УДК 550.341.5
ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ НА ПРИМЕРЕ ВУЛКАНОГЕННЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
© 2014 г. А. В. Кирюхин, А. Ю. Поляков, А. В. Мушинский
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: avk2@kscnet.ru Поступила в редакцию 05.10.2012 г.
Разработаны лабораторная установка и метод определения теплофизических свойств (теплопроводности и удельной теплоемкости) цилиндрических образцов горных пород. Метод основан на инверсионном iTOUGH2-EOS3 моделировании по данным измерений температур внутри образцов в результате их кратковременного нагрева с последующим восстановлением начальной температуры. Выполнены оценки теплопроводности и удельной теплоемкости для коллекции петротипов вулканогенных пород, слагающих Рогожниковский вулканогенный нефтяной резервуар (29 образцов). Среднее значение теплопроводности сухих горных пород составляет 1.47 Вт/м °C, среднее значение удельной теплоемкости — 754 кДж/кг °C, воспроизводимость оценивания — 2.2% для теплопроводности и 0.7% для удельной теплоемкости.
DOI: 10.7868/S0203030614050046
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторное определение тепловых и петро-физических свойств горных пород является фундаментальной задачей геотермальных исследований, так как на этих параметрах основываются различные геодинамические модели, подсчет геотермальных ресурсов и эксплуатационных запасов геотермальных месторождений, модели тепломас-сопереноса и различные технологии, связанные с извлечением и закачкой флюидов (пара, воды, нефти, газа и др.), особенно в подземных резервуарах трещинно-блокового строения. В 1980-ые годы В.М. Сугробовым и Ф.А. Яновским [Яновский, 1989] в Институте вулканологии ДВО АН СССР было налажено лабораторное измерение коэффициента теплопроводности горных пород и проанализировано более 200 образцов. По этим данным теплопроводность вулканогенно-осадочных пород из керна скважин Камчатки изменяется от 1.0 до 2.4 Вт/м °С. Вместе с тем, при оценке геотермальных ресурсов Камчатки В.М. Сугробовым удельная тепловая емкость флюидона-сыщенных горных пород принималась равной 2.5—2.7 Дж/см3 °С по литературным данным, что снижает достоверность выполненных оценок.
Теплофизические свойства горных пород необходимы также для понимания механизма формирования нефтяных вулканогенных резервуаров, обнаруженных в последние годы в Западной Сибири, и организации их рациональной эксплуатации (при вытеснении исходной нефтяной фазы закачкой воды). Одним из таких резервуаров является Рогожниковский нефтяной вулканогенный резервуар [Чирков и др., 2011], сложенный
пермо-триасовыми вулканогенными породами, характеризующийся гидротермальной деятельностью с температурой 120—140°С и давлением 310-320 бар.
Используемый метод определения коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости горных пород базируется на приложении инверсионного моделирования 1ГОиОН2 к зондовому прослеживанию распространения и релаксации фронта температурной волны в исследуемом образце.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Образцы для исследований получены из керна скважины Рогожниковской нефтяной вулканогенной залежи с глубины 2580-2800 м. Геохимические свойства Рогожниковских вулканогенных пород описаны в [Шадрина, 2009], они охарактеризованы как риолитовые туфы, лавы и брекчии, состоящие из следующих основных минеральных фаз: кварц (объемная фракция 27%), К-полевой шпат (23%), альбит (28%). Оптические петрологические исследования показывают значительные гидротермальные изменения.
В качестве исходных данных для выполнения измерений коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости использовались образцы, представляющие собой цилиндры со средним диаметром 50 мм и средней высотой 50 мм. Для каждого образца в Тюменьском отделении Сургутского научно-исследовательского института нефтяной промышленности (ТО СургутНИПИНефть) предварительно выполнено определение минеральной и объемной плотности, пористости и проницае-
Термозонд
Рис. 1. Лабораторная установка.
мости (средняя пористость и проницаемость — 0.17 и 1.78 мД соответственно) (табл. 1).
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И УДЕЛЬНОЙ ТЕПЛОЕМКОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД
Лабораторная установка состоит из четырех независимых маломощных теплоизолированных нагревателей (тепловые ячейки) мощностью менее 12 Вт (рис. 1), в которых помещаются стандартные цилиндрические образцы горных пород. На рис. 2 изображено устройство индивидуальной тепловой ячейки, использующейся для лабораторных испытаний.
Нагрев осуществляется с нижней торцевой части, которая однородно зачернена (сажа). Измерение температуры производится в верхней торцевой части через отверстие диаметром 2.4 мм и глубиной 10 мм при помощи четырех цифровых термометров Шок 3447-01 (точность измерения температуры 0.1°С). (рис. 3, 4) Для улучшения термоконтакта зонда использовалась теплопро-водящая паста КПТ-8 (коэффициент теплопроводности пасты при 20°С не менее 0.7 Вт/м °С).
Для обеспечения постоянной начальной температуры эксперимента установка с образцами и регистрирующими термометрами выстаивалась в течение 18 ч до начала эксперимента в специальном подземном лабораторном помещении, в котором обеспечивались минимальные суточные колебания температуры (не более 0.5°С). Реги-
Нагреватель
Рис. 2. Тепловая ячейка.
страция температуры термозондом осуществлялась с временным интервалом 10 с, начиналась за 5 мин до включения нагревателя (регистрировалась начальная температура образца), затем на 10 мин включался тепловой источник и регистрировалось прохождение температурной волны через образец, далее регистрировалось восстановление температуры в течение 3-х ч.
Рис. 3. Конфигурация лабораторной установки: 1, 2, 3, 4 — номера тепловых ячеек. Черные кружки — нагреватели, серые участки — теплоизоляция, крестики — термозонды.
и £
с и о м К
S
о и
к<
о 2 о Й
о —
£
о
COLUMNS I = 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
LAYERS
К = 1 А1 1 А1 2 А1 3 А1 4 AI 5 AI 6 AI 7 AI 8 AI 9 AI 10 AI 11 AI 12
К = 2 А2 1 А2 2 А2 3 А2 4 A2 5 A2 6 A2 7 A2 8 A2 9 A2 10 A2 11 A2 12
К = 3 A3 1 A3 2 A3 3 A3 4 A3 5 A3 6 A3 7 A3 8 A3 9 A3 10 A3 11 A3 12
К = 4 А4 1 А4 2 А4 3 А4 4 A4 5 A4 6 A4 7 A4 8 A4 9 A4 10 A4 11 A4 12
К = 5 А5 1 А5 2 А5 3 А5 4 A5 5 A5 6 A5 7 A5 8 A5 9 A5 10 A^ 11 A5 12
К = 6 А6 1 А6 2 А6 3 А6 4 A6 5 A6 6 A6 7 A6 8 A6 9 A6 10 Afi 11 A6 12
К = 7 А7 1 А7 2 А7 3 А7 4 A7 5 A7 6 AI 7 A7 8 A7 9 A7 10 A7 11 A7 12
К = 8 А8 1 А8 2 А8 3 А8 4 A8 5 A8 6 A8 7 A8 8 A8 9 A8 10 A8 11 A8 12
К = 9 А9 1 А9 2 А9 3 А9 4 A9 5 A9 6 A9 7 A9 8 A9 9 A9 10 A9 11 A9 12
К = 10 АА 1 АА 2 АА 3 АА 4 AA 5 AA 6 AA 7 AA 8 AA 9 AA 10 AA 11 AA 12
К = 11 АВ 1 АВ 2 АВ 3 АВ 4 AB 5 AB 6 AB 7 AB 8 AB 9 AB 10 AB 11 AB 12
К = 12 АС 1 АС 2 АС 3 AC. 4 AC 5 AC 6 AC 7 AC 8 АС. 9 AC 10 AC 11 AC 12
К = 13 AD 1 AD 2 AD 3 AD 4 AD 5 AD 6 AD 7 AD 8 AD 9 AD 10 AD 11 AD 12
К = 14 АЕ 1 АЕ 2 АЕ 3 АЕ 4 AE 5 AE 6 AE 7 AE. 8 AE 9 AE 10 AE. 11 AE 12
К = 15 AF 1 AF 2 AF 3 AF 4 AF 5 AF 6 AF 7 AF 8 AF 9 AF 10 AF 11 AF 12
К = 16 AG 1 AG 2 AG 3 AG 4 AG 5 AG 6 AG 7 AG 8 AG 9 AG 10 AG 11 AG 12
К = 17 АН 1 АН 2 АН 3 АН 4 AH 5 AH 6 AH 7 AH 8 AH 9 AH 10 AH 11 AH 12
К = 18 AI 1 AI 2 AI 3 AI 4 AI 5 AI 6 AI 7 AI 8 AI 9 AI 10 AI 11 AI 12
К = 19 AJ 1 AJ 2 AJ 3 А.Т 4 AJ 5 AJ 6 AJ 7 AJ 8 AJ 9 AJ 10 AI 11 AJ 12
К = 20 АК 1 АК 2 АК 3 АК 4 AK 5 AK 6 AK 7 AK 8 AK 9 AK 10 AK 11 AK 12
К = 21 AL 1 AL 2 AL 3 AL 4 AL 5 AL 6 AL 7 AL 8 AL 9 AL 10 AL 11 AL 12
К = 22 AM 1 AM 2 AM 3 AM 4 AM 5 AM 6 AM 7 AM 8 AM 9 AM 10 AM 11 AM 12
К = 23 AN 1 AN 2 AN 3 AN 4 AN 5 AN 6 AN 7 AN 8 AN 9 AN 10 A\ 11 AN 12
к = 24 АО 1 АО 2 АО 3 AO 4 AO 5 AO 6 AO 7 AO 8 AO 9 AO 10 AO 11 AO 12
к = 25 АР 1 АР 2 АР 3 AP 4 AP 5 AP 6 AP 7 AP 8 AP 9 AP 10 AP 11 AP 12
к = 26 AQ 1 AQ 2 AQ 3 AQ 4 AQ 5 AQ 6 AQ 7 AQ 8 AQ 9 AQ 10 AQ 11 AQ 12
S
со
м '-в
m Д
н
и g
О =
is О со О Й Я о о н К
£ tr
к
о S
н
и g
о
и §
о н S
Рис. 4. Геометрия вычислительной сетки, использующейся для моделирования прохождения температурного фронта в цилиндрическом образце. На верхнем торце показано местоположение зонда термометра, использующегося для регистрации температурного фронта, перемещающегося от теплового источника, размещенного в нижнем торце образца. Вычислительная сетка состоит из 26-ти горизонтальных слоев (LAYERS) и 12-ти радиальных зон (COLUMNS).
to
чо
Таблица 1. Оценка теплопроводности Х'г (Вт/м °С) и удельной теплоемкости С'г нефтяного резервуара
(кДж/кг °С) образцов горных пород Рогожниковского вулканогенного
№ образца Описание образцов Ф Рд к С1 С2 С3 Среднее значение
С, С,
1 Сфералоидный эффузив со слабым запахом нефти 12.2 2.64 0.26 1.66 828 1.67 828 1.67 828 0.007 0.4
3 Кластолава неравномерно кавернозная с запахом нефти 16.4 2.63 0.95 1.48 766 1.48 761 1.48 764 0.0001 4.1
5 Эффузивная порода интенсивно нефтенасыгценная 18.95 2.59 19.50 1.46 804 1.46 800 1.47 801 1.46 802 0.006 2.1
6 Эффузивная порода кислого состава неравномерно нефтенасыгценная 10.4 2.64 0.10 1.71 723 1.86 735 1.79 729 0.106 8.3
8 Кластолава участками сильно кавернозная с запахом нефти 16 2.65 0.15 1.6 723 1.6 725 1.6 724 0.0001 1.6
9 Кластолава участками пористо-кавернозная с запахом нефти 19.2 2.6 1.95 1.39 753 1.46 758 1.43 756 0.049 3.6
10 Кластолава неравномерно кавернозная с запахом нефти 16.1 2.62 0.72 1.58 755 1.58 755 1.58 755 0.0001 0.1
11 Эффузивная порода кислого состава неравномерно слабо нефтенасыгценная 15.49 2.6 0.42 1.55 779 1.55 782 1.54 772 1.55 778 0.006 5.1
13 Кластолава участками сильно кавернозная с запахом нефти 16.7 2.61 0.12 1.56 772 1.58 779 1.57 776 0.014 4.8
14 Кластолава неравномерно нефтенасыгценная 17.2 2.63 0.15 1.66 881 1.66 881 1.66 881 0.0001 0.2
16 Кластолава неравномерно кавернозная с запахом нефти 8.8 2.36 0.66 1.41 769 1.44 778 1.43 774 0.021 6
17 Эффузивная порода кислого состава прослоями крупнопористая со слабым запахом нефти 10.51 2.61 0.22 1.58 724 1.54 727 1.57 727 1.56 726 0.021 1.7
18 Кластолава со слабым запахом нефти 14.9 2.64 0.35 1.53 736 1.53 730 1.53 733 0.0001 4.5
1
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.