CC BY
16
- © Р.И. Пашкевич, Е.Ю. Попов, Н.Ф. Тарелко,
И.И. Чернев, К.А. Павлов, П.В.Муратов,2014
УДК 536.2+536.631
Р.И. Пашкевич, Е.Ю. Попов, Н.Ф. Тарелко, И.И. Чернев, К.А. Павлов, П.В. Муратов
НОВЫЕ ДАННЫЕ О ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВАХ ПОРОД ГЕОТЕРМАЛЬНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КАМЧАТКИ
Представлены результаты измерений тепловых свойств образцов пород, отобранных на геотермальных месторождениях Камчатки. Приведены данные о теплопроводности, объемной теплоемкости и температуропроводности пород при нормальных и пластовых термодинамических условиях пород, а также их корреляции с пористостью. Установлены зависимости теплопроводности и теплоемкости от температуры и давления в диапазонах соответственно 20-200 °С и 0,1-30 МПа.
Ключевые слова: геотермальные месторождения, горные породы, теплопроводность, теплоемкость, пористость.
Введение
Получение надежных данных о тепловых свойствах пород геотермальных месторождений является актуальной и сложной задачей. Большинство экспериментальных данных для теплопроводности (X), объемной теплоемкости (С) и температуропроводности (а) пород было получено ранее на аппаратуре, разработанной и применявшейся главным образом для промышленных материалов, для которых не свойственны анизотропия, существенные неоднородность и пористость, проблемы придания специальной формы и специальной обработки (полировки) поверхности для устранения влияния контактного сопротивления между изучаемым образцом и измерительным зондом, существенно искажающего результаты измерений. В связи с этим совершенствование методов измерений тепловых свойств пород часто приводит к значительной переоценке ранее имевшихся данных [1]. Установление более надежных значений тепловых свойств пород необходимо для получения достоверных результатов численного моделирования реальных геотермальных систем [2]. В работе представлены данные
36
измерений тепловых свойств образцов пород, отобранных на геотермальных месторождениях Камчатки. Измерения были выполнены на современной аппаратурно-методической базе [3, 4].
1. Тепловые свойства пород при нормальных
термодинамических условиях
В табл. 1 представлено описание 7 изучавшихся образцов пород.
Измерения выполнялись на лабораторной установке оптического сканирования, разработанной в Московском научно-исследовательском центре ООО «Технологическая компания Шлюмберже» [3, 4], обеспечивающей прецизионные неразрушающие измерения полного комплекса тепловых свойств с учетом неоднородности и анизотропии пород. Принцип метода оптического сканирования основан на нагреве плоской или цилиндрической поверхности изучаемого образца концентрированным источником тепловой энергии и регистрации температуры нагреваемой поверхности инфракрасными датчиками температуры, двигающимися вместе с источником нагрева относительно изучаемых образцов пород с одинаковой и постоянной скоростью [1, 5]. Коэффициент тепловой неоднородности определяется как разница между максимальным и минимальным значениями теплопроводности вдоль линии сканирования, отнесенная к среднему по линии значению теплопроводности.
Таблица 1
Описание образцов
№ образца Описание Примечание
1а. Туф кристалло-литокла-стический Керн из скважины № К-1 Среднего участка Паратунского месторождения термальных вод на Камчатке, глубина 397 м
2а. Андезито-дацит
1. Андезит Образцы отобраны на южном склоне Ава- чинского вулкана, Камчатский край — « — — « — — « — — « —
2. Туфолава андезитового состава
3. Андезит
4. Туфолава андезито-ба-зальтового состава, мин-далекаменная с множеством пор-пустот
5. Туф
37
Перед измерениями выполнялись следующие операции: распиливание образцов для подготовки одной плоской поверхности; высушивание образцов при 85 °С в сушильном шкафу; насыщение образцов водой под вакуумом. Образец 5 насыщался без вакуумирования в связи с вероятностью его частичного или полного разрушения.
Для определения главных значений тензора теплопроводности, оценки коэффициента тепловой анизотропии и учета неоднородности пород измерения проводились по двум взаимно-перпендикулярным линиям сканирования. Определение пористости образцов проводилось весовым методом. Полная погрешность однократного измерения составляла ±2,5% для теплопроводности и ±3,5% для температуропроводности при доверительной вероятности 0,95. Для снижения случайной погрешности измерений для сухого и насыщенного состояний до 1,8% измерения вдоль каждой линии сканирования проводились дважды. Всего выполнено 112 измерений на коллекции из 7 образцов.
В результате измерений установлены существенные вариации теплопроводности вдоль линий сканирования для всех образцов пород: от 1,05 до 1,48 Вт/(м-К) для образца № 3 и от 1,17 до 1,43 Вт/(м-К) для образца № 4 (рис. 1) [3].
В табл. 2 приведены результаты измерений тепловых свойств и пористости образцов. Усреднение проводилось по результатам измерений вдоль двух линий сканирования для каждого образца.
Рис. 1. Профиль теплопроводности для образца № 4. Пунктир — линия сканирования [3]
38
Таблица 2
Усредненные результаты измерений комплекса тепловых свойств и пористости по каждому образцу [3]
№ образца Сухое состояние Водонасыщенное состояние Пористость, %
X, Вт/(м К) а, 10-6 м2/с в С, МДж/(м3 К)
1а 2,43* 1,11 0,11 2,20 1,8
2,55** 1,14 0,11 2,24
2а 2,27 1,08 0,24 2,10 1,8
2,36 1,06 0,15 2,24
1 1,32 0,59 0,12 2,25 4,7
2,00 0,87 0,06 2,31
2 1,51 0,73 0,22 2,06 7,5
1,96 0,83 0,11 2,36
3 1,31 0,67 0,08 1,95 11,6
1,74 0,75 0,07 2,33
4 1,37 0,64 0,19 2,15 7,6
1,75 0,78 0,12 2,25
5 0,52 0,38 0,38 1,36 23,8
1,12 0,52 0,25 2,15
Примечание. * — в числителе указано значение параметра для образца в
сухом состоянии.
** — в знаменателе указано значение параметра для образца в водонасыщен-
ном состоянии.
Рис. 2. Поля корреляции теплопроводности и пористости. Круглые точки — сухие образцы, квадратные точки — водонасыщенные образцы. Приведены уравнения регрессии и значения коэффициентов корреляции во второй степени [3]
39
я
3,
* н « »
я £
I е
й О
О а
ш
о
т с
£
2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0
у = -0.037х + 2.322 ^ = 0.888
---------- • • <
1 ^^
•
0
20
25
§ 10 15
Пористость, %
Рис. 3. Поле корреляции объемной теплоемкости и пористости [3]
На рис. 2 приведено поле корреляции между теплопроводностью и пористостью для всех образцов пород. Коэффициенты корреляции 0,95 и 0,97 для сухих и водонасыщенных образцов являются значимыми при высоком уровне доверительной вероятности 0,99, что говорит о наличии тесной связи между теплопроводностью и пористостью.
Значительные вариации теплопроводности в пределах каждого образца (рис. 1) наиболее вероятно могут быть обусловлены вариациями пористости, что было установлено ранее для коллекций из более 15 000 образцов с пористостью в диапазоне 5-30% [6]. Корреляция между объемной теплоемкостью и пористостью представлена на рис. 3.
2. Тепловые свойства пород при пластовых условиях
Для измерений использовалась установка для измерений тепловых свойств при одновременном воздействии вертикальной и латеральной компонент литостатического давления, а также при соответствующих поровом давлении и температуре, разработанная в Московском научно-исследовательском центре ООО «Технологическая компания Шлюмберже» [4]. Для измерений тепловых свойств в установке используется метод линейного источника [7]. Для контроля качества измерений предварительно были проведены метрологические исследования в диапазоне рабочих температур 20-300 °С с использованием эталона теплопроводности и температуропроводности из материала ВСЯ-724 [8], сертифицированного Международным институтом стандартных материалов и измерений
40
(1НММ). Среднее расхождение данных по двум циклам измерений с эталонными данными составило ±1,3% во всем интервале температур, максимальное расхождение не превышало 3,0%. Основная погрешность измерений на установке теплопроводности, температуропроводности и объемной теплоемкости составляет соответственно 4,7 и 8% при доверительной вероятности 0,95.
Исследовался керн скважины № 4А Мутновского месторождения парогидротерм на Камчатке. Глубина отбора керна 905 м. Образец представляет собой туфолаву зеленовато-серого цвета, витро-кри-сталло-литокластическую. Структура породы обломочная, текстура брекчиевая. Обломки имеют разнообразную форму: округлую, таблитчатую, призматическую. Вкрапленники в обломках представлены, в основном, соссюритизированным плагиоклазом. Порода прочная, крепкая.
Для определения тепловых свойств, оценки тепловой неоднородности и тепловой анизотропии образца при атмосферных термобарических условиях использовали метод оптического сканирования. Теплопроводность, объемная теплоемкость, коэффициент тепловой анизотропии и коэффициент тепловой неоднородности определялись при оптическом сканировании по линиям, параллельным и перпендикулярным оси керна. Были установлены вариации свойств образца вдоль линий сканирования: теплопроводности от 1,18 до 1,43 Вт/(м-К), объемной теплоемкости — от 1,81 до 2,03 МДж/(м3-К). По результатам измерений установлено, что анизотропия тепловых свойств образца является несущественной.
Выпиленные из керна образцы 50x25 мм (2 шт.) высушивались в вакуумной печи при температуре 85 °С, после чего насыщались под вакуумом моделью пластовой воды — водой с содержанием соли ЫаС1 75 г/л. Тепловые свойства измерялись при температурах 20, 60, 100, 130, 150, 170 и 200 °С при избыточных давлениях 0,1 (при температуре выше 100 °С 1,0), 3, 13 и 30 МПа для каждой температуры. Для снижения случайной погрешности при каждом сочетании температуры и давления проводили не менее 10 измерений тепловых свойств.
Результаты измерений теплопроводности при пластовых условиях представлены в табл. 3 и на рис. 4.
Как видно из рисунка, теплопроводность при разных температурах увеличивается на 1,4-3,8% с увеличением давления от 0,1 до 30 МПа
41
Таблица 3
Результаты измерений тепловых свойств образца породы Мутновского месторождения парогидротерм при пластовых условиях
Избыточное давление, МПа Температура, °С Теплопроводность, Вт/(мК)
0,1 25,8 1,66
3 30,0 1,66
13 32,3 1,68
30 32,9 1,71
0,1 56,2 1,67
3 55,9 1,66
13 55,7 1,65
30 62,3 1,67
1 104,5 1,59
3 104,5 1,59
13 104,3 1,60
30 104,0 1,63
1 137,2 1,55
3 137,2 1,55
13 137,0 1,56
30 136,6 1,57
1 158,0 1,54
3 158,0 1,54
13 157,7 1,55
30 157,3 1,57
1 179,2 1,50
3 179,1 1,49
13 178,9 1,51
30 178,4 1,55
1 211,8 1,54
3 211,9 1,53
13 211,2 1,53
30 209,8 1,56
42
1,75
I 17
>1,65
а
£ 1,6 I 1,55
8 1,5
0
11,45
1 1,4
у = 4E-0I I 3)^-0,0018х R = 0,98 + 1,7396
S
к
■ ■
с
20
P, МПа + 0,1-1
13 30
70
120
Температура, °C
170
220
Рис. 4. Зависимость теплопроводности от температуры при разных давлениях [4]
Результаты измерений объемной теплоемкости при различных давлениях при температурах 20 и 50 °С приведены на рис. 5.
Установленные изменения теплопроводности и объемной теплоемкости при изменении давления и температуры превышают случайные погрешности измерений этих свойств, составляющие соответственно менее 1,5 и 3%.
Зависимость объемной теплоемкости от температуры в диапазоне 20-200 °С с шагом 5 °С была получена с использованием дифференциального сканирующего калориметра DSC 204 F1 Phoenix фирмы Netzsch и представлена на рис. 6.
Как следует из рис. 4 и 6, при увеличении температуры от 20 до 200 °С теплопроводность изученного образца понижается на 10%, а объемная теплоемкость увеличивается на 30%.
2.65 2.6 2.55 2.5
3.2.45
CD _ О ^
аз
2.4 2.35 2.3
о
0
■ < )
Т, °С
■20 а 50
10
20
30
Давление, МПа
Рис. 5. Зависимость объемной теплоемкости от давления [4]
43
Температура,
Рис. 6. Зависимость объемной теплоемкости от температуры [4]
Приведенные в статье результаты получены в холе исследований [3, 4], выполненных Московским научно-исследовательским центром ООО «Технологическая компания Шлюмберже» на основе «Соглашений о сотрудничестве», заключенных между Федеральным государственным бюджетным учреждением науки Научно-исследовательским геотехнологическим центром Дальневосточного отделения Российской академии наук и ООО «Технологическая компания Шлюмберже» от 30 января 2013 г. и 27 января 2014 г.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Popov Y., Pribnow D., Sass J., Williams C. and Burkhardt H. Characterisation of rock thermal conductivity by high-resolution optical scanning // Geothermics. — 1999. — N 28. — P. 253-276.
2. Пашкевич P.M. Влияние свойств горных порол на результаты численного моделирования эксплуатации геотермальных систем // ГИАБ. ОВ 2 «Камчатка» (специальный выпуск). — 2014. — C. 175-182.
3. Спасенных М.Ю., Паршин А.В., Попов Е.Ю., Миклашевский Д.Е., Ромушкевич P.A. Определение тепловых свойств образцов пород Научно-исследовательского геотехнологического центра Дальневосточного отделения Российской академии наук. Отчет о научно-исследовательской работе. Московский научно-исследовательский центр ООО «Технологическая Компания Шлюмберже». — М., 2013. — 27 с.
4. Попов Ю.А., Попов Е.Ю., Миклашевский Д.Е., Тарелко Н.Ф., Ромуш-кевич P.A. Исследование тепловых свойств пород Камчатских геотермальных месторождений при пластовых условиях. Отчет о научно-исследовательской работе. Московский научно-исследовательский центр ООО «Технологическая Компания Шлюмберже». — М., 2014. — 25 с.
5. Попов Ю.А. Теоретические модели для определения тепловых свойств горных пород на основе подвижных источников тепловой энергии // Известия
44
вузов. Сер. «Геология и разведка». — 1983. — № 9. — Статья 1. — С. 97-105; 1984. — № 2. — Статья 2. — С. 83-91.
6. Popov Y., Tertychnyi V.V., Romushkevich R.A., Korobkov D.A. and Pohl J. Interrelations between thermal conductivity and other physical properties of rocks: experimental data // Pure and Appl. Geophys. — 2003. — No 160. — P. 1137-1161.
7. Вертоградский B.A., Попов Ю.А., Миклашевский Д.Е. Метод и установка для измерений теплопроводности горных пород при высоких давлениях и температурах // Известия высших учебных заведений. Сер. «Геология и разведка». — 2003. — № 5. — С. 47-51.
8. Salmon D., Roebben G., Lamberty A., BrandtR. Certification of thermal conductivity and thermal diffusivity up to 1025 K of a glass-ceramic reference material BCR-724. Report EUR 21764 EN. ISBN 92-894-9920-6 (2007).
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
гПашкевич Роман Игнатьевич — доктор технических наук, директор, e-mail: [email protected]
2Попов Евгений Юрьевич — старший научный сотрудник, e-mail: EPopov3@ slb.com
2Тарелко Николай Федорович — научный сотрудник, кандидат технических наук, e-mail: [email protected]
3 Чернев Иван Иванович — зам. гл. инженера по ресурсной части, e-mail: [email protected]
гПавлов Кирилл Алексеевич — научный сотрудник, e-mail: [email protected] гМуратов Павел Валерьевич — научный сотрудник, e-mail: [email protected] Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН 2Московский научно-исследовательский центр ООО «Технологическая Компания Шлюмберже» 3ОАО «Геотерм»
UDC 536.2+536.631
NEW DATA ABOUT ROCKS THERMAL PROPERTIES OF KAMCHATKA GEOTHERMAL DEPOSITS
1Pashkevich R.I., Doctor of Sciences, Director, e-mail: [email protected] 2Popov E.Yu., Senior Research Scientist, e-mail: [email protected] 2Tarelko N.F., Candidate of Technical Sciences, e-mail: [email protected] 3Chernev I.I., Deputy Chief Engineer, e-mail: [email protected] 1Pavlov K.A., Research Scientist, e-mail: [email protected] 1Muratov P. V., Research Scientist, e-mail: [email protected]
Research Geothecnological Center, Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences
2Schlumberger Moscow Research Center 3JSC «Geotherm»
45
The results of measurements of thermal properties of rock samples taken at the geothermal fields of Kamchatka are described. The data on thermal conductivity and volumetric heat capacity of rocks under normal and interbedding thermobaric conditions of rocks and their correlation with porosity are presented. The established dependences of thermal conductivity and volumetric heat capacity on the temperature and pressure within the ranges of 20-200cC and 0.1-30 MPa are given. Key words: geothermal fields, rocks, thermal conductivity, heat capacity, porosity.
- REFERENCES
1. Popov Y., Pribnow D., Sass J., Williams C., Burkhardt H. Geothermics, 28, 1999, pp. 253-276.
2. Pashkevich R.I. Vliyanie svojstv gornykh porod na rezul'taty chislennogo modelirovaniya ehkspluatatsii geotermal'nykh sistem, GIAB, OV 2, «Kamchatka» (special issue), 2014, pp. 175-182.
3. Spasennykh M.Yu., Parshin A.V., Popov E.Yu., Miklashevskij D.E., Romushkev-ich R.A. Opredelenie teplovykh svojstvobraztsovporod Nauchno-issledovatel'skogo geotekhnologicheskogo tsentra Dal'nevostochnogo otdeleniya Rossijskoj akademii nauk. Otchet o nauchno-issledovatel'skoj rabote. Moskovskij nauchno-issledovatel'skij tsentr OOO «Tekhnologicheskaya Kompaniya Shlyumberzhe», M., 2013, 27 p.
4. Popov Yu.A., Popov E.Yu., Miklashevskij D.E., Tarelko N.F., Romushkev-ich R.A. Issledovanie teplovykh svojstv porod Kamchatskikh geotermal'nykh mes-torozhdenij pri plastovykh usloviyakh. Otchet o nauchno-issledovatel'skoj rabote. Moskovskij nauchno-issledovatel'skij tsentr OOO «Tekhnologicheskaya Kompaniya Shlyumberzhe», M., 2014, 25 p.
5. Popov Yu.A. Teoreticheskie modeli dlya opredeleniya teplovykh svojstv gornykh porod na osnove podvizhnykh istochnikov teplovoj ehnergii, Izvestiya vu-zov, seriya «Geologiya i razvedka», Stat'ya 1, No 9, pp. 97-105 (1983); Stat'ya 2, No 2, pp. 83-91 (1984).
6. Popov Y., Tertychnyi V.V., Romushkevich R.A., Korobkov D.A., Pohl. Pure and Appl. Geophys, 2003, No 160, pp. 1137-1161.
7. Vertogradskij V.A., Popov Yu.A., Miklashevskij D.E. Metod i ustanovka dlya iz-merenij teploprovodnosti gornyx porod pri vysokix davleniyax i temperaturax, Izvestiya vysshix uchebnyx zavedenij, Seriya «Geologiya i Razvedka», 2003, No 5, pp. 47-51.
8. Salmon D., Roebben G., Lamberty A., Brandt R. Report EUR 21764 EN. ISBN 92-894-9920-6 (2007). EES
46
