Геотермические условия в природных резервуарах и нефтегазоносных комплексах

Температура играет ведущую роль в формировании фазово-генетической зональности нефтегазообразования и вертикальной зональности нефте- и газонакопления Фазово-генетическая зональность определяется палеотемпературами, существовавшими на этапе генерации УВ, а размещение скоплений нефти и газа в основном связано с современными температурами. Знание температуры необходимо также для изучения свойств пластовой нефти, газа и воды и при решении технических вопросов, связанных с тампонажем скважин, их перфорацией и других.

Температурное поле земной коры разделяется нейтральным или изотермическим слоем, на две совершенно разные по толщине и тепловому режиму зоны: верхнюю – гелиотермозону и нижнюю – геотермозону.

Нейтральный слой – это слой, в пределах которого прекращаются годовые сезонные колебания температуры, обусловленные климатическими причинами. В умеренных широтах с континентальным климатом нейтральный слой в среднем лежит на глубине 20-25 м.

Гелиотермозона расположена между земной поверхностью и нейтральным слоем. Её тепловой режим определяется сезонными колебаниями температуры под влиянием годовых изменений солнечной радиации.

В геотермозоне температура возрастает с глубиной, а тепловой режим определяется следующими параметрами: плотностью теплового потока, теплофизическими свойствами пород, геотермическим градиентом или его обратной величиной – геотермической ступенью и температурой.

Температура – это параметр, доступный для непосредственного измерения в скважинах или горных выработках после установления в них температурного равновесия. Результаты замеров температур используются для определения геотермической ступени и геотермического градиента, которые затем используются для характеристики температурных условий недр.

Геотермическая ступень это – вертикальный интервал в разрезе земной коры в метрах ниже зоны постоянной температуры, на котором температура горных пород повышается на 1 ºС.

Величина геотермической ступени в разных тектонических областях и на различных глубинах неодинакова и колеблется в пределах от 5 до 150 м. Среднее её значение равно 33 м.

Геотермическая ступень К определяется по формуле:

где Н – глубина замера температуры, м;

h – глубина слоя постоянной температуры, м;

Т – температура на глубине Н, ºС;

t – среднегодовая температура воздуха на поверхности, ºС.

Для более точной характеристики геотермической ступени и определения геотермического градиента необходимо иметь замеры температуры по всему стволу скважины.

Геотермический градиент это – прирост температуры в ºС при углублении на каждые 100 м от зоны постоянной температуры. Он показывает интенсивность нарастания температуры с глубиной. Величина геотермического градиента Г равна:

=.

Следовательно, геотермический градиент является величиной, обратной геотермической ступени.

Геотермический градиент зависит от геологического строения района, величины плотности теплового потока, теплофизических свойств пород, которые определяются их литологическими и петрографическими особенностями. Повышение теплопроводности пород ведет к снижению геотермического градиента и наоборот. Поэтому в разрезах, где преобладают менее теплопроводные глинистые породы он выше, чем в плотных соленосных и карбонатных породах. Значение геотермического градиента в разных районах и на разных глубинах меняется от 0,5 до 20 ºС и более, а его среднее значение равно 3,3 °С.

Главными факторами, определяющими температурные условия недр, являются тепловой поток, который генерируется в верхней мантии Земли и теплопроводность горных пород.

Глубинный тепловой поток состоит из кондуктивного и конвективного тепломассопереноса. Кондуктивный тепломассоперенос осуществляется посредством теплопроводности горных пород, а конвективный тепломассопереносом - посредством магматизма, мантийного диапиризма, дегазации недр и гидротерм. При том до 20 % тепла добавляется к глубинному тепловому потоку, которое образуется за счет естественной радиоактивности глинистых отложений. Большое количество тепла образуется при проявлении новейшего тектогенеза, современной геодинамики литосферы и при гравитационном уплотнении осадочных пород.

В верхних горизонтах осадочного чехла глубинный тепловой поток под действием целого ряда факторов искажается. Среди них выделяются следующие факторы.

1. Геотектонический фактор. Его роль проявляется в том, что с увеличением возраста тектонических структур земной коры плотность теплового потока уменьшается.

2. Структурный фактор. В пределах куполовидных поднятий и антиклиналей, особенно с большими углами наклона пород, плотность теплового потока на 5-20 % выше по сравнению со смежными синклиналями. Данный эффект объясняется лучшей теплопроводностью пород по напластованию слоев, чем перпендикулярно к земной поверхности.

3. Гидрогеологический фактор. Его роль проявляется за счет высокой миграционной способности и теплопроводности воды. В зонах активного водообмена за счет гидрогеологического фактора может происходить изменение величины теплового поля в среднем на 25 %. В условиях затрудненного водообмена, с которыми обычно связаны скопления нефти и газа, влияние этого фактора практически не ощутимо.

4. Седиментационный фактор. В седиментационных бассейнах часть тепла идет на нагревание осадков. Величина искажения теплового потока здесь зависит от скорости и времени осадконакопления и теплофизических свойств формирующихся пород. В областях интенсивного осадконакопления, в том числе в передовых прогибах альпийских подвижных поясов тепловой поток снижается от 15-20 до 30 %.

5. Денудационный фактор оказывает противоположное действие седиментационному фактору, то есть приводит к повышению теплового потока. Связан он с подъемом тектонических структур, который сопровождается денудацией горных пород.

6. Геоморфологический фактор. В пределах отрицательных форм рельефа тепловой поток выше, по сравнению с положительными смежными структурами. Однако искажение теплового поля за счет рельефа составляет от 3 до 8 % и ощутимо только на глубинах от 100 до 300 м от земной поверхности.

7. Теплофизический фактор, или теплопроводность пород. Теплопроводность является важнейшим показателем теплофизических свойств горных пород. Она определяет количество тепла, проходящее в единицу времени через единицу площади при падении температуры в 1 °С на единицу длины и обусловливает кондуктивную теплопередачу и распределение тепла в земной коре.

Теплофизические свойства осадочных пород определяются их вещественным составом, структурой, текстурой, плотностью, типом насыщающего флюида и количеством ОВ. Минимальной теплопроводностью среди осадочных пород обладают угли и сланцы, а максимальной – плотные карбонатные породы и эвапориты. В порядке возрастания теплопроводности горные породы распределяются следующим образом: угли – глины - песчаники – известняки – доломиты – каменная соль – метаморфические породы – магматические породы.