптимизации технологий теплового воздействия на пласты высоковязких нефтей и битумов и контроля за извлечением углеводородов требуется исследование динамики изменения в этих процессах тепловых характеристик коллекторов, покрышек и пластовых флюидов, изучение взаимосвязей тепловых, коллекторских и других физических свойств пород и построение на базе анализа геотермических
4 условий недр и результатов ГИС тепловых моделей месторождений. В связи с этим, особое значение приобретает разработка методов и экспрессной аппаратуры, пригодной для измерения комплекса параметров тепломассопереноса в горных породах в широком диапазоне изменения давлений, температуры, при наличии фазовых переходов и т.д. Применение здесь новых методов исследования не только вносит существенный вклад в решение отмеченных выше задач нефтепромысловой практики, но и дает новые методические возможности для решения фундаментальных проблем геотермии, связанных с изучением процессов теплопереноса в недрах и прогнозированием глубинных температур.
Цель работы - повышение достоверности теплофизических исследований при решении задач нефтегазовой геотермии путем развития теории регулярного теплового режима третьего рода в системе контактирующих тел, имеющих различные тепловые характеристики, и разработки на ее основе новых методов и аппаратуры для определения параметров тепломассопереноса в горных породах при моделировании условий пласта.
Основные задачи работы:
-обоснование требований к методам и аппаратуре для определения параметров тепломассопереноса в горных породах при моделировании условий их залегания;
-построение математической модели тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах;
-теоретическое и экспериментальное исследование закономерностей установившихся колебаний температуры (регулярного теплового режима третьего рода) в системе контактирующих тел с различными тепловыми свойствами;
-разработка методов определения тепловых характеристик горных пород: при фильтрации в них жидкостей по направлению теплового потока и противоположно ему, при импульсном или взрывном воздействии на образец породы;
-создание аппаратуры для измерения тепло-,
температуропроводности и теплоемкости горных пород при моделировании термодинамических условий пласта;
-исследование параметров тепломассопереноса в породах нефтебитумных месторождений;
-построение теплофизических разрезов и моделей нефтяных месторождений на основе корреляции петрофизических свойств пород и материалов геофизических исследований скважин;
-теоретическое обоснование и разработка метода расчета температуры пласта при его прогреве с учетом нелинейности тепловых характеристик горных пород.
Научная новизна. На основе закономерностей регулярного геплового режима третьего рода в системе контактирующих тел разработана и исследована обобщенная тепловая схема метода определения параметров тепломассопереноса в капиллярно-пористых средах - горных породах. Схема адаптирована для петрофизических измерений и включает исследуемый образец породы в форме пластины и сопрягаемые с его торцами полуограниченные эталонные тела с различными тепловыми характеристиками. Используя предложенную тепловую схему впервые:
-разработана методика определения теплопроводности и температуропроводности образцов пород при фильтрации в них жидкости по направлению теплового потока и противоположно ему;
-обоснована методика изучения тепловых свойств образцов горных пород в процессе моделирования взрывного или импульсного воздействия.
На основе проведенных теоретических и методических исследований тепловой схемы метода регулярного теплового режима третьего рода в системе контактирующих тел разработан новый комплекс автоматизированной аппаратуры для определения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости образцов горных пород и пластовых жидкостей (А.с. СССР № 1326975 СССР, МК№ G 01 N 25/18, А.с. СССР № 1755152 А1 СССР, МКИ* Q 01 N 25/18, А.с. СССР № 1797026 А1 СССР, МКИ5 Q 01 N 25/18).
Аппаратура обеспечивает исследования пород (в том числе, неконсолидированных образцов):
-при моделировании горного и пластового давлений, температуры и динамики их изменения в процессе разработки нефтяных месторождений;
-при неравноосном нагружении образцов (впервые);
-в условиях фильтрации через образец флюидов (впервые).
Впервые, пользуясь разработанными методиками и аппаратурой, проведены экспериментальные теплофизические исследования пород-коллекторов при фильтрации в них жидкостей по направлению теплового потока и протішоположно ему. В результате этого показано, что при скоростях массопереноса, характерных для нефтепромысловой практики, вкладом в теплоперенос конвективных составляющих теплопроводности, обусловленных флуктуациями поля скоростей в извилистых поровых каналах коллекторов, можно пренебречь.
Впервые выявлены закономерности температурных полей в породах-коллекторах, подверженных периодическому нагреву, при одновременной фильтрации в них флюидов как в направлении геплового потока, так и протішоположно ему. На основе этих їакономерностей разработаны методики измерения параметров
движущихся жидкостей, а также определения их состава и скорости потока.
Изучены зависимости тепловых свойств пород нефтяных месторождений Татарстана от горного и пластового давлений, температуры, характера насыщения флюидами и установлена многомерная корреляция между их физическими характеристиками.
Впервые проведена корреляция разрезов скважин Мордово-Кармальского месторождения битумов с использованием данных ГИС и расчетных значений теплопроводности, полученных косвенным методом, и расчленен шешминский битуминозный горизонт на ряд слоев, отличающихся по теплопроводности (тепловых слоев).
Впервые выполнено теоретическое обоснование и разработана математическая модель и методика расчета температурного поля пласта при его прогреве с учетом нелинейности тепловых характеристик горных пород.
Основные защищаемые положения:
1 .Теоретические основы методов определения тепло-, температуропроводности и теплоемкости горных пород:
-при наличии в них массопереноса, направленного как в сторону теплового потока, так и противоположно ему. Метод реализуется на фильтрующих образцах (коллекторах) в форме пластин, сопрягаемых с двумя различными по свойствам эталонньши полуограниченными телами в стадии регулярного теплового режима третьего рода с учетом термических параметров контактных зазоров между ними и теплоотдачи с боковых поверхностей тел (А.с. 1797026 А1 СССР МКИ5 G 01 N 25/18);
-при моделировании взрывного или импульсного воздействия.
2. Методические разработки и экспериментальные установки
для измерения комплекса тепловых характеристик горных пород:
-при массопереносе флюида (А.с. 1797026 А1 СССР МКИ5 G 01 М 25/18);
-при воздействии на исследуемые образцы эффективного давления и температуры (А.с. 1326975 СССР МКИ5 G 01 N 25/18);
-при неравноосном нагружении изучаемого образца породы (Ах. 1755152 А1 СССР МКИ5 G 01 N 25/18).
-
При решении задач нефтепромысловой практики, связанных с вынужденным массопереносом жидкости в породах-коллекторах вкладом в теплоперенос конвективных составляющих тепло-, температуропроводности, обусловленных пульсациями поля скоростей в поровых каналах пород, можно пренебречь.
-
В коллекторах, подверженных периодическому нагреву, при одновременной фильтрации флюидов:
-по направлению теплового потока - сдвиг фазы колебаний температуры относительно колебаний теплового потока монотонно
7 уменьшается с ростом скорости фильтрации, а амплитуда температурных колебаний имеет максимум при определенной скорости фильтрации, зависящей от частоты колебаний теплового потока и тепловых характеристик коллектора;
-противоположно тепловому потоку - амплитуда и сдвиг фазы температурных колебаний с ростом скорости фильтрации монотонно уменьшаются.
Закономерности периодических полей температуры в фильтрующих средах необходимо учитывать при геотермических и гидрогеотермических исследованиях, а также можно использовать в нефтепромысловой геофизике для определения расхода, свойств и состава жидкости в потоках.
5. Для повышения достоверности решения геофизических и нефтепромысловых задач требуется знание зависимостей тепловых свойств горных пород от термодинамических условий массива. При прогреве пластов необходимо использовать способ расчета температурных полей с учетом нелинейной зависимости тепло- и температуропроводности пород от температуры.
Практическая ценность диссертационной работы обусловлена ее ориентацией на решение теплофизических проблем нефтегазовой геотермии, нефтепромысловой практики и заключается в:
-разработке методов и теплофизической аппаратуры для использования в лабораториях петрофизики, физики пласта, а также других с целью решения широкого спектра задач, связанных с изучением естественных и искусственных тепловых полей в недрах, а также комплексного определения петрофизических свойств пород и исследования влияния на теплоперенос физических полей;
-создашш базы данных по тепловым свойствам горных пород с целью использования их при ннтерпретащш геотермических и термометрических исследований, проектировании систем разработки месторождений высоковязких нефтей и битумов с тепловым воздействием и решении других задач;
-создашш достоверных методов расчета температурных полей в массиве горных пород для решения технологических задач, связанных с нагревом призабойной зоны скважин и нефтяных пластов.
Внедрение результатов работы. Основные результаты исследований тепловых свойств горных пород, методы и аппаратура для их определения нашли практические применения. Разработанный автором метод и реализованная на его основе установка используются в институте механики гетерогенных сред Сибирского отделения РАН. Результаты работы по методам измерения тепловых свойств горных пород в процессе взрывного или импульсного воздействия переданы в институт ВзрьшНИПИгеофизика (г. Раменское) для ннтерпретащш термометрических исследований. Установки, представленные в
8 диссертационной работе, применяются в Казанском государственном университете и Альметьевском нефтяном институте. Установки для определения параметров тепломассопереноса демонстрировались на выставке Госкомобразования СССР в Польше (1989) и других выставках.
Результаты экспериментальных определений теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости горных пород и пластовых жидкостей месторождений нефтей и битумов Татарстана, отраженные в 12 итоговых научно-технических отчетах, используются в АО "Татнефть" при расчете тепловых полей в массивах пород, при проектировании систем разработки с тепловым воздействием на пласты высоковязких нефтей, для интерпретации термометрических исследований в скважинах. С целью повышения эффективности термометрических методов воздействия на битумные пласты разработана геотеплопроводная модель Мордово-Кармальского месторождения битумов. По материалам исследования автором для студентов Альметьевского нефтяного института читается специальный курс "Тепломассоперенос в пористых средах".
Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы по мере их получения докладывались и обсуждались: на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы горной теплофизики" (Ленинград, 1981 г.), на секции научно-технического совета Миннефтепрома "Проблемы петрофизического обеспечения промыслово-геофизических исследований скважин" (Бугульма, 1987 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях "Методы и средства теплофизических измерений" (Севастополь, 1987 г. и 1989 г.), на Всесоюзных и международной теплофизических школах (Тамбов, 1988, 1990, 1995 гг.), на региональной конференции "Геотермия и ее применение в региональных и поисково-разведочных исследованиях" (Свердловск, 1989 г.), на научно-техническом совещании "Состояние работ в области создания проницаемых материалов и перспективы их использования" (Минск, 1989 г.), на 4-й Всесоюзной научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение температурных и теплофизических измерений в области высоких температур" (Харьков, 1990 г.), на Республиканской научно-технической конференции "Повышение эффективности энергоснабжения промышленных предприятий" (Казань, 1990 г.), на Восьмом Всесоюзном совещании по физическим свойствам горных пород при высоких давлениях и температурах (Уфа, 1990 г.), на Ninh International Heat Transfer Conference (Jerusalem, Israel, 1990), на Всесоюзной конференции "Природные битумы" (Казань, 1991 г.), на Всесоюзном совещании "Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон" (Бишкек, 1991 г.), на Международной конференции "Проблемы комплексного освоения трудноизвлекаемых запасов нефти и природных битумов" (Казань, 1994
9 г.), на научно-технических конференциях "Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности" и "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 1995 и 1997 гг.). на итоговых научных конференциях Казанского университета (1991 г.) и Казанского научного центра РАН (1996, 1997 гг.), на научных семинарах под руководством академиков РАН Р.И.Нигматулина и РАЕН К.С.Баскиева.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 34 печатные работы, в том числе монография, кроме того получены 3 авторских свидетельства СССР на изобретения.
Структура и объем работ. Диссертационная работа состоит из введения, 8 разделов, заключения и списка использованных источников, содержит 414 страниц сквозной нумерации, в том числе 23 таблицы, 80 рисунков; список литературы включает 231 наименование.
В диссертации представлены результаты многолетних исследований, выполненных лично автором, а также под его руководством и при непосредственном участии по хоздоговорной научно-исследовательской тематике в Казанском Государственном университете и в лабораторші теплофизических исследований горных пород кафедры высшей математики и вычислительной техники Альметьевского нефтяного института. Использованы некоторые результаты, полученные автором на Лешшогорском факультете ГАНГ им. И.М.Губкина.
Под редакцией автора диссертационной работы подготовлена к изданию рукопись книги "Прогнозирование нефтегазоносности недр по данным геотермии" безвременно скончавшегося доктора геолого-минералогических наук, профессора Б.А.Яковлева.
По инициативе и при участии автора диссертации ведется работа над справочником по тепловым свойствам горных пород, пластовых флюидов и методам их определения.
На выбор представленной тематики исследований существенно повлиял профессор ГАНГ Б.А.Яковлев, которого как своего учителя автор всегда будет вспоминать с глубокой благодарностью. За поддержку в выполнении работы автор благодарен академику Р.Х.Муслимову. Большое внимание к исследованиям автора оказывали академики РАН В.Е.Алемасов, РАЕН К.С.Басниев, профессор В.М.Добрынин. Выполнению работы способствовали творческие контакты с профессором В.А.Чугуновым, с.н.с. С.А.Николаевым и другими коллегами, которым автор выражает свою искреннюю признательность.