«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О. Ю. ШМИДТА РАН На правах рукописи КУРБАНОВ АБДУЛГАДЖИ АХМЕДОВИЧ ...»
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.
В Северном Дагестане, где глубина скважины не меньше 4-5 км, прогнозирование температур начинается с глубины 6 км. Прогнозирование проведено по наиболее характерному значению теплового потока. Максимальное число скважин имеет плотность теплового потока 0,106 Вт/м2. Такой подход к прогнозированию температур Северного Дагестана определяется особенностями, выявленными ранее выполненным прогнозом температур Южного Дагестана, и глубиной скважин в этом районе. Разность прогнозируемых температур на глубине 10 км составляет 28 градусов. По сравнению с Южным Дагестаном, где разность на этой глубине составляет 86 градусов, такую величину, видимо, можно объяснить ожидаемым здесь изменением глубин карбонатного фундамента. Дальнейшее прогнозирование проводилось с учетом характера изменения геотермического градиента по глубине. Такое прогнозирование наиболее близко к ожидаемым величинам. При этом для Северного и Южного Дагестана не наблюдается аномального распределение отличного от ожидаемых по результатам доступных измерению.
Из отмеченного выше можно сделать вывод о том, что при отсутствии данных о тепловом потоке с достаточной для общих построений точностью могут быть использованы прогнозные температуры на глубине 10 и более км, определенные по глубинному распределению градиентов.
Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ГОРНЫХ ПОРОД ДЛЯ РАЗРАБОТКИ МЕТОДИЧЕСКИХ ОСНОВ И РЕШЕНИЯ
ГЕОЛОГО - ГЕОФИЗИЧЕСКИХ, ГЕОТЕРМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ
Пятая глава посвящена применению результатов теплофизических исследований горных пород для решения геолого-геофизических и геотермических задач.
В параграфе один главы рассматривается методика, предназначенная для поиска и разведки залежей флюидных полезных ископаемых, может быть применена для повышений эффективности разработки нефтегазовых и геотермальных месторождений.
Известная методика поиска и разведки залежей флюидных полезных ископаемых, использующей геотермические параметры, которые характеризуют возможность его осуществления (Соколов Б. Л. и др., 1974 г.) не рассматривает возможность поиска геотермальных месторождений и не позволяет достоверно выявить полезный объем на глубинах не достигнутых бурением.
Цель методики - повышение эффективности поиска и разведки залежей флюидных полезных ископаемых и достоверности выявления полезного объема этих залежей.
Сущность предлагаемой методики заключается в следующем: в начале применяя известный ранее "Способ определения коэффициента веществ" (авт. св, СССР, № 760774, 1980 г.,) получают экспериментальные данные теплопроводности газо-нефте- и водонасыщенных образцов горных пород (гл.3). Затем, используя полученные экспериментальные данные, определяют для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залегания пластов, соответствующие конкретной глубине в скважине и выявляют ее изменчивость по горизонтам на различных глубинах путем нанесения их на геологическую карту региона. Такими условиями приняты усредненные значения распределения температур и давлений с глубиной в скважинах. В характере изменений водо-нефте- и газонасыщенных горных пород наблюдается тенденция ее уменьшения с ростом глубины, такое уменьшение является результатом преобладающего влияния температуры, Однако, степень этого уменьшения зависит как от насыщенного флюида, так и от литологического состава.
В параграфе два главы рассматривается влияние динамики температурного режима на тепловые параметры и на пористость коллекторов пласта при закачке отработанного теплоносителя в зону теплоотбора. Не учет смещения тепловых и емкостных характеристик пласта, вследствие изменения температурного режима в забойной зоне приводит к значительным неточностям в расчете исходных проектных данных геотермальной циркуляционной системы (ГЦС) при разработке геотермальных месторождений.
В параграфе три главы, рассматривается определение расстояния между подъемными и нагнетательными скважинами ГЦС, а также определение давления и сроков разработки циркуляционных систем. Приведены оценки влияния изменения тепловых и емкостных характеристик пласта на эксплуатационные параметры ГЦС некоторых месторождений, что позволяет повысить точность этих параметров, а именно:
а) изменяет расстояние между разноименными скважинами, оцененных на основе табличных данных на 200-250 м, что эквивалентно уменьшению давления нагнетания в среднем на 20-25%;
б) приводит к заметному уменьшению срока эксплуатации терригенных коллекторов до момента начала охлаждения.
Проектные данные разработки геотермальных месторождений целесообразно проводить на основе достоверных фактических данных, полученных лабораторными и промысловыми исследованиями, для каждого месторождения с учетом их изменений в зависимости от температурного режима в зоне отбора тепла.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Впервые поставлены и решены ряд задач, связанных с малоизученной проблемой экспериментального исследования теплофизических свойств литологических образований, в том числе вместилищ для жидких и газообразных полезных ископаемых при термодинамических условиях, максимально приближенных к естественным.
1. На основе анализа современного состояния теплофизических исследований горных пород показана необходимость создания конструктивно-методических основ изучения тепловых свойств флюидосодержащих горных пород (кернового материала) в условиях, моделирующих совместное влияние поровых давлений и температур с целью существенного повышения надежности и точности полученной информации. Идеальное повторение природной обстановки на образце, естественно, невозможно, поэтому изучение теплофизических свойств в большом диапазоне различающихся факторов и при их различных сочетания помогает выбрать наиболее приемлемые результаты для конкретного объекта.
2. Создана и конструктивно модифицирована оригинальная установка, для измерения теплопроводности флюидосодержащих горных пород на базе компенсационного метода плоского слоя, позволяющая моделировать естественные термодинамические условия и повышающая надежность и точность измерений изучаемого параметра (А. с. № 779870).
3. Усовершенствована методика по определению веществ в термодинамических условиях эксперимента, позволяющая повысить точность ее измерений (А. с. № 760774, ДСП).
4. Впервые проведено экспериментальное изучение теплопроводности образцов кернового материала, относящихся к разным литологическим типам на значительном экспериментальном материале с различными коллекторскими свойствами, видом насыщающего флюида и установили степень изменения этого параметра. Результаты исследования представлены для широкого спектра пород на нефтяных, газовых, геотермальных и других месторождений в зависимости от характера коллектора и насыщающего флюида, а также от термобарических условий, что позволяет использовать для решения разнообразных региональных геолого-геофизических и геотермических задач:
а) от характера коллектора и вида насыщающего флюида
- теплопроводность для водонасыщенных карбонатных пород изменяется до 90-160%, за исключением одного образца с аномальными значениями до 300%, для терригенных 100-170%, для нефтенасыщенных карбонатных пород 30-140%, для терригенных 50-90%;
б) от термобарических условий
- установлены явления аномального изменения теплопроводности водонасыщенных карбонатных пород (при 293-573К и 0,1-110 МПа), обусловленные эндотермическими реакциями с переходом одной структурной модификации породы в другую.
При повышении температуры от 293 до 573К в интервале давлений от 0,1 до 150 MПla флюидонасыщенных карбонатных пород уменьшается (для газонасыщенных на 35-55%, для водонасыщенных на 45-85%, для нефтенасыщенных на 25-60%, для терригенных газонасыщенных на 20-55%, водонасыщенных на 15- 60%, для нефтенасыщенных на 15-60%).
При воздействии давления до 150 МПа в исследованном интервале температур газонасыщенных карбонатных пород увеличивается на 20-30%, водонасыщенных - на 15-20%, нефтенасыщенных - на 10-25%; для газонасыщенных терригенных увеличивается на 10-40%, водонасыщенных - на 10-25%, нефтенасыщенных - на 25-35%.
5. Экспериментально зафиксированы и сфотографированы полиморфные превращения некоторых водонасыщенных карбонатных пород в исследованном интервале температур. Отмечены аномальные явления теплопроводности этих пород, которые подтверждены Международной Ассоциацией научных открытий как научное открытие.
6. Автором вычислены поинтервальные термобарические коэффициенты теплопроводности исследованных горных пород в диапазоне температур (293 –573К) и давлений (0,1-150 МПа) с дальнейшей практической рекомендацией. Разработана важная для геолого-геофизических и геотермических исследований методика оценки горных пород в условиях, совместного влияния изменения температур и поровых давлений, применяя термобарические коэффициенты теплопроводности полученных по экспериментальным результатам исследованных типов керновых материалов, которые могли бы служить основой для корректного расчетного определения теплопроводности.
7. Выбраны методы, созданы и отлажены экспериментальные установки, получены данные температуропроводности, теплоемкости род в интервале температур (298-673К). Определены плотность и пористость исследованных пород.
8. Новые данные горных пород, полученные экспериментально, позволили оценить для различных по составу литологических комплексов в условиях глубинного залегания; оценить глубинные температуры и тепловые потоки Северного и Южного Дагестана; построить модели распределения геотермических характеристик по глубинным разрезам месторождений региона; рассчитать проектные параметры рациональных схем ГЦС в задачах отбора глубинного тепла (определение расстояние между подъемными и нагнетательными скважинами, определение сроков службы ГЦС и др.
9. Решение задач стало возможным благодаря известным достижениям наук о Земле, в частности, конструктивно-методических основ и результатов с высокой надежностью и точностью экспериментальных данных, полученных с помощью аппаратуры, проверенной на эталонных образцах, их адекватностью по известным критериям оценки изучаемых процессов, использованием известных положений фундаментальных наук, и корректностью разработанных методик, позволяющих проводить самоконтроль измеряемых значений тепловых характеристик в процессе эксперимента, а также сходимостью полученных результатов с результатами исследований других авторов; - изучением различных типов горных пород, гарантирующего обоснованность выводов, касающихся средних значений и характерных особенностей поведения теплофизических параметров; - проведением петрографического анализа на шлифах образцов до и после исследования.
10. Полученные результаты позволяют повысить эффективность решения геолого-геофизических задач как фундаментального, так и прикладного аспекта. Уточнение значений теплопроводности, приближенных к их состоянию в природной ситуации имеет большое значение для правильной оценки глубинных температур и глубинного теплового потока. Они позволяют более обоснованно подходить к постановке терморазведочных работ в изучаемом регионе. Более того, повысить качество интерпретации данных этих работ при решении важных хозяйственных задач, связанных с поиском, разведкой и разработкой месторождений полезных ископаемых (нефтегазовых и гидротермальных); с расчетом режимов глубокого и сверхглубокого бурения скважин; с использованием геотермального тепла.
Полученные результаты оказались полезными и были использованы в ниже приведенных решениях:
-показано, что влагонасыщенных литологических комплексов как функция от давления и температуры, соответствующих глубинным условиям на уровне около 10 км, характеризуется небольшим диапазоном изменения величины (от 2,3 до 2,7 Вт/(м.К).
- показано, что для получения прогнозных значений глубинных температур кроме учета вертикальной зональности плотности теплового потока необходимо использование зависимостей как функция от Р, Т.
- разработана методика, повышающая эффективность поиска и разведки залежей флюидных полезных ископаемых и достоверности влияния полезного объема этих залежей. (Патент № 2П7318).
-оценено влияние динамики температурного режима на тепловые и емкостные параметры коллекторов пласта и влияние изменения этих характеристик на эксплуатационные параметры ГЦС, что позволяет повысить их точность.
Результаты внедрены на ведущих предприятиях:
1. В «НПЦ Подземгидроминерал» расчетах геотермальных циркуляционных систем и проектировании систем теплоснабжения (в задачах извлечения теплового потенциала Мостовского, Каясулинского и др. геотермальных месторождений).
2. В институте геологии Даг.ФАН СССР при проведении исследований по пpогнозу нефтегазоносности глубинных зон Восточною Предкавказья и шельфа Каспийского моря.
3. В Даг.ЭНИН при выборе перспективных зон на территории Дагестана для извлечения и использования высокопараметрического геотермального тепла в народном хозяйстве.
4. Разработанный высокоэффективный аппаратурно-измерительный комплекс, позволяющий провести прецизионные измерения при высоких давлениях и температурах, прошел метрологическую аттестацию средств измерений. Стенд схемы установки для исследования горных пород экспонировался на выставке стран СЭВ по использованию возобновляемых источников энергии и на 4 Международ. выставке «Наука. Научные приборы 2000».
Основное содержание диссертации опубликовано
в следующих работах:
1. А.с. 779670 (СССР). Устройство для измерения теплопроводности /А.А.Курбанов // Б.И. 1980, № 42.
2. А.с. 760774 (СССР). Способ определения теплопроводности веществ /Х.А. Гаирбеков, А.А. Курбанов // Б.И. 1980.
3. Курбанов А.А. Теплопроводность газо- водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях моделирующих глубинные залегания пластов. // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. С. 107-112.
4. Курбанов А.А. Полиморфные превращения и аномальные явления теплопроводности в некоторых флюидонасыщенных карбонатных породах. // Физика Земли, 2002. №8. С. 89-96.
5. Kurbanov AA In requirements of tabular temperatures and pressures thermal properties of gas-, water- and oil saturation collectors // International conference “The earth’sthermal fieldrelated research methods”. Moscow‚ 2002. P.136-140.
6. Курбанов А.А. Лабораторные исследования тепловых свойств горных пород при высоких давлениях и температурах. // Междунар. совещание: "Лабораторные исследования при высоких давлениях и их использование в промышленности". Уппсала, 1981. С. 75.
7. Курбанов А.А. Способ поиска и разведки залежей флюидных ископаемых. // Патент 2117318 (Россия)- опубл. в Б.И., 1988, № 22.
8. Гаирбеков Х.А., Курбанов А.А. Некоторые проблемы оценки глубинного теплового поля. // Изв. СКНЦ ВШ, Технические науки; 1987, №3, С. 23-26.
9. Курбанов А.А. Закономерности изменения теплофизических свойств флюидонасыщенных горных пород в пластовых Р,Т–условиях и способы их применения. Махачкала, 2000. 226с.
10. Курбанов А. А. Теплофизические свойства пород-коллекторов при различных давлениях и температуp. // Мат. Междунар. Экспедиции и симпозиума "Проблемы геофизики высоких давлений и температур", КАПГ-3, Острава, I99I. С. 43.
11. Влияние флюида на коэффициент теплопроводности горных пород при пластовых давлениях и температурах. /Амирханов, Х.И., Суетнов В.В., Гаирбеков X.А., Курбанов А.А. // Тепловое поле земли. Махачкала, 1979. Т. 2. С. 22-25.
12. Гаирбеков Х.А., Курбанов А.А. Теплопроводность пород в Р,Т-условиях и оценка тепловых потерь // Термомеханика геотермальных систем. Махачкала, 1990. С. 62-70.
13.Курбанов А.А. Исследование теплопроводности горных пород в условиях одновременного влияния температуры, давления и флюида на образец // Мат. Междунар. геофизической конф. и выставки –2003. Москва, 2003. С. 56-59.
14.Курбанов А.А., Курбанова М.А. Экспериментальное и аналитическое исследования проявлений теплопроводности горных пород в условиях больших глубин // Мат. Междунар. геофизической конф. «Геофизические исследования геодинамической обстановки и нефтегазоносности больших глубин». Баку, 2004. С. 67-68.
15. Курбанов А.А. Совместное влияние пластовых температур и давлений на теплопроводность флюидонасыщенных коллекторов // Мат. докладов V Междунар. конф.”Новые идеи в науках о Земле”. Москва, 2005. С.176.
16. Курбанов А.А. Теплофизические свойства флюидонасыщенных терригенных пород в условиях различных температур и давлений // Физика Земли, 2006. № 5 С. ( в печати).
