Delist.ru

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

Автор: Курбанов Абдулгаджи Ахмедович

Поток тепла, выделенный основным нагревателем, проходит через исследуемый образец, холодильник и воспринимается автоклавом, находящимся в термостате. Зная количество тепла, выделяемые основным нагревателем, и перепад температуры на образце, можно вычислить ? измеряемого образца по соотношению ниже изложенного способа.

В известных способах определения теплопроводности, кроме предложенного Д.А. Татарашвили и О.А. Сергеевым (1972), не учитывается влияние неодномерности температурного поля на результат измерения, что уменьшает точность измерения. В предложенном способе указанных авторов для создания одномерного температурного поля используются охранные нагреватели, в то же время в этом способе не учитывается появление различных неоднородностей теплового поля в процессе термостатирования и наличие погрешности, связанной с отсутствием учета направления начального периода температур.

При измерении температурной зависимости теплопроводности вещества в процессе термостатирования появляется неодномерное поле, такое, что поддержание нулевой разности температур между основными и охранными нагревателями искажается тепловое поле, установленное термостатированием. Эти неоднородные поля, названные нами начальными условиями термостатирования, возникают во всех измерительных ячейках за счет различной теплопроводности деталей ячейки, образца, холодильника, охранных нагревателей и их конструктивных особенностей и в зависимости от температуры термостатирования проявляются по-разному. Все эти недостатки уменьшают точность измерений.

Сущность нашего способа заключается в следующем. В начале измерения в процессе термостатирования в измерительной ячейке устанавливается стационарное тепловое поле для каждой температуры термостатирования. При выключенном основном и охранных нагревателях измеряется градиент температур на образце и определяется его направление. Градиент температур в образце может быть направлен как от нагревателя к холодильнику, так и наоборот. Далее измеряется разница температур основного и охранного нагревателей и определяется направление теплового потока. После этого включается основной и охранные нагреватели и устанавливается новое стационарное поле путем изменения мощности охранных нагревателей так, чтобы поддерживалось фиксированное значение – разности температур основного и охранного нагревателей. Затем измеряется установившийся перепад температур на образце. Если направление измеренных величин перепадов температур на образце первом и втором случаях совпадают, то из второй величины вычитывается первая, а в противном случае обе величины складываются. Полученный результат измерений используется для расчета ? по рабочей формуле способа:

где Q - количество тепла, выделяемое основным нагревателем;

l - толщина измеряемого образца;

S - эффективная площадь поверхности измерительной пластины;

Т0-перепад температур на образце при выключенных основном и                                                       охранных нагревателей;

Т1-перепад температур на образце при включенных основном охранных

         нагревателей.

Перед проведением основных измерений на установке были проведены контрольные измерения на образцах органического стекла в интервале температур 293-350К, стали марки IX18H9T.–293–573К и хозяйственного фарфора при 340–580К, ? которых достаточно хорошо изучена в этих интервалах температур. Результаты измерений согласуются в пределах 2– 4%.

Кроме того исследована теплопроводность некоторых типов горных пород в интервале температур 273-573К и давлений 0,1 – 150 МПа. Результаты исследованных образцов горных пород (гранит, гнейс, кварцит гранитизированный, шаровая лава, песчаник, аргиллит и др.) находятся в соответствии с существующими справочными данными.

Подсчитана возможная ошибка описанного метода  Из уравнения плоского слоя видно, что возможная ошибка метода обуславливается систематическими погрешностями измерения толщины слоя исследуемого образца ((l), эффективной площади поверхности измерительной пластины ((S), случайными погрешностями измерения перепада температур на образце ((((), количества тепла, выделяемого нагревателем измерительной пластины ((Q), а также относительными ошибками измерения абсолютной температуры Т и давления Р, величины которых для горных пород очень незначительны.

        Экспериментальное определение предела допускаемой основной погрешности.

Систематическая, случайная, абсолютная и относительная погрешности измерений рассчитаны с использованием формул по известным литературным источникам.

Приведены интервальные оценки и определены пределы допускаемой погрешности. Из простейшей статической обработки результатов измерения теплопроводности эталонных и каждой серии образцов следует, что случайной ошибки измерений теплопроводности не превышает 3 % при уровне доверительной вероятности 0,95. Таким образом, максимальная ошибка измерений ? не превышает 4%, с хорошей повторяемостью (из 100 измерений 96 абсолютно совпадает) и воспроизводимостью (до 1%). Таким образом, проведена статистическая обработка для всех точек эталонных образцов оргстекла и фарфора, а также образца нержавеющей стали 1Х18Н9Т (справочные данные), что перекрывает весь диапазон измерений.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ФЛЮИДОСОДЕРЖАЩИХ ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ СОВМЕСТНОГО ВЛИЯНИЯ ПОРОВЫХ ДАВЛЕНИЙ И ТЕМПЕРАТУР.

Третья глава работы посвящена экспериментальному изучению теплофизических свойств газо-, водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях, совместного воздействия пластовых температур и давлений; влиянию на них рода и вида флюида. Глава содержит оригинальные экспериментальные данные автора и данные из литературных источников.

В первом параграфе главы рассматривается зависимость ? газо-, водо-и нефтенасыщенных карбонатных пород от совместного влияния температуры и давления. Обсуждается вопрос о влиянии на ? флюидонасыщенных коллекторов температур и поровых давлений.

Результаты экспериментальных исследований ? горных пород в зависимости от температуры показывают, что в соответствии с законом Эйкена при увеличении температуры от 293 до 573К ? газо-, нефте- и водонасыщенных горных пород уменьшается обратно пропорционально температуре. Снижение ? нефте-водонасыщенных коллекторов значительнее, чем газонасыщенных. Наиболее резкое изменение ? отмечено в интервале температур от 293 до 473К. С повышением давления термическая зависимость смещается в сторону увеличения ? и является доминирующей в пределах параметров проведенного эксперимента.

С ростом температуры от 293 до 573К в интервале давлений от 0,1 до 150 МПа ? флюидонасыщенных пород уменьшается: газонасыщенных карбонатных пород до 55%, водонасыщенных – до 40%, нефтенасыщенных – до 60%; газонасыщенных песчаников до 55%, водонасыщенных – до 65%, нефтенасыщенных – до 60%; алевролитов – газонасыщенных до 35%, водонасыщенных – 40%; глин – газонасыщенных до 16%, водонасыщенных – до 20%. Для водонасыщенных образцов карбонатных пород в исследованном интервале температур отмечены явления аномального изменения ?, связанные с термохимическими реакциями.

Для мергеля (месторождения Гаша, скв.№26) аномальное явление ? наблюдалось в диапазоне температур 368-413К. Теплопроводность водонасыщенного мергеля от 293К до 368К уменьшается, а от 368К до 393К – возрастает на 30%. При дальнейшем увеличении температуры ? также уменьшается согласно закону Эйкена. Для мергеля такое явление обусловлено гидролизом карбоната и дегидратацией включений гипса.

Теплопроводность известняка месторождения Селли скв. №5, глубина отбора керна 1803-1898 м, исследована на двух образцах, изготовленных одновременно из одного керна.

Измерения образцов проводились в одинаковых условиях. Измерения ? образца №1 проводились с температурным шагом 25оС. При этом для водонасыщенного известняка величина ? возрастала в интервале температур от 293К до 343К на 65%, а от 343К до 383К – резко уменьшалась (рис.3 (III)). Аномальное явление ? для водонасыщенного известняка обусловлено гидролитическим характером реакции.

В отличие от образца №1, измерения образца №2 проводились с уменьшением температурного шага по мере приближения к максимуму ? до 1оС. По мере удаления от максимума ? температурный шаг увеличивался (от 1 до 25оС). В результате тщательных измерений, как прямых, так и обратных, аномальное явление теплопроводности подтвердилось на образце №2. Результаты прямых и обратных измерений различаются не более 5%.

Аномальное явление ? известняка можно объяснить переходом карбонатного вещества из одной – метастабильной – структурной модификации в другую, более стабильную при данных термодинамических условиях, соответствующих глубинам 1-3 км. Метастабильные формы обычно кристаллизуются первыми в ходе кристаллизации и лишь, затем переходят в

стабильные модификации. Переход этот может протекать с различной скоростью для разных

веществ, а при некоторых условиях вообще не осуществляться. Именно этим и можно объяснить существование карбоната кальция в структурной форме арагонита.

На образце после измерения ? видны правильные прорастания ангидритом на границе зерен мергеля. Петрографический анализ образца мергеля показывает, что габитус кристаллов ангидрита – призматический, цвет – белый, блеск – стеклянный, прозрачен. Плотность мергеля до и после исследования соответственно равна 2698 и 2651 кг/м3, общая пористость –2,62%, карбонатность – 47% . Известно, что в воде гипс переходит в ангидрит с течением времени при температуре выше 315К, тогда как при более низкой температуре имеет место обратный переход (А.С. Гинзберг, 1951; Г.И. Теодорович, 1958). Гипс при нагревании переходит в полугидрат (на воздухе – медленно при 343К и быстро при 363-403К, а в воде при 371 К). В системе, чистая вода – СаSO4, является стабильной фазой выше 315-339К (А.Г. Бетехтин, 1950). В интервале температур 363-498К происходит перестройка структуры гипса, вследствие чего образуется ангидрит – СаСО4, обладающий более высоким удельным весом и большей твердостью (Э.И. Пархоменко, 1977). Переход двугидрата в полугидрат сопровождается поглощением тепла в количестве 96 кДж на1 кг двуводного сернокислого кальция (Я.И. Вихтер, 1974).

Рис. 3. Теплопроводность известняка в зависимости от температуры при различных                       давлениях и флюидонасыщенности: I – газонасыщенный (аргон);

II – нефтенасыщенный; III – водонасыщенный.

На образце водонасыщенного мергеля автором экспериментально зафиксировано и сфотографировано полиморфное превращение (рис. 4.).

Термохимические реакции протекают в указанном диапазоне температур по следующим схемам:

1. Карбонаты гидролизуются при нагревании по схем

2. В результате дегидратации гипса образуется ангидрит

СаSО4 +2Н2О (11)

обладающий более высоким удельным весом и большей твердостью.

Эти превращения пород, сопровождающиеся поглощением тепловой энергии, являются причиной уменьшения градиента температур на образце, вследствие чего наблюдается рост ?, что видно из формулы (2).

Образование ангидрита, обнаруженное автором на образце водонасыщенного мергеля после исследования, подтверждается еще минералого-петрографическим анализом. А теплопроводность ангидрита выше теплопроводности гипса. Сокращение ? карбонатных пород с повышением температуры, наряду с фонон-фононным рассеянием в зернах и уменьшением пористости, можно объяснить необратимыми структурными изменениями на границах между отдельными компонентами, увеличением трещинной пористости (особенно мергеля).

Рис. 4. Образцы плотного мергеля: а) до исследования; б) после исследования.

загрузка...