Delist.ru

Закономерности изменения теплофизических свойств флюидосодержащих коллекторов при изменении температуры и порового давления (15.08.2007)

Автор: Курбанов Абдулгаджи Ахмедович

В первом параграфе главы рассматриваются основные теоретические положения теплофизических свойств горных пород. В критическом обзоре дан анализ современным теоретическим представлениям этих свойств в условиях высоких температур и давлений. Обзор теории показал, что горные породы представляют собой полидисперсные гетерогенные системы, состоящие из большого числа частиц различных минералов и пор разной формы и размеров, которые обычно заполнены жидкими и газообразными флюидами.

Во втором параграфе главы рассматривается критический обзор существующих методов изучения теплофизических свойств горных пород при высоких РТ-условиях модели предшествующих исследований и пределы измерений.

В третьем параграфе главы, рассматривается анализ результатов предшествующих теоретических и экспериментальных исследований по обозначенной теме, а также оригинальные экспериментальные данные автора, которые показывают, что изучение теплофизических свойств таких систем, как осадочные породы, является сложным. Это связано с тем, что эти свойства зависят не только от структурно-текстурных особенностей гранулометрического состава, свойств породообразующих минералов, насыщающих флюидов, но и от плотности, пористости, температуры, давления. В параграфе отмечено, что термические свойства горных пород зависят также от поведения этих составляющих в термодинамических условиях их естественного залегания. В соответствии с этими факторами теплофизические свойства горных пород изменяются в весьма широких пределах. По мнению многих исследователей к гетерогенным телам типа горных пород нельзя обоснованно применить теорию ? диэлектриков, хотя она удовлетворительно описывает поведение ? сухих горных пород при высоких температурах. В дисперсных средах факторами, определяющими их ?, являются, кроме свойств, твердого скелета, теплоизолирующие особенности межзерновой среды. Межзерновое пространство горных пород заполнено флюидами различного агрегатного состояния (газ, вода, нефть), которые резко осложняют процесс переноса тепла. Он складывается из кондуктивной ? внутри отдельных твердых частиц, в местах их соприкосновения, внутри межзерновой среды, на границах твердых частиц со средой, а также излучения от частицы к частице и конвективной передачи тепла в газообразной или жидкой среде. Влияние межзерновой среды на теплофизические параметры велико для осадочных отложений земной коры, отличающихся наибольшей пористостью и насыщенностью водой, воздухом и углеводородами.

В связи с вышеизложенным, возникает необходимость решения задачи получения экспериментальных данных ? флюидосодержащих коллекторов с помощью метода, позволяющего моделировать на установке условия пластовых температур и давлений. Теплофизические свойства горных пород в зависимости от требуемой точности поставленной цели и решаемых задач можно определять различными способами: оценивать аналитически, измерять экспериментально в лаборатории или в условиях естественного залегания.

Для определения теплофизических свойств горных пород в лабораторных условиях в основном применяют методы, основанные на закономерностях стационарного и нестационарного тепловых потоков. В первом случае исследование теплофизических свойств проводится при установившемся тепловом режиме, когда в любой точке образца температура за время измерений практически не меняется, во втором, - измерения проводятся в условиях, когда вдоль образца распространяется волна, и решение задачи о ее движении существенно связано с граничными условиями. Методы измерения теплофизических свойств пород при стационарном тепловом потоке более точны, чем нестационарные, но использование их затруднено из-за продолжительности опыта и громоздкости аппаратуры.

Главное внимание уделено конструктивным особенностям измерительных ячеек высокого давления, анализу достоинств и недостатков камер высокого давления различных авторов: Ю.А. Попова и др., М.П. Воларович, Т.С. Лебедева, В.М. Добрынина, Г.М. Авчян, А.И. Масленникова, Б.А. Яковлева, П.В. Бриджмена и др. Измерительные ячейки в целом имеют самые различные назначения. Температурную зависимость теплофизических свойств сухих пород при атмосферном давлении исследователи – В.А. Магницкий, Г.И. Петрунин, Р.П. Юрчак, У.И. Моисеенко, А.Д. Дучков, Л.С. Соколова, В.Г. Попов, Р.И. Кутас, В.В. Гордиенко, Е.А. Сакварелидзе, К. Кавада, С. Уеда, К. Хораи, Г. Кономари, Ф. Берч, Г. Кларк, Куни и Смит, Л. Ковальчук, А. Миснар, В.Д. Кингеру, И.Е. Шац, Г. Симмоне и др., а под влиянием давления при комнатных температурах и выше П.В. Бриджмен, Ф. Берч, Т.А. Едмонсон, И. Ананда, Р.Ф. Рой, И.В. Вольш, Е.Р. Деккер, В. Вудсайд, И.Н. Мессмер, Е. Хуртиг, У. Зайпольд, Д.С. Хугес, П. Андерсон, И.П. Кулл, В. Штандахер, Э.М. Байрамов и др.

Одновременно воздействие высоких температур и давлений на теплофизические свойства интрузивных пород исследовано Т.С. Лебедевым с сотрудниками и У. Зайпольд, а одновременное влияние этих параметров на флюидонасыщенные горные породы (керновые материалы) отражено в работах Ю.А. Попова и др., Е.А. Любимовой, А.И. Масленникова, Ю.А. Ганиева и Б.А. Яковлева и др. В практике измерений много внимания уделяется усовершенствованию аппаратуры и процесса измерения теплопроводности методом пластины стационарного теплового потока. Определение теплопроводности методом стационарного теплового поля были выполнены в 1935 г. Х.И. Амирхановым.

Из обзора литературных данных следует, что теплофизические свойства горных пород, насыщенных различными флюидами, зависят от пористости образцов, их вещественного состава, от степени насыщения и от фазового состояния насыщающего флюида. В пластовых термодинамических условиях при повышении температуры ? уменьшается по закону близкому к линейному. Барическая зависимость ? возрастает с повышением давления, причем интенсивность ее увеличивается тем больше, чем ниже температура. Под влиянием гидростатического давления теплопроводность водонасыщенных пород изменяется незначительно. Наибольшее влияние всестороннего давления на изменение теплопроводности горных пород оказывается в интервале до 10-20 МПа.

Теплоемкость горных пород показывает ее увеличение с ростом пористости и температуры. До 773К теплоемкость пород в первом приближении зависит от температуры линейно. У пород с аморфной структурой теплоемкость повышается равномерно по всем интервалам температур. У пород с кристаллической структурой темп роста различен: в интервале от 0 до 673К выше, чем при последующем нагреве. Теплоемкость породы зависит от весового соотношения воды в породе. Температуропроводность горных пород уменьшается с ростом температуры. Воздействие давления повышает температуропроводность минералов, причем ее градиент уменьшается с ростом давления. Влияние давления ослабевает при увеличении температуры нагрева. В диапазоне давлений до 3 кбар изменения ? не превышает 10%. С повышением давления значения температуропроводности различных минералов сближаются.

В ряде работ обнаружены полиморфные превращения в породах состава СаСО3, СаSО4·2Н2О при высоких давлениях и температурах. Изучая кинетику превращения кальцита в арагонит и гипса в ангидрит, разными авторами этот переход отмечен в интервале давлений от 200-2400 МПа и температур (от 333-1023К).

Влияние гидростатического давления на теплофизические свойства исследовано только для небольшого числа разновидностей горных пород при комнатных температурах и несколько выше, тогда как термодинамические параметры продуктивных осадочных пород нефтегазовых геотермальных месторождений достигают 473-573К и 15-70 МПа. Это обстоятельство диктует необходимость получения надежных данных о теплофизических свойствах флюидосодержащих коллекторов в условиях пластовых температур и давлений, соответствующих естественному залеганию пород.

Актуальность этой проблемы послужила основанием для проведения лабораторных исследований теплофизических свойств горных пород при условиях, приближенно моделирующих глубинное залегание пластов на образцах кернового материала, отобранных из разведочных скважин. В связи с этим возникла необходимость создания таких устройств и методик измерений, с помощью которых можно получать надежные экспериментальные данные о теплофизических свойствах горных пород в условиях, приближенных к естественному.

Глава 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ                                               ИССЛЕДОВАНИЙ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ                                               ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ И

ДАВЛЕНИЯХ

Вторая глава работы посвящена описанию экспериментальной аппаратуры, методики и анализа погрешностей лабораторных измерений теплофизических свойств горных пород, насыщенных различными жидкими и газообразными флюидами, в интервале температур 293-573 и давлений 0,1-150 МПа.

Для измерения ? флюидонасыщенных горных пород на образцах кернового материала из скважин применяемые методы должны удовлетворять следующие условия:

1) обеспечение широкого диапазона измеряемых значений теплопроводности;

2) возможность работы с образцами минимальных размеров, взятых из скважин;

3) достижение необходимой точности измерений и надежности получаемых данных;

4) создание близкого к идеальному контакта образца с нагревателем и холодильником;

5) позволять проводить исследование теплопроводности образцов горных пород как сухих, так и насыщенных различными жидкими и газообразными флюидами при совместном влиянии гидростатического давления до 150 МПа и температуры до 573К;

б) отличаться относительной простотой в изготовлении и сборке.

Перечисленным условиям наиболее соответствует лабораторная установка, основанная на абсолютном компенсационном методе плоского слоя стационарного теплового поля Х.А. Амирханова. Основные преимущества этого метода при определении теплопроводности плоских образцов горных пород заключаются в том, что значительно упрощается техника эксперимента и сокращается необходимое для исследования время наряду с достижением относительно высокой точности определения теплопроводности вследствие ликвидации боковых потерь тепла от предметного нагревателя и образца.

На базе этого метода создан прибор, который рассчитан на работу в условиях совместного влияния температур и давлений в широком интервале при насыщении жидким и газообразным флюидом. Разработан способ, в котором учтены влияние неравномерности температурного поля на результат измерения и погрешности, связанной с отсутствием учета направления начального перепада температур и появления различных неоднородностей теплового поля в измерительной ячейке в процессе термостатирования.

Для измерения теплоемкости горных пород применяется известная установка измеритель теплоемкости ИТ-С-400, в интервале температур 298-673К.

Температуропроводность горных пород определяется по формуле:

в том же интервале температур, что и теплоемкость.

Плотность, пористость и влажность горных пород определяется с помощью аппаратуры АКМ-коллектор и приборов ПВГП, АЛУ-2,849000 и СПВ-2 по известным методикам. При определении коэффициента абсолютной пористости пикнометрическим методом объемный вес породы устанавливается путем гидравлического взвешивания, и истинную плотность зерен определяют в пикнометрах.

Основными трудностями конструирования измерительного прибора являются: создание плотного постоянного теплового контакта между исследуемым образцом, нагревателем и холодильником; защита датчиков температур и токоподводов нагревателей от влияния флюида (воды) и высокого давления. Значительные трудности представляет изготовление образцов, в частности, получение образца со строго параллельными гранями. Прибор 1 имеет форму цилиндра высотой 22 мм, диаметром 68 мм и состоит из двух медных блоков – наружного и внутреннего 9. В сплошной внутренней части блока находится градиентный нагреватель 8. На наружном блоке монтируется охранный нагреватель. Для облегчения процесса сборки прибора наружный блок изготовлен из двух частей 10,17 стянутых винтами 16. Между блоками нагревателей имеется полупроводниковый датчик температур 11. Диаметр рабочей поверхности прибора равен 35 мм ( 0,01 мм. Градиентный нагреватель 8 – из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм и сопротивлением 21,53 0м помещен во внутренний блок прибора.

Описание установки теплопроводности.

Рис. 1. Схема автоклава с прибором для исследования теплопроводности горных пород.

. Нагреватель имеет медную крышку 14 толщиной 1 мм. На расстоянии 1 мм от рабочей поверхности внутреннего блока просверлено отверстие диаметром 2 мм, где помещается термопара 12 для измерения абсолютной температуры рабочей поверхности. На внешней поверхности наружного блока выточены канавки, куда укладывается охранный нагреватель 5.

С целью исследования ? флюидосодержащих коллекторов в отверстиях крышки автоклава и блоков нагревателей установлены чехлы из нержавеющего материала защищающие термопар и токоподводов нагревателя от влияния флюида. Концы чехлов термопар запаяны серебром. Для контроля тепловой утечки через перемычку блоков вставлены контрольные термопары 2 и компенсационная печь 1.

Описанная система устанавливается на медный холодильник 21, толщиной 6 мм и диаметром 68 мм. На расстоянии 1 мм от рабочей поверхности холодильника просверлено отверстие для термопары, измеряющей его абсолютную температуру. В целях уменьшения теплопроводности излучением поверхности холодильника и прибора отполированы до зеркального блеска.

Между холодильником и нагревателем помещается образец 19 с большим диаметром, чем диаметр рабочей площади, что содействует уменьшению боковых потерь тепла образца.

В собранном виде прибор помещается в измерительную ячейку автоклава 22 (см.рис.1.), изготовленного из нержавеющей стали марки IX18H9T. После этого съемная крышка автоклава стягивается гайками и система помещается в термостат. Автоклав имеет следующие размеры: наружный диаметр 180 мм; внутренний диаметр 76 мм; высота 158 мм, толщина стенок 52 мм, толщина дна 52 мм.

Порядок проведения эксперимента заключается в следующем: Насыщения образца флюидом производится под вакуумом. Создание давления, его измерение проводятся с помощью грузопершиевого манометра марки МП-2500, класса точности 0,01, соединенного с автоклавом высокого давления.

Термостатирования автоклава осуществляется погружением в ультратермостат типа NBE (c точностью регулирования 0,02 град.). В диапазоне температур от 293К до 363К автоклав помещается в термостат с дистиллированной водой, в диапазоне температур от 363К до 573 К с цилиндровым маслом для перегретого пара. Температура термостата устанавливается с помощью контактного термометра. Питание электрических цепей нагревателей осуществляется источниками питания постоянного тока Б5-479 - Б5-50. Температурные измерения проводились хромель-копелевыми термопарами с помощью потенциометра Р-363-2 класса точности 0,002. В цепи термопар стоят переключатели, которые изготовлены из того же материала, что и провода термопар. Диаметр проводов – 0,15 мм. Эти провода отжигаются в вакуумной печи при температуре 773К в течение 1 часа.

При измерениях возможные потери градиентного нагревателя непрерывно контролируются одним гальванометром и компенсируются нагревателем. Исключение боковых потерь тепла с образца обеспечивается как меньшим диаметром эффективной площади по сравнению с диаметром образца, так и компенсационным нагревателем прибора.

Методика измерения теплопроводности заключается в следующем: при атмосферном давлении изучается температурная зависимость теплопроводности воздушно-сухих образцов горных пород, затем исследуется одновременное влияние давления и температуры газо-,водо- и нефтенасыщенных под вакуумом (в течение 24-48 часов) образцов. Исследования производились при прямом и обратном ходе температуры и давления по изотермам 298, 323, 348, 373, 398, 423, 448, 473, 498, 523,548, 573К и интервале давлений 0,1- 150 МПа с шагом 0,1;5,10, 15, 20, 30, 50, 70, 90, 110,130, 150, МПа. Для исключения случайных ошибок в каждой точке производилось от трех до пяти отсчетов.

загрузка...