Delist.ru

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

Автор: Курбанов Абдулгаджи Ахмедович

Характер изменения ? коллекторов карбонатных пород в зависимости от давления показывает, что с увеличением давления от 0,1 МПа до 150 МПа в исследованном интервале температур наблюдается увеличение абсолютных значений образцов, насыщенных газом, нефтью и водой. Увеличение ? флюидосодержащих коллекторов с ростом давления зависит от температуры. Причем с увеличением температуры барические зависимости смещаются в сторону убывания ?. Теплопроводность газонасыщенных известняков с повышением давления до 150 МПа при комнатной температуре повышается на 22-30%, при 573К – на 18-28%, нефтенасыщенных - 17-19% и 15-16%, водонасыщенных – на 13-18% и 8-14% соответственно. Теплопроводность газонасыщенного мергеля повышается при комнатной температуре на 33%, при 573К – на 30%; нефтенасыщенного – на 24% и на 18% соответственно.

По данным П. Бриджмена, (1948) с увеличением давления до 100 МПа теплопроводность известняка повышалась на 0,1%. Рост нефтенасыщенных карбонатных пород в работе Е.А. Любимовой и др., (1979) с повышением давления также зависит от температуры, составляя 9% при 293К и увеличиваясь до 15% при 473К.

По нашим данным ? водонасыщенного известняка в зависимости от температуры, соответствующих 1,5-3 км глубины увеличилась на 65%. Такой рост не отмечен при изменении давления. Результаты исследования влияния гидростатического давления на ? водонасыщенных пород показывает, что с повышением давления от атмосферного до 150 МПа в указанном интервале температур увеличивается. Наиболее существенно она возрастает с увеличением давления до 20-30 МПа. При дальнейшем повышении давления до 150 МПа рост ? уменьшается и теплопроводность увеличивается почти линейно. Увеличение ? горных пород с повышением давления связано с уплотнением минерального вещества и улучшением фононного теплообмена между зернами породы.

В параграфе два главы отмечается, что для терригенных, также как и для карбонатных пород, насыщение образцов жидким флюидом приводит к резкому увеличению их теплопроводности. Из сопоставления теплопроводностей образцов, насыщенных жидким и газообразным флюидами, видно увеличение абсолютных значений теплопроводности образцов, насыщенных жидкими флюидами. При этом увеличение, теплопроводности при водонасыщении для песчаников - на 100-170 % алевролитов - на 126 %, аргиллитов - на 128 %, глин - на 141 %. При нефтенасыщении теплопроводность песчаников выросла на 47-89 %.

Водонасыщение вызвало увеличение песчаников в зависимости от их пористости на 100-170 %. Такое изменение можно объяснить заметным влиянием теплопроводности самой жидкости, поскольку она выше теплопроводности газообразного флюида. Результаты экспериментальных исследований флюидонасыщенных коллекторов показывают, что теплопроводность газо,-водо- и нефтенасыщенных образцов терригенных пород в пластовых условиях зависит от температуры, давления и состава флюида.

Зависимость теплопроводности песчаников от всестороннего давления при насыщении жидкими и газообразными флюидами весьма неодинакова. Для песчаников, насыщенных жидким флюидом, характерным является резкий рост до 20-30 МПа. При дальнейшем повышении давления ее рост замедляется (почти линейно).

С возрастанием давления от 0,1 МПа до 150 МПа в интервале от 293К до 573К теплопроводность флюидонасыщенных песчаников увеличивается: для газонасыщенных на 27-34% при комнатной температуре и на 25-30% при 573К, для водонасыщенных - на 18-28% при комнатной температуре и на 16-26% при 573К, для нефтенасыщенных - на 23-30% при комнатной температуре и на 21-28% при 573К. При этом ? крупнозернистых песчаников с пористостью до 12% увеличивается с ростом давления значительнее от 1,30 Вт/(м·К) до 1,74 Вт/(м·К) для газонасыщенных; от 3,52 Вт/(м·К) до 4,38 Bт/(м·K) для воды.

В работе Р. Роя (1963) показано, что барический коэффициент на 100 МПа равен для песчаника 1,2%. Данные песчаников наших результатов согласуются с данными Р. Роя в пределах 1-3%.

Температурная зависимость коллекторов песчаников обратно пропорциональная. С ростом температуры от 293К до 573К при давлении 0,1 МПа песчаников уменьшается: газо- насыщенных на 28-55% при давлении 10 МПа, водонасыщенных - на 15-65%, нефтенасыщенных - на I8-60%. При давлении 150 МПа сокращается: для газонасыщенных - на 22-41%, для водонасыщенных - на 10-57%, для нефтенасыщенных - на 13-55%. Уменьшение кварцевых песчаников по Ф.Берча (1950) составляет 2,2% на каждые 10°С увеличение температуры, у А.П.Скакуна (1977) уменьшение песчаников составляет 1,1-2,45%. По данным Б.А. Яковлева и др. (1975) с увеличением давления всестороннего сжатия от 0,1 МПа до 45 МПа сухих и водонасыщенных образцов с пористостью Кп =15% и меньше увеличивается на 44-145% и на 17-47% соответственно. Авторы отмечают, что у всех исследованных образцов с ростом давления увеличивается ? в широких пределах, а с повышением температуры до 363-373К уменьшается почти линейно. При дальнейшем росте температуры уменьшается медленно. Теплопроводность водонасыщенных песчаников в исследованном интервале температур уменьшается на 26-56%.

Результаты экспериментальных исследований одновременного воздействия поровых давлений и температур для ? флюидонасыщенных образцов алевролитов и аргиллитов показывают, что температурные зависимости ? коллекторов связаны с давлением. Причем с ростом давления термические зависимости смещаются в сторону увеличения теплопроводности. С ростом температуры от 293К до 573К уплотненных пород коллекторов уменьшается: для алевролитов - газонасыщенных на 46% (Р= 0,1 МПа), а водонасыщенных на 65% (Р = 10 МПа); для аргиллитов - газонасыщенных на 34% (Р = 0,1 МПа), а водонасыщенных на 40% (Р=10 МПа). При давлении 150 МПа теплопроводность уменьшается для алевролитов на 45% и на 62% соответственно, для аргиллитов – газонасыщенных на 33%, водонасыщенных на 39%. По данным Е.А. Любимовой, А.И. Масленникова, Ю.А. Ганиева (1979) с повышением температуры от 293К до 473К сухих образцов алевролитов уменьшается на 46-48%, а водонасыщенных - на 59-69% при давлении 3 МПа и на 57-70% при давлении 100 МПа. С ростом давления от 0,1 до 150 МПа при комнатной температуре ? коллекторов увеличивается: для алевролитов - газонасыщенных на 19%, водонасыщенных на 18%; для аргиллитов - газонасыщенных на 12%, водонасыщенных 11%. При температуре 573К ? увеличивается: для алевролитов - газонасыщенных на 18%, водонасыщенных 21%, для аргиллитов на – 10% и 12% соответственно. Упомянутыми авторами (1979) установлено также, что ? водонасыщенных алевролитов в интервале давлений 0,1-100 МПа увеличивается на 10% при комнатной температуре и до 17 % при температуре 473К. С ростом температуры от 293 до 573К теплопроводность водонасыщенной глины при давлении 10 МПа уменьшается на 20%, а газонасыщенной на 16%. При давлении 150 МПа ? уменьшается на 15% и I9% соответственно.

С увеличением давления от 0,1 МПа до 150 МПа ? газонасыщенного образца увеличивается на 8% при температуре 293К, а водонасыщенного - на I2%. При температуре 573К ? увеличивается на 7,7% и 9,7% соответственно. При общем падении температуры замечено уменьшение спада ? водонасыщенных образцов в области 373-513К. Это можно объяснить увеличением ? воды в поровом пространстве исследуемого образца. В этой области температур, видимо, более интенсивно разрушаются "молекулярные комплексы".

Теплопроводность уплотненных терригенных пород, насыщенных различными флюидами, увеличивается с ростом давления и уменьшается с ростом температуры. Понижение ? высокопористых крупнозернистых песчаников с увеличением температуры происходит более интенсивно, чем в низкопористых. Увеличение ? горных пород с повышением давления можно объяснить следствием закрытия пор и уменьшением теплового сопротивления.

Как отмечено в работе А.П. Воларовича, 1968 в горных породах можно выделить два вида основных пор: объемные, у которых размеры в трех взаимно перпендикулярных направлениях приблизительно одинаковы, и щелевидные, у которых один размер в десятки и сотни раз меньше другого. Первую более крутую часть кривых можно объяснить закрытием щелевидных пор, и хотя объем их относительно невелик, но теплопроводность, вследствие их закрытия, резко увеличивается. После того как большая часть щелевидных пор закрывается под влиянием давления, определенную роль начинает играть уменьшение величины объемных пор. Также изменение объема при увеличении давления весьма незначительно, а, следовательно, и возрастание теплопроводности с повышением давления относительно невелико. По данным работ Г.М. Авчяна, В.И. Добрынина, Г.И. Петкевича (1972, 1971) при нагрузках, не превышающих давление естественного залегания, большинство пород (исключая неконсолидированные небольших глубин) были упругими, гистерезис не превышал 5%) в то время как при перегрузках наблюдались значительные остаточные деформации. Некоторые хорошо сцементированные кварцевые песчаники и плотные известняки оставались упругими и при значительных перегрузках. Такие породы названы упруго стабильными.

В проведенных исследованиях при обратных и прямых измерениях гистерезис не превышает ошибки измерений.

С увеличением температуры ? кристаллических горных пород уменьшается за счет фонон-фононного рассеяния в зернах. Поскольку большинство минералов обладает анизотропией, их объем увеличивается по разным направлениям неодинаково. Кроме того, различные минералы имеют отличающиеся коэффициенты теплового расширения. Следовательно, увеличивается тепловое сопротивление межзернового пространства и уменьшается ? образца. Кроме этого, результаты повторного минерало-петрографического экспериментальных исследований в условиях, приближенных к пластовым, следует, что температура оказывает значительно большее влияние на ? горных пород, чем давление. При этом тенденция изменения теплопроводности горных пород соответствует дебаевской теории теплопроводности твердого тела. Это подтверждает выводы экспериментальных и теоретических исследований Х.И. Амирханова (I980), В.Н Жаркова (1973) и Е.Л. Любимовой (1979) и др.

Согласно теории теплопроводности кристаллических диэлектриков в I.I. теплопроводность горных пород обусловлена фононной составляющей. В исследованной области температур на уменьшение теплопроводности горных пород оказывают влияние рассеяния фононов на фононах. Дополнительными источниками рассеяния носителей в породах могут быть также различные примеси и границы кристаллов.

В третьем параграфе главы результаты экспериментальных исследований теплоемкости горных пород в зависимости от температуры показывают, что теплоемкость увеличивается с ростом температуры. В интервале температур (298-673К) теплоемкость пород изменяется почти линейно и наблюдается влияние пористости и порового флюида: чем больше значения последних, тем выше С. Теплоемкость пород не зависит от их зернистости, слоистости и состояния минералов. Теплоемкость пористых пород больше теплоемкости породообразующих минералов, что объясняется влиянием поровой воды. Теплоемкость пластовой воды в 4-5 раз больше теплоемкости горной породы. С возрастанием влажности пород их теплоемкость увеличивается. Теплоемкость горных пород зависит от температуры линейно, т.е.

C(t) = C(o)·(1+?·t), (12)

где С(о)- теплоемкость при t = 273К, ? = 3·10-?Дж/г·К. Увеличение теплоемкости осадочных пород в исследованном интервале температур не превышает I5% на каждые 10°С.

На рис. (5) приведены результаты измерения теплоемкости некоторых наших образцов.

Температуропроводность кристаллических диэлектриков уменьшается с ростом температуры и увеличивается с повышением давления. Повышение теплопроводности и температуропроводности, образцов при увлажнении связано с увеличением теплопроводности через жидкость в порах по сравнению с теплопроводностью через воздух.

Возрастание удельной теплоемкости с увеличением влажности по линейному закону, вероятно, объясняется характерной для удельной теплоемкости независимостью её oт способов передачи тепла и высокой теплоемкостью воды.

Температуропроводность пород увеличивается с ростом плотности; как функция влажности она имеет максимум; несколько, уменьшается при нефтенасыщении водоносной породы и существенно уменьшается при газонасыщении.

Полученные в данной главе результаты имеют как фундаментальное теплофизическое, так и прикладное геолого-геофизическое и геотермическое значение. Одними из важнейших геофизических приложений этих результатов являются разработанные методики, ниже приведенных в четвертой и пятой главах

Глава 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ЛИТОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ РЕШЕНИИ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОТЕРМИИ

Четвертая глава посвящена описанию результатов использования лабораторных исследований для определения теплопроводности литологических комплексов, при изучении теплового поля некоторых месторождений Дагестана и прогнозирования глубинных температур с привлечением термограмм производственных организаций. Средние значения температур брались по скважинам, в которых проводилась термометрия после их выстойки.

Рассматривается зависимость ? = f(Н) водонаcыщенных образцов, которая сохраняет обнаруженный в лабораторных измерениях аномальный ход ? известняка и мергеля. С увеличением глубины более 3 км наблюдается уменьшение ? всех пород. Интенсивное уменьшение ? песчаника, алевролита происходит до глубины 6 км. При увеличении глубины от 6 до 10 км уменьшение ? несколько замедляется. Теплопроводность аргиллита от поверхности до глубины 10 км уменьшается незначительно - от 2,9 Вт/(м.К.) до 2,2 Вт/(м.К).

Зависимость ? = f(Н) нефтенасыщенных образцов песчаника, мергеля и известняка показывает, что ? уменьшается с ростом глубину до 10 км, причем теплопроводность песчаника уменьшается сильнее теплопроводности мергеля и известняка.

Изменения ? газонасыщенных образцов с глубиной в целом может иметь практическое значение при изучении выходящих на поверхность разломных зон и газовых шапок, неглубоко залегающих месторождений. Здесь наблюдается различный характер изменений зависимости ? = f(Н) исследованных пород. Известняк, мергель и аргиллит имеют низкие значения ? и незначительное уменьшение коэффициента ? (по абсолютной величине) с ростом глубины. Теплопроводность алевролита изменяется с глубиной от 1,7 до 0,95 Вт/(м.К).

Характерным для песчаника является относительно большой коэффициент ? в газонасыщенном состоянии. Теплопроводность газонасыщенных пород, кроме песчаника, на глубине 7-10 км приближается к постоянной величине.

Таким образом, теплопроводность горных пород, как функция глубины, показывает превалирующее влияние температуры на глубине до 10 км в осадочном чехле Дагестана. С увеличением глубины влияние давления частично компенсирует уменьшение теплопроводности с ростом температуры и наиболее существенно сказывается на глубине до 2-3 км. Эти изменения различны для литологических разновидностей и насыщающего флюида. Отмечается уменьшение разброса значений ? на больших глубинах. Данные по теплопроводности пород, насыщенных аргоном, рассматриваются как соответствующие скелету горной породы и в геотермической интерпретации не использовались. При этом учитывалось то, что ниже уровня грунтовых вод породы находятся в состоянии насыщения. При геотермических построениях для каждой скважины отдельно рассматривается литологическая колонка и в соответствии с глубиной залегания тех или иных пород берется соответствующее значение теплопроводности. Эти значения теплопроводности, взятые с учетом глубины залегания литологических комплексов, отличаются в каждой скважине в связи с различием поровых давлений и температур. На основе конкретных данных об этих параметрах в каждой скважине вводится поправка на теплопроводность. Например, изменение температуры и давления по стволу Северо-Кочубеевской скважины показывает аномальное изменение пластового давления на глубинах 4100-4200 м и 4800-5I00 м. Значения теплопроводности на этих глубинах, взятые по графикам на рис.1(а), соответственно равны 3,0 и 3,8 Вт/(м.К), а значения давлений - 45 и 72 МПа. Действительные значения теплопроводности, экспериментально определенные при этих параметрах, соответственно равны 2,7 и 3,5 Вт/(м·К). На аналогичные изменения параметров Р и Т в других скважинах внесены поправки на теплопроводность. В связи с этим заметим, что представление об изменении теплопроводности, как функции глубины, дает общее представление об этой закономерности. Для глубины, достигающей 10 км, разброс значений теплопроводности уменьшается, составляя 2,0-3,5 Вт/(м·К), независимо от насыщающего флюида, будь то нефть или вода.

Сравнение теплопроводности различных литологических комплексов осадочного чехла с данными других разновидностей горных пород, показывает, что для больших глубин изменение ?? различных литологических разновидностей сближается.

Проведен подробный анализ о возможности использования термограмм производственных организаций, полученных в процессе бурения. Опыт проведения термометрических работ в ГИН РАН и других организациях показал, что оптимальным условием для расчета теплового потока и прогнозирования глубинных температур является наличие данных по выстоявшимся скважинам.

Классический способ изучения теплового потока основан на раздельном измерении геотермического градиента и теплопроводности горных пород в скважинах. Такая методика определения теплового потока требует высокоточных измерений температуры, поэтому её вычисляют на основе замеров температуры в долго простаивающих скважинах.

Важное значение при изучении теплового потока имеет также обязательная приуроченность измерений геотермического градиента к местам взятия проб для исследования ? пород.

Для получения истинных величин теплового потока необходимо или измерять ? горных пород в условиях пластовых температур и давлений, или вводить поправку, позволяющую приводить данные лабораторных анализов в соответствии с пластовыми условиями.

Сравнение результатов рассчитанных величин теплового потока, с использованием теплопроводностей, измеренных в условиях нормальных и глубинного моделирования, показывает, что не учет влияния пластовых давлений и температур на теплопроводность осадочных пород приводит к завышению или занижению теплового потока на I3-30%.

Рассматривается распределение теплового потока некоторых скважин Северного и Южного Дагестана. Тепловой поток - более стабильная тепловая характеристика разреза, в то время как градиент температуры и теплопроводность горных пород сильно варьируют по латерали. Максимальный тепловой поток на территории Северного Дагестана равняется 196 мВт/м2, минимальный - 80 мВт/м2, а средний – I06 мВт/м2. В Южном Дагестане максимальный тепловой поток равняется 277 мВт/м2, минимально - 77 мВт/м2, средний – 100 мВт/м2. Широкий диапазон колебаний величин теплового потока для месторождений Северного и Южного Дагестана, видимо, является следствием влияния различных факторов: климатических, топографических, гидрогеологических, биологических, факторов осадконакопления, структура региона, тектоники и др. Используя, данные о плотности теплового потока и теплопроводности горных пород в изучаемом регионе нами оценены температуры на глубинах, недостигнутых бурением.

Для прогнозирования температур на глубине до 10 км использованы прогнозные температуры по средней величине плотности теплового потока в данном регионе..

Данные прогнозирования температур до глубина 3 км (средняя глубина скважины в Южном Дагестане) получены по среднему градиенту в каждой скважине. Такое прогнозирование от забойных температур до 3 км осуществлено для скважин, глубина которых меньше чем 3 км, а для скважин глубиной 3 км или больше применены восстановленные по измерениям температуры. Максимальное число скважин в Южном Дагестане имеют среднее значение плотности теплового потока, равное 0,1 Вт/м2 (рис.7). По результатам такого прогнозирования получена максимальная разность температур Южного Дагестана на глубине 10 км, равная 86 градусам. Кроме того, такая разность температур соответствует и разности прогнозированных и измеренных температур на глубине 3 км, а разность температур в скважинах Селли-11 и Дузлак-102 составляет 77 градусов.

загрузка...