Фізичні основи використання термокаротажу

Лекція 5

Контрольні питання

1. Сформулюйте фізичні основи акустичного каротажу.

2. Які є кінематичні параметри, що характеризують пружні властивості гірських порід?

3. Які є динамічні параметри, що характеризують пружні властивості гірських порід?

4. Які ви знаєте типи пружних хвиль, їх характеристики?

5. Які ви знаєте пружні властивості гірських порід?

6. Які ви знаєте види акустичних досліджень у свердловинах?

7. Яка будова, принцип дії і характеристики випромінювачів пружних коливань?

8. Охарактеризуйте структурну будову апаратури АК.

9. Які фізичні процеси використовуються у акустичному методі?

10. Що таке “інтервальний час”?

11. Задачі, які вирішуються за даними АК.

12. Технічні умови проведення АК.

13. Метрологічне забезпечення апаратури АК.

14. Опишіть метрологічні установки для апаратури акустичного каротажу.

Фізичні основи, методика підготовки та проведення термометрії свердловин. Метрологічне забезпечення термометричної апаратури

Інтенсивність і поширення теплових полів залежить від термічних властивостей, геометричних форм і розмірів досліджуваних середовищ.

Температурні властивості гірських порід характеризуються коефіцієнтом теплопровідності або питомим тепловим опором, тепловою анізотропією, питомою теплоємністю і коефіцієнтом температуропровідності.

Коефіцієнт теплопровідності l визначається з відомого рівняння Фур’є:

, (5.1)

яке описує передачу тепла dQ за час dt через елемент середовища з поперечним перерізом ds, довжиною dl при перепаді температур dt. У рівнянні (5.1) l характеризує властивість середовища передавати теплову енергію її молекул і називається питомою теплопровідністю середовища. У системі СІ має розмірність Вт/м·градус.

Питомий тепловий опір x – величина, яка обернена питомій теплопровідності l, і має розмірність м·градус/Вт. Для різних гірських порід і корисних копалин x змінюється в широких межах – від тисячних до десятків м·градус/Вт. Він знижується зі збільшенням щільності, вологості, проникності і вмісту льоду в породі, підвищується при заміщенні в поровому просторі води нафтою, газом або повітрям і залежить від шаруватості порід (теплова анізотропія).

Теплова анізотропія порід характеризується безрозмірним коефіцієнтом:

, (5.2)

де x_n і x_t – питомі теплові опори породи по нормалі та по дотичній до напластування.

Так як в шаруватих породах x_n>x_t, то l_t>1 (1,015-1,32).

Питома теплоємність С_р визначається з рівняння:

, (5.3)

яке описує зміну температури dt тіла, що має об’єм dV і густину d, при наданні тілу тепла dQ. Коефіцієнт С_р у рівнянні (5.3) характеризує властивість середовища змінювати свою температуру. В системі одиниць СІ С_р має розмірність Дж/кг·градус. Для більшої частини гірських порід і корисних копалин С_р змінюється у відносно невеликих межах – від 580 до 2090 Дж/кг·градус, зростаючи зі збільшенням вологості.

Коефіцієнт температуропровідності а входить множником у диференціальне рівняння теплопровідності і має розмірність м²/с. Величина а визначається співвідношенням а=l/С_рd. Це комплексний параметр, що характеризує тепло-інерційні властивості гірських порід. Він виражає зміну температури одиниці об’єму середовища за одиницю часу. Гірські породи розрізняються за температуропровідністю більш ніж у 100 разів.

У розподілі природного теплового поля істотне значення має тепловий опір, а при вивченні нестаціонарних теплових процесів, при аналізі штучних теплових полів у свердловинах – теплоємність і температуропровідність гірських порід. Диференціація гірських порід і корисних копалин за термічними властивостями лежить в основі застосування термічних методів для вивчення геологічних розрізів свердловин, а теплова анізотропія гірських порід забезпечує можливість рішення тектонічних задач.

Аналіз теплових полів зводиться до рішення диференціального рівняння теплопровідності, що у випадку однорідного ізотропного середовища в системі прямокутних координат має вигляд:

, (5.4)

де ¶t/¶t – зміна температури t з часом t в точці з координатами x, y, z; Ѳt – лапласіан від функції t, що має в прямокутній системі координат наступне вираження:

. (5.5)

Інтегрування рівняння в умовах нестаціонарних теплових процесів, коли ¶t/¶t =0, є складною задачею, яку можна розв’язати лише для найбільш простих окремих випадків поширення тепла.

При сталому процесі теплообміну, коли ¶t/¶t =0, рівняння (5.4) перетвориться у рівняння Лапласа:

. (5.6)

Розподіл природного теплового поля в товщі Земної кори залежить, головним чином, від літологічних, тектонічних та гідрогеологічних факторів, на вивченні яких базується розв’язок наступних задач:

1. Літолого-тектонічні та гідрогеологічні задачі регіональної геології. Ці задачі розв’язуються шляхом визначення основних геотермічних параметрів, до яких відносяться геотермічний градієнт, геотермічна ступінь та густини теплового потоку.

За допомогою зазначених параметрів проводять:

1) визначення природної температури порід на заданій глибині;

2) кореляцію розрізів свердловин при регіональних дослідженнях;

3) прогнозування тектонічної будови території, яка не вивчена за допомогою буріння;

4) вивчення гідрогеологічної і мерзлотної характеристики досліджуваних районів. Для розв’язку цих задач звичайно використовують термограми природного теплового поля.

2. Детальне дослідження розрізів свердловин. При розв’язанні цієї задачі використовуються також матеріали інших геофізичних методів. Для цієї мети визначають теплові характеристики порід (теплопровідність або тепловий опір і температуропровідність) за даними термічних досліджень свердловин зі сталим чи несталим тепловим режимом.

Теплові характеристики в комплексі з іншими петрофізичними параметрами порід дозволяють вирішувати наступні задачі:

1) літологічне розчленовування розрізів свердловин;

2) виявлення колекторів;

3) пошуки корисних копалин.

Найбільш доцільно залучати дані термометрії для вивчення глинистих покришок, пошуків колекторів у карбонатних відкладах, визначення газоносності карбонатних і тонкошаруватих піщано-глинистих комплексів. Для цього необхідні діаграми детальної термометрії.