7.1. Метод естественного теплового поля Земли (геотермия)

Тепловые потоки, наблюдаемые у поверхности Земли - 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. Тепловой баланс поверхностных слоев зависит главным образом от величины солнечной радиации.

Геотермическими исследованиями установлено, что на континентах температура пород до глубин 10-40 м подвержена периодическим (суточным, сезонным и годовым) колебаниям, связанным с изменением интенсивности солнечного излучения. Слой, в котором колебания суточных и годовых температур становятся не значительными, называют нейтральным слоем. Для европейской части СНГ глубина его залегания принимается равной 25 м (для наших районов она  19-20 м).

Ниже нейтрального слоя повсеместно наблюдается закономерное повышение температуры с глубиной, определяемое внутренним теплом Земли. Интенсивность повышения температуры с глубиной определяется величиной геотермического градиента:

Г=dt/dz=q* [град./м].

Величина, обратная геотермическому градиенту, называется геотермической ступенью:

G=1/Г=1/q*С [М/Град.]

В практике значение геотермического градиента определяется величиной изменения температуры, отнесенной к интервалу 100 м:

Г=(t₂-t₁)/(H₂ – Н₁)*100, где

t₂ и t₁ - температуры пород, зарегистрированные на глубинах Н₂ и H₁. Поскольку при постоянстве теплового потока q геотермический градиент пропорционален

Район	Геотерм. ступень, м./град	Геотерм. град., град./100 м
Северный Кавказ	12.0	9.3
Донбасс	32,2	3,1
Эмба	33,3	3,0
Западная Украина	42,9	2,3
Белоруссия	86,5	1,2

сопротивлению пород , то его величина может быть использована для литологического расчленения разреза скважин. При этом изучение тепловых свойств горных пород возможно как в обсаженных, так и в необсаженных скважинах. Это объясняется тем, что тепловое сопротивление металлов мало по сравнению с тепловым сопротивлением горных пород (например, тепловое сопротивление железа в 40-80 раз ниже, чем глин).

При скважинных измерениях температур приходится измерять не температуру горных пород, а температуру бурового раствора. Это требует специальной подготовки скважины:

1) Тщательной промывки (удаления шлама) в течение нескольких часов.

2) Заполнения скважины качественным буровым раствором (с малой скоростью осаждения глинистых частиц). Чистую воду использовать нельзя из-за интенсивных процессов конвекции, поэтому применяется вязкий буровой раствор с малым переносом тепла.

3) Выдержки скважин перед измерениями в течение длительного времени для восстановления теплового баланса между буровым раствором и пластами горных пород (не менее 10 суток).

После подготовки скважины производят температурные измерения, причем, измерения производятся на спуске скважинного прибора для предотвращения нарушения температурного баланса.

О тметим, что для каждого термометра вследствие его инерции должна быть подобрана своя скорость каротажа, которая, кроме того, зависит от проектной точности измерений. Чтобы установить правильность выбора скорости каротажа в некоторых точках скважины спуск скважинного прибора прекращают и делают выдержку прибора. Затем спуск продолжают. При появлении характерных "скачков" на термограмме делается вывод о превышении скорости каротажа.

На региональное тепловое поле, обусловленное тепловым потоком, из недр Земли накладываются местные тепловые поля. Их возникновение может быть вызвано различными причинами.

Локальные тепловые поля в нефтегазоносных и газоносных горизонтах образуются при вскрытии и разработки пластов. При этом аномалии температуры обусловлены эффектом дросселирования газа (при фильтрации нефтепродуктов из пласта в скважину происходит адиабатическое расширение газа вследствие перепада давлений и происходит резкое снижение температуры флюида). Таким образом, в эксплуатационных скважинах газоносный пласт отмечается отрицательной аномалией, амплитуда которой оценивается из соотношения:

, где

 - коэффициент Томпсона; р_с и р_пл - давления в скважине и пласте соответственно.

Коэффициент  считают положительным, если газ при дросселировании охлаждается и наоборот - отрицательным - если газ нагревается. Как следует из формулы, значения T связаны не с количеством поступающего в скважину газа, а с перепадом давлений. Поэтому небольшое количество газа может вызвать значительные по величине аномалии, и наоборот высокодебитные пласты могут отмечаться незначительными аномалиями температуры.

Локальные тепловые поля в галогенных отложениях (каменная соль, сильвин и др.) обусловлены эндотермическими реакциями растворения солей в промывочной жидкости. Поэтому соленосные отложения на термограммах выделяются отрицательными аномалиями температуры.

Локальные тепловые поля в рудных зонах (сульфидные залежи) образуются в процессе экзотермических реакций окисления, протекающих под влиянием промывочной жидкости. Окисляющиеся рудные тела являются источником тепла, поэтому на термограммах рудные интервалы выделяются высокими значениями температуры.

Локальные тепловые поля на угольных месторождениях связаны также с процессами окисления углей и содержащихся в них сульфидов. Поэтому угольные пласты могут выделяться на термограммах повышенными значениями температуры.

Область применения метода:

1) Тектонические и гидрогеологические задачи региональной геологии:

- определение естественной температуры пород на заданной глубине;

- корреляция разрезов скважин;

- прогнозирование тектонического строения территорий (по геотермическим ступеням);

- получение гидрогеологической и мерзлотной характеристик исследуемых районов.

2) Детальное расчленение разрезов скважин в комплексе с другими методами.

3) Контроль глубины перфорации при вскрытии нефтяных пластов.