ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД ВОСТОЧНО-МЕССОЯХСКОГО НЕФТЕГАЗОВОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Измерена теплопроводность образцов кернов осадочных пород (песчани­ка, глинистой породы и суглинка) Восточно-Мессояхского нефтегазового месторождения, расположенного на севере Тюменской области. Описана методика эксперимента. Приведены таблица и графики зависимости тепло­проводности от плотности и влажности для двух значений температур: положительной (+20^оС) и отрицательной (-10^оС). Работа выполнена в рамках проекта «Мессояха» ПАО «Газпром Нефть».

Ключевые слова: Теплопроводность, зондовый метод, осадочные породы, влажность.

Введение. Сведения о теплофизических свойствах минералов и горных по­род при различных значениях влажности и температуры не­обходимы для ре­ше­ния различных задач геофизики, строительства и неф­те­газо­до­бычи. Одним из основных параметров, характеризующих теп­ло­фи­зи­чес­кие свой­ст­ва ве­щест­ва, является коэффициент теплопроводности (или про­сто теп­ло­про­вод­ность) - ко­эф­фициент пропорциональности λ между плот­ностью теплового потока q и градиентом температуры gradT в законе Фурье [1]:

.                                                                                    (1)

Для определения теплопроводности твердых пористых тел существует не­сколько ме­то­дов, как стационарных, так и нестационарных [1-3]. Стационарные ме­тоды хо­рошо разработаны в методическом плане и позволяют получить вы­со­кую точ­ность результатов, но малопригодны для исследования влаго­на­сы­щен­ных по­род, особенно при отрицательных температурах. Поэтому для оп­ре­де­ления зависимости те­пло­про­вод­нос­ти кернов от влажности мы применили из­меритель теп­ло­про­водности «МИТ-1», в котором реализован не­ста­ци­о­нар­ный зон­довый метод. Прин­цип работы этого прибора основан на измерении из­ме­нения температуры из­мерительного зонда за определенное время при его не­боль­шом нагреве элек­три­ческим током заданной мощности [4]. Прибор пред­наз­начен для опе­ра­тив­но­го (не более 7 минут) из­ме­рения теплопроводности в ди­апазоне температур от -10^оС до +40^оС. По­греш­ность результатов составляет при­мерно 7%, т.е. су­щест­венно хуже, чем у стационарных методов. Однако в дан­ном случае более вы­сокая точность не нужна, т.к. исследовались природные объ­екты, образцы ко­торых даже оди­на­ковых литологических групп, взятые на рас­стоянии нес­коль­ких метров друг от друга, могут иметь естественный раз­брос тепло­фи­зи­чес­ких параметров до 10% и более. Гораздо большее значение в дан­ном случае име­ет оперативность, особенно при исследовании образцов в за­мо­роженном со­сто­янии.

Экспериментальная часть.

Для проведения исследований были выбурены образцы керна по ГОСТ 21153.0-75 «Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам фи­зи­чес­ких испытаний» [5], длина и диаметр образцов со­став­ляла 60х30 мм со­от­вет­ст­венно. Были взяты образцы кернов Восточно-Мессояхского нефтегазового ме­сто­рож­де­ния севера Тюменской области с различным ли­то­ло­ги­ческим опи­са­нием:

- Песчаник (ок. 100% песка, размер зерен 0,05 – 0,08 мм);

- Суглинок (37% глины, 63% песка, размер зерен 0,01 – 0,03 мм);

- Глина (94% гли­ны, 6% песка, размер зерен 0,02 – 0,05 мм).

Рисунок1. Вид образца керна с отверстием под измерительный зонд

Измерения теплопроводности проводились в соот­вет­ствии с ГОСТ 30256-94. «Метод определения теп­ло­про­водности ци­линд­ри­чес­ким зондом» [6]. Для мини­ми­за­ции погрешности из­ме­рений необходимо улучшить теп­ло­вой контакт между зондом и испытуемым ма­териалом на­столько, насколько это возможно. Для этого, в со­от­вет­ст­вии с ре­ко­мендациями, приведенными в [4,6], в об­раз­цах кернов были выбурены скво­з­ные отверстия; по диаметру зонда. Небольшие пус­то­ты ме­жду поверхностью зонда и внут­рен­ни­ми стен­ками образцов кернов за­пол­ня­лись теплопроводящей пастой, вхо­дя­щей в комплект прибора. На рис.1 при­ве­де­на фотография одного из кернов с вы­буренным от­верс­тием под из­ме­ри­тель­ный зонд.

Для задания и контроля влажности проводилась подготовка образцов в со­от­ветствии с ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения фи­зических характеристик» [7]. Образцы сначала помещались в сушильный шкаф, где в течение нескольких суток находились в нагретом состоянии (при тем­пературе 70^оС), после чего их взвешивали для получения массы сухого об­раз­ца, а также измеряли теплопроводность. Далее образцы насыщались водой до максимальной влажности, взве­ши­ва­лись, и по разнице масс водо­на­сы­щен­ного и сухого образца определялся их ко­эффициент пористости. Затем образцы помещались в центрифугу для вы­тес­не­ния лишней воды. В зависимости от скорости вращения и времени цент­ри­фу­ги­рования достигалась определенная влагонасыщенность, которая конт­ро­ли­ро­ва­лась взвешиванием образца.

Подготовленные таким образом образцы с вставленным измерительным зондом выдерживались в термостате при постоянной заданной положительной температуре (+20^оС) в течение двух часов, а в замороженном состоянии (-10^оС) - в течение 4 часов. Этого времени достаточно для выравнивания температуры в образце при несущественном изменении влажности. Сам процесс измерения теплопроводности выполнялся прибором МИТ-1 автоматически и занимал не более 7 минут.

Результаты измерений представлены в виде таблицы и графиков.

Таблица 1.

Теплопроводность сухих об­разцов уве­ли­чи­ва­ет­ся с рос­том плотности; за­ви­симость λ(ρ) пред­ста­в­лена на рис.2. Рост теп­лопроводности с увеличением плот­ности пористой сре­ды объ­яс­няется уменьшением среднего объема пустот, благодаря чему умень­ша­ется термическое со­про­тивление между зернами "ске­лета" пористой среды. Ап­проксимация экс­пе­ри­мен­таль­ных точек на рис.2 прямой линией по методу наименьших квадратов дает формулу:

λ = a + bρ,                                                                                         (2)

где а = 0.4105, b = 0.363, если плотность берется в г/см³, а теплопровод­ность - в Вт/(м·К).

Рисунок 2. Зависимость теплопроводности образцов кернов от плотности. + - экспериментальные точки, приведенные в таблице 1

а

б

в

Рисунок 3. Зависимость теплопроводности от объемной влажности образцов: а) - песчаник; б) - суглинок; в) - глина

Теплопроводность сухих об­разцов в пределах погреш­нос­ти наших из­ме­ре­ний оказалась одинаковой при плю­совой тем­пе­ратуре и в замороженном со­сто­я­нии. Литературные ис­точ­ни­ки (например, [2]) указывают, что зависимость λ(t) су­ществует, но проявляется при существенно больших перепадах температур.

На рис.3а - 3в представлены зависимости теплопроводность об­разцов кер­нов от объемной влаж­ности W в пределах от 0 до зна­чения, близкого к на­сы­ще­нию (в нашем случае 20%) при по­ложительной температуре (ли­нии 1), и в за­мо­ро­женном со­стоянии (линии 2). Рост теп­ло­про­водности с увеличением вла­ж­нос­ти пористой сре­ды объ­яс­няется заполнением пустот, во­дой, теп­ло­про­вод­ность ко­то­рой более чем на порядок пре­вышает теплопроводность воздуха. В за­мороженном состоянии тепло­про­вод­ность об­разцов выше, т.к. теп­ло­про­вод­ность льда почти в 4 раза превышает теплопроводность воды.

Резюме

Изложена методика экспериментальных исследований теплопроводности и измерена теплопроводность образцов кернов осадочных пород (песчани­ка, суглинка и гли­ны) Восточно-Мессояхского нефтегазового месторождения, расположенного на севере Тюменской области. Результаты приведены в виде таблицы и графиков. Приведен график зависимости тепло­проводности сухих образцов от плотности, а также графики зависимости тепло­проводности от влажности для двух значений температур: положительной (+20^оС) и от­ри­цательной (-10^оС). Работа выполнена в рамках проекта «Мессояха» ПАО «Газпром Нефть». Полученные результаты будут использованы для тепло­фи­зи­ческих расчетов при проектировании и обустройстве Восточно-Мессояхского нефтегазового место­рождения.

Список литературы:

1. Кислицын А.А. Основы теплофизики: учеб. пособие. - Тюмень, изд-во Тюменского госуниверситета, 2002. - 152с.
2. Теплофизические свойства горных пород / В.В.Бабаев, В.Ф.Будымка, Т.А.Сергеева и др. - М.: Недра, 1987. - 156с.
3. Вакулин А.А. Методы и средства измерений теплофизических величин: Учеб. пособие. - Тюмень, изд-во "Русская неделя", 2015. - 152с.
4. Измеритель теплопроводности материалов МИТ-1: Руководство по экс­плуатации. - Челябинск, НПО "Интерприбор". - 30с.
5. ГОСТ 21153.0-75 «Породы горные. Отбор проб и общие требования к методам физических испытаний». - М.: Издательство стандартов, 1976 г.
6. ГОСТ 30256-94. «Метод определения теплопроводности цилиндрическим зондом». - М.: Межгосударственный стандарт, 1996 г.
7. ГОСТ 5180-2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физи­ческих характеристик». - М.: Стандартинформ, 2016 г.