§ 63. Метод естественного теплового поля земли (геотермия)

Данные геотермии имеют важное научное и практическое значение. Они используются для решения многих проблем гео­логии, гидрогеологии, инженерной геологии, ядерной геологии, геофизики, геохимии, мннераловедения и других отраслей.

В нефтяной и газовой геологии и практике промысловых ра­бот геотермия играет особенно большую роль. Естественная температура недр является одним из основных факторов, опре­деляющих условия образования нефти и газа, их миграцию и скопление в виде залежей. От температуры зависят физико-хи­мические свойства и фазовое состояние нефти, газа и воды в пластовых условиях. Точный учет температуры недр необхо­дим при проектировании и осуществлении разработки нефтя­ных и газовых месторождений, при определении термических условий бурения и эксплуатации скважин, проектировании, из­готовлении и эксплуатации термостойкой скважинной аппара­туры и, наконец, при количественной интерпретации данных различных геофизических методов исследования скважин.

Тепловые потоки, наблюдаемые у земной поверхности,— это суммарное проявление многих источников тепловой энергии, основными из которых являются энергия естественных радио­активных превращений и солнечная радиация, а также энергия, освобождающаяся при различных физико-химических процес­сах. В термическом режиме поверхностных слоев основную роль играет солнечная радиация, а тепловое состояние глубинных

слоев земной коры определяется главным образом теплом ра­диоактивных превращений. Тепловой баланс поверхностных слоев зависит главным образом от солнечной радиации.

Солнечное тепло вызывает на земной поверхности и в верх­них слоях литосферы различные биологические, геохимические, геологические и другие процессы. Температурные условия в данном пункте наблюдений обычно характеризуются средне­суточными, среднемесячными и среднегодовыми температу­рами. Если первые два параметра претерпевают значительные измерения, то последний практически постоянен для каждого пункта наблюдения.

В поверхностных слоях Земли наблюдается суточная и го­довая периодичность колебаний температур. Колебания подчи­нены соответствующим законам, и их амплитуды затухают с возрастанием глубины. Слои, в которых амплитуды суточных и годовых колебаний температур становятся меньше погрешно­стей наблюдений, т. е. практически равны нулю, называются слоями постоянных суточных и годовой темпе­ратур. Мощность слоя постоянной суточной температуры не превышает 1—2 м. Слой постоянной годовой температуры /_г, называемый нейтральным слоем, на территории СССР залегает на глубине от 10 до 40 м и для европейской части на­шей страны принимается равным 25 м.

Температура /_г на глубине нейтрального слоя считается равной среднегодовой температуре земной поверхности, кото­рая обычно несколько превышает среднегодовую температуру воздуха. Это превышение на уровне моря равно около 0,8 °С и с увеличением высоты местности на 500—2000 м соответст­венно возрастает на 1—2 °С. Среднегодовая температура по СССР варьирует от —17 °С на Крайнем Севере до 18 °С в Термезе.

Вековые колебания температур происходят в толще земной коры до глубины 1000 м, что подтверждается наличием много­летнемерзлых пород, мощность которых в некоторых районах достигает 700—800 м.

Термический режим глубинных слоев земной коры опреде­ляется внутренним теплом Земли. Ниже глубины залегания нейтрального слоя повсеместно наблюдается закономерное уве­личение температуры с глубиной. Интенсивность возрастания температур характеризуется величиной геотермического градиента

Г = ШМг = <у£,

где — плотность теплового потока.

Величина, обратная геотермическому градиенту, называ­ется геотермической ступенью

Изменение температуры с глубиной в условиях достаточной однородности разреза подчиняется линейному закону

/_н = /_г + /7/ = /_г+///0,

где — температура на глубине нейтрального слоя; И — глу­бина. отсчитываемая от нейтрального слоя.

Важным геотермическим параметром является плотность теплового потока

^ = —= —• (120)

1. £ сШ I Ю ^к

Используя известные значения плотности теплового потока и зная удельное тепловое сопротивление пород, можно по при­веденным формулам определить средине величины Г и в, в до­статочной мере свободные от влияния многих частных факто­ров. Вместе с тем, зная <7 и Г или (? на заданных глубинах, мо­жно получить |. По значениям | можно судить о литологии ис­следуемого разреза.

Геотермический градиент в интервале глубин, доступных современным наблюдениям, варьирует в среднем от 0,67 до 10°С/100 м, геотермическая ступень — от 10 до 150 м/°С. Ма­ксимальные температуры на глубинах порядка 3000—7000 м достигают 200 °С и больше.

Теоретические и экспериментальные исследования позво­лили установить, что распределение регионального естествен­ного теплового поля зависит главным образом от литологиче­ской характеристики разреза, геологического строения и гидрогеологических особенностей района, а также от принад­лежности района к тем или иным крупным структурно-тектони­ческим элементам (щитам, платформам, геосинклиналям).

Литологическое, а в некоторых случаях и стратиграфиче­ское расчленение разрезов скважин основано на пропорцио­нальности геотермического градиента плотности теплового по­тока и тепловом сопротивлении пород.

При практических расчетах значение геотермического гра­диента определяется величиной изменения температуры, отне­сенной к интервалу 100 м:

г *2 — *1

- и н ¹⁰⁰' ^(,21)

2 *“* Ч X

где 1'2 и /1—температуры пород, зарегистрированные на глуби­нах И₂ и Н\.

Геотермограмма предварительно разбивается на отдельные участки с близкими значениями градиентов температуры, за­тем в этих интервалах проводятся линии, усредняющие кривые гсотермограммы, и далее с помощью формулы (121) рассчиты­ваются величины Г по разрезу скважины (рис. 120). Геотермическая ступень

б = (Я₂—Я1)/(/₂—/*).

Местные тепловые поля могут возникать в скважинах по многим причинам и обычно бывают приурочены к нефте­носным и газоносным гори­зонтам, галогенным осадкам, сульфидным залежам и к угольным пластам.

Т

Рис. 120. Пример обработки гсотер- мограммы.

/ — расчетные уроки и геотермического градиента; 2 — фактическая геотермо- грамма; 3 — усредненная гсотермограмма

епловые поля в нефтенос­ных и газоносных горизонтах образуются при вскрытии и разработке пластов. При этом изменение температуры обус­ловлено дроссельным и кало­риметрическим эффектами. Дроссельный эффект (эффект Джоуля—Томсона) при по­ступлении газа в скважину вызывает резкое снижение температуры. Движение нефти за счет дроссельного эффекта создает положительные ано­малии на фоне изменения гео­термического градиента.

Тепловые поля в галогенных отложениях (каменная соль, сильвин и др.) обусловлены эндотермическими реакциями рас­творения солей в промывочной жидкости, заполняющей сква­жину. На термограммах галогенные отложения выделяются аномалиями пониженных температур.

В рудных, особенно в сульфидных, залежах тепловые поля образуются в процессе экзотермических реакций окисления, протекающих под влиянием циркуляции поверхностных вод и промывочных жидкостей. Окисляющиеся сульфидные тела, вскрытые скважинами, являются источниками тепла, поэтому на термограммах против рудных тел могут наблюдаться ано­малии повышенных температур.

Тепловые поля в интервалах залегания угольных пластов связаны с процессами окисления углей и содержащихся в них сульфидов под влиянием циркулирующих подземных вод и промывочных жидкостей. Угольные пласты отмечаются анома­лиями повышенной температуры.

Распространение местных тепловых полей, созданных экзо­термическими и эндотермическими процессами на поверхности раздела скважина — пласт в непосредственной близости от сте­нок скважины, близко к отдаче или поглощению тепла цилинд­рической поверхностью, находящейся при постоянной темпера­туре.

Естественное тепловое поле Земли в скважине нарушается рядом факторов: циркуляцией промывочной жидкости в про­

цессе бурения, самим процессом бурения, конструкцией сква­жины и ее цементированием, притоками и затрубной циркуля­цией вод, климатическими, геоморфологическими условиями земной поверхности.

Для определения величины геотермического градиента в скважине необходима специальная ее подготовка. Особые требования к подготовке скважины — обеспечение условий установившегося режима и предупреждение возможных иска­жений теплового поля Земли.

Из теории метода искусственного теплового поля известно, что для оценки времени выдержки скважины, обеспечивающего установление в ней термического равновесия между промывоч­ной жидкостью и окружающими породами, можно использо­вать соотношение

Д/ = Д/₀[1—ехр (— с/с/16 ах)], (122)

где Д/о — разность температур промывочной жидкости и пород в начальный момент времени; Д/ — то же, но по истечении вре­мени т; (1_С — диаметр скважины.

Из соотношения (122) следует, что время выдержки сква­жины для установления теплового режима прямо пропорцио­нально температуропроводности а и зависит от разности темпе­ратур промывочной жидкости и пород в начальный момент вре­мени. Если принять точность измерений температур ±0,5 °С, а первоначальные разности температур Д/₀, равные 5—100 °С, то для с1_с = 100350 мм величина т изменяется от 0,5 до 125 сут. В среднем для глубоких скважин т= 10-^20 сут, для крслиус- иых скважин — от 2 до 3 сут.

Аппаратура для измерения температуры

Электрический термометр сопротивления является основ­ным прибором для измерения температур в скважинах. Его действие основано на изменении сопротивления металлического проводника с изменением температуры;

Я,«1*_1п\\ +а{(—1₀)1

где /?,, — сопротивления проводника при некоторой началь­ной температуре /₀ и измеряемой температуре /; а — темпера­турный коэффициент; его значение для меди составляет

1. 004 °С-^!.

По величине можно определить температуру среды в скважине.

Обычно в скважинных электрических термометрах сопро­тивлений используется мостовая схема для трехжнльного и одножильного кабелей. В схеме для трехжнльного кабеля все четыре плеча мостовой схемы расположены в скважинном при­боре, а в схеме для одножильного кабеля одно чувствительное плечо моста смонтировано в скважинном приборе, а три плеча — на поверхности.

В мостовой схеме термометра с трехжильным кабелем (рис. 12!, а) плечи И2 и /Н являются инертными с весьма ма­лым температурным коэффициентом, а плечи /?/ и —чувст­вительными со значительным температурным коэффициентом. Инертные плечи изготовляются из манганина или константана [а= (1-*-3)* 10^-5 °С“¹], чувствительные —из меди. Питание мо­ста обеспечивается с поверхности постоянным током, обратным проводом служит земля. В другой диагонали моста между точками М и А' измеряется разность потенциалов АО, пропор­циональная изменению температуры среды в скважине и ча­стично скомпенсированная градуированным компенсатором по­ляризации (ГКП).

Сопротивления инертных плеч практически при любой тем­пературе не изменяют своей величины и равны друг другу, т. е. При некоторой температуре /₀ наблюдается рав­

новесие моста, т. с. соблюдается условие При

п

■

Рис. 121. Схемы измерения температур в скважине электрическими термо­метрами на трехжильном (а) и одножильном (6) кабелях и электрическими термометрами типа ТЭГ (в)

этом температуре разность потенциалов между точками М и N равна нулю.

Измеряемая температура

*_в/₀+.Х^~*₀+с-^,

/?₀а / /

где С=2//?<₀«— постоянная термометра (/?/₀—сопротивление при /₀).

Определение постоянной термометра С и температуры /₀ равновесия моста производится путем градуирования электри­ческого термометра с помощью точного ртутного термометра. Градуировка производится в термостате с обогревом при изме­нении температуры воды от 10 до 80 °С и выше через каждые 10—15 °С. Кривые градуирования термометра Д{У=/(/) сни­маются при паспортном токе, например при 10, 20 или 40 мА. Точка пересечения кривой Д{/*=/(/) с ординатой Д£/=0 дает значение /о. Для определения постоянной электрического тер­мометра выбирают два значения температуры — /1 и и на кривой Д£/=/(0 отмечают соответствующие им значения раз­ности потенциалов Д(Л и Д(У₂, затем рассчитывают С по фор­муле

и

/.

—и

Д(/₂ —Д(У,

Каждый электрический термометр сопротивления характе­ризуется постоянной времени термометра, показывающей в ка­кое время он, будучи перемещен из одной среды в другую, вос­примет ²/₃ разности температур этих сред. Постоянная времени характеризует тепловую инерцию термометра и изменяется для разных типов электрических термометров от 0,5 до 3 с.

В электрических термометрах для работы с одножильным кабелем сопротивление с большим температурным коэффици­ентом (Я, = 2000 Ом при 20 °С) содержится в скважинном при­боре, остальные элементы мостовой схемы расположены на по­верхности (рис. 121, б). Равновесие моста достигается сопро­тивлением к2, на котором можно непосредственно отсчитать температуру /. Сопротивлением 113 регулируется масштаб записи.

В электронном термометре типа ТЭГ для одножильного ка­беля сопротивление с большим температурным коэффициентом является плечом моста, расположенного в скважинном приборе. Мост питается переменным током. Термометры типа ТЭГ рабо­тают на основе электронного генератора, находящегося в сква­жинном приборе. Изменение сопротивления чувствительного плеча за счет вариаций температуры воздействует на 1}С-гене- ратор, изменяя его частоту. Частота генератора регулируется цепыо ИС, содержащей два термочувствительных резистора /?₍ и две термостатированные емкости С (рис. 121, в). Период

автоколебаний генератора /?С зависит от сопротивлений /?* и, следовательно, от температуры среды, в которую помещены ре­зисторы /?<.

В некоторых скважинных приборах находится переключа­тель, который по сигналу с поверхности подключает к КС-гене- ратору Г вместо термочувствительных резисторов эталонные со­противления, соответствующие температурам 20 и 100 °С, по которым производится калибровка аппаратуры. На поверхности длительность периода колебаний тока генератора измеря­ется с помощью частотометра Ч, выходное напряжение кото­рого пропорционально длительности периода колебаний, а зна­чит и температуре. Напряжение на выходе частотомера наблюдается визуально с помощью измерительного прибора ИП и записывается регистрирующим прибором РП. Пределы измерения температур устанавливаются с помощью потенцио­метра.

Система для измерения температуры с предварительным преобразованием ее в частоту тока характеризуется высокой помехоустойчивостью, поскольку частота сигнала, определяю­щая измеряемую величину, практически не зависит от пара­метров кабеля и наличия помех в самой системе.

Скважинный прибор питается от стабилизированного источ­ника постоянного тока с напряжением 250 В через балластное сопротивление #6. Электронная схема скважинного прибора за­ключена в стальной герметизированный кожух со свечным мо­стом для присоединения кабельного наконечника. Термочувст­вительные резисторы /?, размещены в нижней части скважин­ного прибора в медных трубках и контактируют с промывочной жидкостью.

При термических исследованиях измеряются глубинные температуры или относительные приращения температур на за­данных глубинах, поэтому термометрия включает следующие способы изучения тепловых полей: 1) обычная термометрия (в °С)—измеряется истинное абсолютное значение темпера­туры в функции глубины или времени; 2) градиент-термомет­рия (в °С/м)—измеряется разность температур Д/ в двух точ­ках, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга (шаг градиент-термометра); 3) аномалий-тсрмомстрня (Д/ в °С)—измеряется отклонение температуры от некоторого среднего значения на данной глубине. Два последних способа называются дифференциальной, или детально й, тер­мометрией.

Термограммы обычно используются при решении геологи­ческих и технических задач, для которых достаточна точность исследования теплового поля 0,25—0,50 °С. Аномалий- и гра- диент-термограммы регистрируются с целью обнаружения не­значительных отклонений температуры (порядка десятых и со­тых долей градуса Цельсия) при решении некоторых задач нефтегазопромысловон геологии. При этом аномалий-термо- граммы дают наглядное представление о форме и амплитуде отклонения аномалии температуры, а градиент-термограммы позволяют более точно определить месторождение границ ано­мальных зон. Для этой же цели могут быть использованы и термограммы, зарегистрированные с помощью термометров вы­сокой чувствительности (высокочувствительная термометрия) в детальных масштабах температур (0,05—0,10 °С на 1 см). Такие термограммы для удобства обращения и интерпретации графически или с помощью специальных устройств в процессе регистрации преобразуются в градиент- или аномалий-термо­грамм ы.

Области применения метода естественного теплового поля Земли и решаемые им геологические задачи

Распределение естественного теплового поля в толще зем­ной коры зависит главным образом от литологического, текто­нического и гидрогеологического факторов, на изучении кото­рых основано решение следующих задач.

2. Лнтолого-тектонические и гидрогеологические задачи ре­гиональной геологии. Эти задачи решаются путем определения основных геотермических параметров, к которым относятся ге­отермический градиент, геотермическая ступень и плотность теплового потока. Эти параметры позволяют: 1) определять естественную температуру пород на заданной глубине; 2) кор­релировать разрезы скважин при региональных исследованиях;

3. прогнозировать тектоническое строение территории, не изу­ченной с помощью бурения; 4) получать гидрогеологическую и мерзлотную характеристики исследуемых районов. Для реше­ния этих задач обычно используют термограммы естественного теплового поля.

3. Детальное исследование разрезов скважин. При решении этой задачи используются также материалы других геофизиче­ских методов. Для этой цели определяют тепловые свойства пород (теплопроводность или тепловое сопротивление и темпе­ратуропроводность) но данным термических исследований скважин с установившимся или неустановившимся тепловым режимом.

Тепловые характеристики в комплексе с другими петрофизи- ческими параметрами пород позволяют решать следующие задачи: 1) литологическое расчленение разрезов скважин;

2. выявление коллекторов; 3) поиски полезных ископаемых. На­иболее целесообразно привлекать данные термометрии для изу­чения глинистых покрышек, поисков коллекторов в карбонатных отложениях, определения газоносности карбонатных и тонко­слоистых песчано-глинистых комплексов. Для этого необхо­димы диаграммы детальной термометрии.

Метод основан на изучении распределения во времени теп­лового поля, искусственно созданного в скважине, и на разли­чии тепловых свойств изучаемых сред, в частности температу­ропроводности.

Искусственное поле в скважине может быть создано путем заполнения ее промывочной жидкостью с температурой, отли­чающейся от температуры пород, и путем нагревания промы­вочной жидкости при экзотермической реакции схватывания це­мента при цементировании затрубного пространства.

Процесс остывания или нагревания промывочной жидкости, заполняющей ствол скважины и имеющей в начальный момент времени температуру /₂+Д/о> отличную от температуры иссле­дуемых пород, до известной степени подобен остыванию или нагреванию в безграничной среде цилиндра бесконечной длины и конечного диаметра, заполненного средой, температура кото­рой в начальный момент времени постоянна.

Решение дифференциального уравнения теплопроводности (117) для указанного случая дано А. И. Заборовским, а также В. И. Дахновым и Д. И. Дьяконовым. Формула (122) харак­теризует процесс остывания или нагревания ствола скважины,

к

}* О’ ЕЗ*

Рис. 122. Термограммы ис­кусственного теплового поля (по В. Н. Дахвову).

огда все исследуемое простран­ство, включая скважину и породы, однородно и изотропно. По этой формуле рассчитываются кривые изменения во времени разности температур промывочной жидкости. Из теоретических расчетов следует, что чем выше температуропровод­ность и ниже удельное тепловое сопротивление пород, тем быстрее изменяется со временем темпера­тура промывочной жидкости в скважине. Различие интенсивно­сти теплообмена между глинистым раствором и разными горными по­родами и определяет возможность применения метода для изуче­ния геологических разрезов сква­жин.

Н

/ - кривая температур при /_р>/_пл ; // — то же. при /р«_пл./— глина: 2 — известняк; 3 — песок; 4 — ан­гидрит

а кривых термометрии искус­ственного поля породы пласта с температуропроводностью, отли­чающейся от температуропровод­ности вмещающих отложении, вы­деляются аномалиями температур. Если температура промывочной жидкости /р меньше температуры

пород /_п (¿р<*„), ^то породы низкого удельного теплового со­противления отмечаются на термограмме аномалиями понижен­ных температур, а породы высокого теплового сопротивления — аномалиями повышенных температур. Обратная картина на­блюдается в случае /_р>/_п (рис. 122).

Нестационарные тепловые поля в бурящихся, нагнетатель­ных и эксплуатационных скважинах характеризуют различные эндо- и экзотермические, газогидродинамические и другие про­цессы, происходящие в стволе скважины и в окружающих ее породах.

Метод искусственного теплового поля позволяет решать сле­дующие задачи: 1) определение термодинамических и газогид­родинамических характеристик эксплуатируемых объектов; ос­новная цель этих работ — контроль разработки нефтегазовых месторождений и подземных хранилищ газа; 2) изучение тех­нического состояния скважин.