Термофизические параметры осадочных пород
Нижние индексы характеризуют: “s” – осадочные породы, “m” – матрицу этих пород и “w” – поровые воды,
- пористость пород, Z – глубина.
Теплопроводность минерального скелета уменьшается с ростом температуры:
Km = Km(T=0°C) / (1+Al T)
(Km(галит) падает в 1.5 раза при росте Т от 0° до 100°С)
Табл. 2-1 Среднемировые значения петрофизических параметров основных осадочных фаций
N |
порода |
(0) |
B |
Km |
Al |
Cv |
m |
A (мкВт/м3) |
|
|
|
(км) |
(Вт/м oC) |
(oC-1) |
(МДж/м3 oK) |
(г/см3) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
глина |
0.70 |
1.80 |
2.09 |
0.0005 |
2.26 |
2.70 |
2.09 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
вулканит |
0.50 |
3.27 |
2.01 |
0.0001 |
2.50 |
2.70 |
0.10 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
алевролит |
0.54 |
2.25 |
3.39 |
0.0020 |
2.68 |
2.66 |
1.21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
песчаник |
0.40 |
3.00 |
5.44 |
0.0030 |
2.89 |
2.65 |
0.84 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
известняк |
0.60 |
1.90 |
2.97 |
0.0005 |
2.72 |
2.71 |
0.63 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
доломит |
0.50 |
2.00 |
4.61 |
0.0020 |
2.70 |
2.75 |
0.36 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7 |
соль |
0.00 |
0.01 |
5.86 |
0.0050 |
1.85 |
2.16 |
0.00 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
ангидрит |
0.35 |
0.90 |
5.44 |
0.0050 |
2.01 |
2.40 |
0.08 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
мергель |
0.65 |
1.84 |
2.60 |
0.0005 |
2.54 |
2.71 |
1.21 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
уголь |
0.10 |
1.47 |
0.42 |
0.0001 |
1.00 |
1.40 |
0.00 |
Тепловые характеристики для смеси литологических единиц
|
|
|
|
m = |
m |
1 |
C |
1 |
+ |
m 2 C 2 + . . . + |
m |
n C |
n |
|
|
||||||
|
m |
C p m = |
m 1 |
C p |
|
1 C 1 + |
m |
2 C p |
2 C 2 + |
. . . + |
|
m n C p |
n C n |
|
|||||||
|
|
|
|
K m = K m |
1 |
C 1 |
K m |
2 |
C |
2 |
K m n |
C n |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
A m = A m |
1 |
C |
1 |
+ A m 2 C 2 + . . . + |
A m |
n |
C n |
|
|
|||||||||
Al |
0 |
. 01 |
{ |
EXP |
|
[ |
n |
1 |
Ln |
|
( C |
|
i |
Ln |
( 1 |
100 |
|
Al |
i ))] |
1 } |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C i - |
д о л я i |
- о й л и т о л о г и ч е с к о й к о м п о н е н т |
|
m |
i , m |
i C |
p i , K m i , и A l i - т е р м о ф и з и ч е с к и е |
|
|
|
л и т о л о г и ч е с к о й к о м п о н |
ы |
в о с а д о ч н о й п о р о д е , |
х а р а к т е р и с т и к и i - о й |
|
е н |
т ы . |
Свойства поровых вод |
|
(0° < T |
|||
|
< 300°C) |
|
|
||
|
|
Пплотность |
|
|
|
= |
[1 – 0.000317 (T-T ) – 0.00000256 (T-T )2] |
||||
w |
w |
0 |
|
|
0 |
|
0 |
|
|
||
|
= 998.2 и 1030 кг/м3 - плотности пресной и |
||||
w0 |
|
|
|
|
|
|
морской воды при Т= 10°С |
|
|||
|
Ттеплопроводность |
|
|
||
Кw = 0.565 + 0.00188 T - 0.00000723 T2 |
(0 < T < 137°C) |
||||
Kw = 0.602 + 0.00131 T - 0.00000514 T2 |
(137 < T < 300°C) |
||||
|
Kw в Вт/м °К и Т в °С. |
|
|
||
Т°С |
10 |
100 |
200 |
300 |
|
w (кг/м3) |
998.2 (100%) |
949.0 (95%) |
845.8 (85%) |
691.5 (69%) |
|
K (Вт/м°К) |
0.552 (100%) |
0.681 (120%) |
0.658 (116%) |
0.532 (94%) |
|
Теплопроводность и теплогенерация осадочных пород заметно меняются с глубиной в зависимости от пористости, температуры и литологии пород
Рис. K(z) и A(z) в разрезе скв. Ахмерова (Западный Башкортостан) (Пунктир - пределы изменения измеренных величин).
Породы верхнего венда - максимум песчаной фракции и максимум Кm.
.Для z < 6 км – эффект пористости на К, для z > 6 км – эффект температу- ры на Кm. Породы среднего рифея – максимум глин и максимальное А.
|
Изменение пористости и теплопроводности пород с глубиной |
|||||||
Z, км |
0. |
1. |
2. |
3. |
4. |
5. |
||
Т (°С) |
0. |
30. |
60. |
90. |
120. |
150. |
||
Глины |
|
0.700 |
0.402 |
0.230 |
0.132 |
0.076 |
0.0435 |
|
|
Km |
2.090 |
2.059 |
2.029 |
2.000 |
1.972 |
1.944 |
|
|
K |
0.836 |
1.224 |
1.512 |
1.693 |
1.793 |
1.842 |
|
песча- |
|
0.400 |
0.287 |
0.205 |
0.147 |
0.105 |
0.0755 |
|
ники |
Km |
5.440 |
4.991 |
4.610 |
4.283 |
4.000 |
3.752 |
|
|
||||||||
|
K |
2.198 |
2.671 |
2.998 |
3.180 |
3.257 |
3.252 |
|
50% |
|
0.600 |
0.349 |
0.218 |
0.140 |
0.091 |
0.0598 |
|
глин+ |
Km |
3.229 |
3.206 |
3.058 |
2.927 |
2.808 |
2.701 |
|
50% |
||||||||
песча- |
K |
1.135 |
1.749 |
2.116 |
2.325 |
2.426 |
2.460 |
|
Ники |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
6.
180.
0.025
1.917
1.859
0.054
3.532
3.199
0.0397
2.602
2.449
Замечания: предполагался постоянный градиент температуры dT/dz = 30°C/км; глины: пористость - =0.70 exp(-z/1.8(км)), Km(Т=0°С)=2.09 Вт/м°К,=0.0005°С-1; песчаник: =0.40 exp(-z/3.0(км)), Km(Т=0°С)=5.44 Вт/м°К, =0.0030°С-1; теплопроводность воды бралась постоянной Kw=0.565 Вт/м°К; теплопроводности пород вычислялись по формуле (5-7) и (5-11), пористость и матричная теплопроводность смеси пород вычислялись по формулам (4-10) и (5-12).
Оценки теплопроводности пород через пористость, плотность и скорости сейсмических волн
Теплопроводность пород - ключевой параметр в моделировании бассейнов.
Корреляционная связь теплопроводности со значениями пористости, , плотности, , и скоростью продольных волн Vp
для пород Калифорнийской долины (коэффициент корреляции 0.926):
K= 0.84 – 0.040 + 0.000695 Vp
идля пород Северного моря (коэффициент корреляции 0.9):
K = 3.60 - 0.049 - 0.160 Vp –5.50
Выше - пористость в %, Vp – в м/сек, - плотность в г/см3 и К в Вт/м°К.
Последнее соотношение проверено на измерениях теплопроводности образцов ряда пород (Blackwell and Steele, 1989): алевролитов и аргиллитов, сланцев, песка, песчаника, кварцита, литофицированных песков, грауваков, известняков, доломитов, солей, ангидритов, углей, воды, гранита, базальта и андезита, риолитового стекла, риолитового пепла и риолитового консолидированного туфа.
Теплогенерация осадочных пород
Генерации тепла, выделяющегося при распаде радиоактивных элементов в осадочных породах, может вносить заметный вклад в формирование температурного режима бассейна
Её значения сильно зависят от свойств осадочныx пород как адсорбентов, и соответственно от настоящего и прошлого гидрогеологического режима осадочной толщи. По этой причине отсутствует прямая связь генерации тепла с современной пористостью осадков. Предполагая, что радио- активные элементы концентрируются в основном минеральной частью породы (её скелетом), следует ожидать роста объёмной генерации тепла по мере сокращения размеров пор по закону, близкому к:
A(Z) = A(0) * [ 1 - (Z) ] / [ 1 - (0) ]
Тогда генерация радиогенного тепла для глин возрастает в 2.5 раза при погружении породы на 4 - 6 км. Движение флюидов через матрицу пород,
втом числе и поровыx вод, может нарушать эту зависимость, становясь важным фактором для накопления радиоактивныx элементов в объёме осадков. Не только гидрологический режим, но и состав пород и флюидов
взначительной степени влияют на этот процесс.
Теплогенерация в осадочных породах
A ( W/m3) = (3.35 Ск + 9.79 Сu + 2.64 СТh) 10-5
(кг/м3), C |
U |
и C |
(1 ppm=10-6 г/г); C (wt% = г К/ г породы)% |
|
Th |
K |