Лабораторная установка для исследования тепловых свойств пород нефтяных и битумных месторождений

6. Сухарев Г.М., Власова С.П. О зависимости теплофизических свойств горных пород от их минералого-петрографического состава, влажности и плотности // Известия высших учебных заведений. 1967. № 5. С.29-31.

7. Durham W.B., Mikrovich V.V., Heard H.C. Thermal Difusivity of Jgneaus Rocks and Elevated Pressure and Temperature// J.Geopys.Res. 1987. Vol. 92, №11. P.11615-11634.

Поступила в редакцию 19.05.05.

А.А. Lipaev, R. G. Minniahmetov, I.I. Mannanov, O.M. Mirsaetov, R.B. Abashev Laboratory device for studying of the thermal properties of oil and bitumen deposits

This article deals with the description of the design features of the created laboratory devices by definition of thermal properties of bitumen deposits on the basis of periodic heating methods. It is shown the distinctive features of devices connected with a condition of a sampled core. The whole representation of a measurement technique is given, and questions of errors of researches are reflected. The analysis of thermal properties of investigated bitumen samples has been described which based on Morzhdovo -Karmalskogo bituminous deposit. The usage of basic moments of the data researches has been characterized.

Липаев Александр Анатольевич Минниахметов Рустам Г алиахметович Маннанов Ильдар Илгизович Мирсаетов Олег Марсимович Абашеев Рашид Баширович Удмуртский государственный университет 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1

образом, водонасыщенные песчаники имеют лучшие теплофизические характеристики, с точки зрения теплового воздействия.

Аналогично, как и для глинистых пород, отмечаются случаи уменьшения теплопроводности песчаных пород, подвергавшихся внутрипластовому горению до значений 0,504 - 0,804 Вт/ (мК). Это, на наш взгляд, связано с явлениями фазовых изменений в порах и самом скелете, выгоранием органической части пласта (битума) и, как следствие, уменьшением тепловых контактов в образце породы. К тому же при температурах внутрипластового горения происходят не только фазовые изменения, но и перекристаллизация самих минералов пород.

Характеристика карбонатных пород. Образцы известняков характеризуются как глинистые, органогенные, иногда битуминозные, сухие или влажные. Интервалы изменения их X , а и С составили:^ -1,284 -1,82 Вт/(мК) а-(4,69-6,13)10-7м2/с С-(2,37- 3) Дж/(м3К).

Опытно-методические работы по применению тепловых методов осуществлялись на различных месторождениях нефти и природных битумов Татарстана, Башкортостана, Республики Коми, Казахстана, Азербайджана, Украины, Краснодарского края. Изучение тепловых свойств породы является определяющим при проектировании методов воздействия на битумные пласты.

Экономичность теплового воздействия на пласт во многом определяется эффективным использованием тепла, вносимого в пласт, существенно зависит от потерь тепла в кровлю и подошву пласта. Поскольку потери значительно возрастают в процессе эксплуатации, то оценка и создание зон, наиболее привлекательных для ввода тепла в пласт, являются актуальной задачей.

Несомненно, результаты изучения тепловых свойств пород Мордово-Кармальского битумного месторождения и установки для их определения позволят более детально подойти к исследованию процессов распространения тепла в битумном пласте.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кравчук Е.М. О некоторых возможностях измерения теплофизических характеристик с помощью методов плоских температурных волн // Инженернофизический журн. 1996. Т.11, №3. С.349-353.

2. Липаев А.А Теплофизические исследования в петрофизике. Казань: Изд-во Казан. ун-та,1993. 150 с.

3. Липаев А.А., Гуревич В.М., Липаев С.А. Тепловые свойства горных пород нефтяных месторождений Татарстана: Справочник. Казань, 2001. 205 с.

4. Николаев С.А., Николаева Н.Г., Саламатин А.Н. Теплофизика горных пород. Казань, 1987. 150 с.

5. Стерленко З.В. Влияние веществ, заполняющих поры, на тепловые свойства песчаников // Геология нефти и газа. 1973. № 4. С.25-31.

состава характеризуются наиболее высокими значениями тепло- и температуропроводности. Наличие в алевролитах и песчаниках зерен ангидрита, кальцита, агрегатов пирита приводит к повышению их теплопроводящих свойств.

Песчаники и алевролиты полимиктового состава обычно обладают значительно меньшими значениями тепло- и температуропроводности. Присутствие глинистого материала в алевролитах и песчаниках приводит к значительному снижению их теплопроводности.

Присутствие среднезернистой фракции в мелкозернистых песчаниках, даже при невысокой плотности 2100-2300 кг/м3, обусловливает более высокие значения коэффициентов тепло- и температуропроводности.

В песчаниках, где присутствует меньшее количество частиц, но более крупных по размеру, большая часть теплового сопротивления приходится на твердые частицы, теплопроводность которых выше теплопроводности воды и воздуха [6].

Образцы песчаных пород характеризуются как битумонасыщенные (в 65,6 % случаев); остаточно-битумонасыщенные (14,4 %); водонасыщенные (12,4%); мелко-зернистые (6,2 %); крепко-цементированные (3,1 %); слабо-цементированные (3,1%); плотные (1%); сильно-известковистые или известковистые (3,1%); пиритизированные, разнозернистые (19,6%); крупноразнозернистые (5,1%); глинистые (1 %); с запахом гари (2,1%); обугленные (1 %). Выделены три типа песчаных пород, различающихся следующими интервалами изменения их тепловых свойств:

1) 0,804 - 1,304 Вт/ (мК); (2,34 - 6,24)10-7 м2/с; 1,45 - 2,20 Дж/(м3К);

2) 1,404 - 1,604 Вт/ (м К); (4,44 - 8,94)10-7 м2/с; 1,75-2,15 Дж/(м3- К);

3) 1,704 - 2,504 Вт/ (м- К); (3,84 - 9,24)10-7 м2/с; 1,35 -2,15 Дж/(м3К).

В одном случае выявлено повышение показания теплопроводности для образца сильно пиритизированного песчаника до значения 4,5 Вт/(м-К).

Наряду с влиянием минералогического состава пород на тепловые свойства хорошо просматривается зависимость тепловых свойств от характера насыщения и пористости. Данная зависимость хорошо согласуется с исследованиями, проведенными в работе [4]. Авторами этой работы получена зависимость теплопроводности от пористости в виде линейной регрессии 1 = —0,055кп + 2,64 . Однако оценка такой зависимости показала противоречивый результат, в первую очередь связанный с неучетом характера насыщения.

Так, теплопроводность песчаника, насыщенного водой, в 1,5-2 раза больше теплопроводности насыщенного битумом, температуропроводность соответственно - в 1,2-1,4 раза, а удельная массовая теплоемкость — в 1,2-1,5 раза. Уменьшение коэффициентов теплопроводности и теплоемкости связано с тем, что теплопроводность у битумов и нефтей примерно в 4 раза, а удельная теплоемкость в 1,02 — 1,5 раза меньше, чем у воды [5]. Таким

зоне естественного отбора, показал значительную изменчивость коллекторских и теплофизических свойств пород. Анализу подверглись породы, представленные песчанниками шешминского горизонта уфимского яруса, глинистыми породами, в том числе «лингуловыми» глинами и «средне-спириферовыми» известняками казанского яруса.

Сильная дифференцированность пород Мордово-Кармальского месторождения битумов по физико-химическим свойствам связана с латеральной и вертикальной изменчивостью их плотности, глинистости, известковитости, характера и типа цементирования.

Теплопроводность глинистых пород даже при высокой их плотности ниже таковой для песчаников и алевролитов. Некоторое повышение коэффициентов тепло- и температуропроводности песчанистых и алевритистых глин связано с присутствием более крупных алевритовых и песчаных частиц. Следовательно, при увеличении в породе содержания глинистых и уменьшении песчаных частиц значения коэффициентов тепло-и температуропроводности снижаются.

В породах-покрышках «лингуловые глины» минимальные значения коэффициента теплопроводности (0,77 Вт/(м-К)) соответствует глинам, максимальные - мергелям (1,18 - 1,44 Вт/(м-К)). Коэффициент

температуропроводности имеет менее выраженную дифференциацию (от 4,23 до 6,41- 10 "7 м2/с).

Образцы глин, отобранные для теплофизических измерений, характеризуются как пиритизированные (47,7 % случаев), плотные (15,8 %); известковистые и сильно-известковистые (31,6%), алевритистые (10,5 %), сухие с запахом гари (2 случая); по одному случаю -слабобитумонасыщенные, осколчатые, мергелеподобные и трещиноватые. В одном случае образец глины отобран в зоне перехода к плотным песчаникам. Различие в тепловых свойствах глин объясняется различием их минералогического состава. Выделены два типа глинистых пород, имеющих следующие интервалы изменения тепловых свойств:

1) 0,69-0,89 Вт/ (м-К); (2,88-4,88)-10-7м2/с; 1,398-2,198 Дж/(м3-К);

2) 0,99-1,19 Вт/ (м-К); (4,88-6,88) 10-7м2/с; 1,698-2,398 Дж/(м3-К).

Для образцов глин, примыкавших к зоне внутрипластового горения, отмечается снижение X (от 0,69 - 1,19 до 0,39 - 0,59 Вт/(м-К)) и а (до значений (1,78 - 2,88) - 10-7м2/с).

В зоне закачки пара отмечается увеличение теплопроводности глин (возможно вследствие увлажнения). В дальнейшем при подсыхании глин их X восстанавливается до исходных значений. Отмечены также случаи возрастания С, которая, однако, при подсыхании глин до исходных значений не восстанавливается. Изменение температуропроводности не отмечено.

Образцы песчаников. Разнообразие структурно-текстурных признаков, состава обломочного материала и цемента песчаников и алевролитов обусловили резкое колебание значений теплопроводности от 0,7 до 4,489 Вт/(м-К). Песчаники и алевролиты олигомиктового и мезомиктового

амплитуды. По наступлении квазистационарного режима дифференциальной термопарой 8, рабочий спай которой находится вблизи торца эталона 7, измеряются колебания температуры. Сигналы термопары усиливаются в усилителе постоянного тока (УПТ) до уровня, необходимого для работы самопишущего прибора.

Для проведения измерений и вычисления тепловых параметров используется ЭВМ, которая управляет генератором тепловых колебаний и принимает сигналы термопары через усилитель и аналого-цифровой преобразователь, подключенный к ЭВМ.

Методы регулярного теплового режима 3-го рода в системе контактирующих тел можно отнести к относительным способам измерения тепловых свойств [1;2;7]. Особенностью их является использование в эксперименте эталонов - тел с известными тепловыми характеристиками, которые контактируют с исследуемыми образцами (граничные условия 4-го рода). Согласно граничным условиям тепловые колебания в системе контактирующих тел задаются по косинусоидальному закону. Однако технически проще реализовать колебания прямоугольной формы. Это несколько усложняет обработку результатов измерений, но вместе с тем позволяет получать в эксперименте большую информацию, так как такой сигнал состоит из суммы различных гармоник.

При вычислении тепловых свойств необходимо знать значения амплитуд косинусоидальных колебаний теплового потока, температуры соответствующих гармоник и сдвиг фазы между этими колебаниями. Теплопередача в данной модели подчиняется линейному закону, поэтому частота тепловых колебаний нагревателя и температурных колебаний в эталонном образце является постоянной величиной и определяется периодом колебаний.

Полученные значения амплитуд тепловых и температурных колебаний различных гармоник, а также соответствующих сдвигов фазы используются для вычисления тепловых характеристик исследуемых образцов [2;3].

Общую оценку погрешностей измерительной аппаратуры можно произвести с помощью многократного измерения эталонов. Наиболее часто употребляются в теплофизических измерениях эталоны, выполненные в форме, аналогичной исследуемым образцам, из материалов, свойства которых известны и постоянны при исследуемых термодинамических параметрах.

Согласно метрологическим исследованиям, проведенным на установке, относительная погрешность в определении теплопроводности составляет 5%, температуропроводности - 3%, вычисленной теплоемкости - 6%.

На созданных установках были исследованы свойства пород Мордово-Кармальского месторождения битумов в основном на неконсолидированных образцах.

Анализ исследования кернов, отобранных на опытноэкспериментальных участках закачки пара и внутрипластового горения и в

всестороннего давления 13 с крышкой 16 и затвором 17. На наружной поверхности камеры расположен электронагреватель 14 с терморегулятором, задающим температуру опыта. Всестороннее давление на образец создается вакуумным маслом с помощью насоса высокого давления (НВД), которым оно передается в камеру 13 по трубопроводу 11 с краном 12. Давление в камере контролируется манометром 10.

Рис. 2. Принципиальная схема установки исследования тепловых свойств консолидированных горных пород

В эксперименте на границе сопряжения эталонного тела 4 и образца породы 6 с помощью системы, состоящей из блока питания (БП), генератора тепловых колебаний с делителем частоты и электромагнитным реле ГТК и нагревателя 5, задаются тепловые колебания фиксированной частоты и

Установка (рис.2) для определения теплопроводности и

температуропроводности консолидированных образцов пород при моделировании термобарических условий в диапазоне давлений до 100 МПа и температуры до 1500С также состоит из двух функциональных блоков: технологического и измерительного.

10

Рис.1. Принципиальная схема установки по исследованию тепловых свойств неконсолидированных образцов

Технологический блок предназначен для моделирования термобарических условий, действующих на образец горной породы 6. Блок включает: кернодержатель 1, в котором между подпятниками 3 и 9 находится заключенная в резиновую манжету 15 сжатая пружиной 2 рабочая ячейка, состоящая из эталонов 4 (с размещенным на нем плоским малоинерционным нагревателем из нихромовой фольги 5) и 7 (с

размещенным на нем датчиком - дифференциальной термопарой типа «хромель-копель» 8), образца 6. Кернодержатель размещен в камере

Таблица

Характеристики материалов по тепловым свойствам, которые могут быть использованы в качестве эталонов

Материалы Теплопро- водность Температуро- проводность Тепловая активность Длина, на которой затухают температурные колебания в е3 раз

Полиметил- метакрилат 0,I94 I,I5 0,572 26

Стекло ТФ-1 0,674 4 I,066 50

Стекло КВ I,344 3,3 I,473 70

Кварц кристаллический 7,2I 33,4 3,945 140

Сталь 45,4 I25 I2,84I 270

Бронза 64 208 I4,033 350

Термопара 11 устанавливается в пазы эталона 4 и приклеивается клеем, чтобы обеспечивалась надежная гидроизоляция термопары.

Основное требование, предъявляемое к эталону 1, - это чтобы теплопроводность материала, из которого он изготовлен, была меньше теплопроводности материала эталона 4, но незначительно, что обеспечит разделение теплового потока, большая часть которого будет направлена в образец (это увеличивает информативную часть теплового потока).

На торце эталона 1 устанавливается нагреватель, выполненный из тонкой нихромовой фольги. К выводам нагревателя припаиваются провода, которые через отверстие в подвижном поршне 10 выводятся и подключаются к генератору тепловых колебаний 2. Для контроля над температурой в образце через второе отверстие в поршне к эталону 1 приклеивается один спай дифференциальной термопары термодатчика 14.

Торцы эталонов, соприкасавшихся с образцом, должны быть идеально гладкими, чтобы уменьшить тепловое сопротивление в месте контакта.

Эталон 4 с термопарой склеивается с теплоизолятором для гидроизоляции. При этом рядом с ним устанавливается стальная трубка 9 с внутренним диаметром 1 мм, которая через отверстие в нижней части корпуса и штуцера подключается к насосу малого давления. Трубка предназначена для отвода флюидов и создания пластового давления 13.

целом, при этом диапазон изменения давления и температуры определяется характером решаемых задач и глубиной залегания исследуемых пород.

Неоднородность горной породы, зернистость ее структуры обусловливают «неидеальность» поверхности образца и особые тепловые условия (термические сопротивления) на границах контактов с окружающими его телами и конструктивными элементами измерительной установки. Отсюда - непременное условие теплофизического эксперимента -сведение к минимуму и учет тепловых сопротивлений.

Исследование тепловых характеристик неконсолидированных образцов осадочных пород затруднено тем, что при поднятии на поверхность керн представляет собой рассыпчатую массу, и проводить измерения, моделируя условия пласта, на ранее известных установках практически невозможно. С учетом данной особенности была рассчитана и сконструирована установка, позволяющая исследовать образцы керна при давлениях от 0,1 МПа до 5 МПа, а также неконсолидированные образцы с моделированием условий пласта (рис.1). Так как осевое давление на неконсолидированных образцах равномерно распределяется по объему и создает квазигидростатическое напряжение, была предложена камера высокого давления с жесткими теплоизоляторами, плотно прилегающими к стенкам камеры (рис.1).

Измерение тепловых параметров образцов пород производится по методу температурных волн, где исследуемый образец помечается между двумя полуограниченными, с точки зрения тепловых колебаний, эталонами с различными тепловыми характеристиками [2]. Температурная волна задается в Эталоне 1 и, проходя через образец, регистрируется на эталоне 4. Вся тепловая ячейка - образец и два эталона - помещаются в теплоизолятор.

Особо высокие требования предъявляются к эталону, так как именно на нем регистрируются температурные волны. В качестве эталона можно выбрать материалы, которые представлены в таблице.

Для уменьшения погрешностей измерений тепловых параметров необходимо, чтобы тепловая ячейка имела как можно меньшие размеры по длине, но не менее длины, на которой затухают температурные волны. В то же время эталонный материал должен быть аттестован по тепловым свойствам в диапазоне температур и давлений, использующихся в эксперименте. Всем необходимым требованиям удовлетворяет стекло КВ, которое обрабатывается только алмазными резцами до необходимых размеров.

Лабораторная установка состоит из двух функциональных блоков: технологического (моделирование условий залегания) и измерительного.

Для регистрации температурной волны на эталоне устанавливается дифференциальная термопара 12. Главные требования, предъявляемые к термопаре, - это линейное изменение ТЭДС с увеличением температуры и высокая чувствительность. Наиболее полно удовлетворяет данному требованию термопара хромель-копель.

УДК 550.836+622.276.031.011.436

А.А. Липаев, Р.Г. Миннахметов, И.И. Маннанов, О.М. Мирсаетов,

Р.Б. Абашев

ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ ПОРОД НЕФТЯНЫХ И БИТУМНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Описываются конструктивные особенности созданных лабораторных установок по определению тепловых свойств битумных пород на основе методов периодического нагрева. Приводятся отличительные особенности установок, связанные с состоянием отбираемого керна. Дается представление о методике измерений в целом, отражены вопросы погрешностей исследований. Дан анализ тепловых свойств исследованных битумсодержащих образцов Мордово-Кармальского битумного месторождения. Отражены основные моменты использования данных исследований.

Ключевые слова: лабораторная установка, тепловые свойства, керн, методика измерений, месторождение.

Основным источником достоверной информации о тепловых свойствах горных пород служит лабораторный эксперимент, так как при измерении на лабораторных установках можно моделировать термодинамические условия залегания и создавать экстремальные ситуации для прогнозирования изменения тепловых и других физических параметров пород. Кроме того, в лаборатории возможно комплексное определение физических характеристик, детальное петрографическое изучение пород, получение надежных уравнений корреляции между различными свойствами. Необходимым условием при проведении лабораторных теплофизических исследований образцов пород является моделирование обстановки их естественного залегания.

В массиве горные породы находятся в определенных термодинамических условиях, которые вызывают деформацию породы и изменение ее физических свойств. Разнофазность горных пород требует особых условий отбора и хранения этих образцов и накладывает ограничения на продолжительность опыта и величину максимального температурного возмущения в породе.

Моделирование напряженного состояния консолидированных горных пород осуществляется путем разделения воздействия на флюид, заполняющий поровое пространство породы, от всестороннего давления на внешнюю поверхность образца породы, находящегося в непроницаемой оболочке. Для неконсолидированных образцов для создания горного давления, учитывая их структуру, достаточно осевой нагрузки, которая равномерно распределяется по образцу, создавая гидростатическое давление.

Проблемы теплофизического экспериментирования при имитации условий пласта во многом близки к аналогичным проблемам в петрофизике в