Геотермическии градиент

Измерение температуры

Температура

В общем случае температура пласта увеличивается с глубиной. Степень этого увеличения называется геотермическим градиентом. До глубины 50-400 футов, где температура находится под влиянием изменений температуры атмосферы и циркулирующих грунтовых вод, геотермический градиент относительно постоянен. Однако, будучи достаточно постоянной в какой-либо одиночной скважине, величина геотермического градиента может существенно варьировать от участка к участку, даже в пределах одновозрастного горизонта [25]. В отличие от пластового давления, обычно снижающегося по мере извлечения из залежи нефти и газа, пластовая температура в основном остается постоянной.

Измерение пластовой температуры производится самозаписывающими термометрами, опускаемыми в скважину. Записывающий прибор может находиться внутри инструмента, называемого температурной бомбой, которая опускается в скважину, или оставаться на поверхности, а в скважину в этом случае опускается только сам термометр [26]. Если необходимо замерить величину температуры, соответствующей термическому равновесию, скважина должна быть остановлена на несколько дней или даже недель, чтобы исключить влияние различных локальных факторов, могущих привести к изменению температуры, как, например, схватывание цемента за колонной, поступление в скважину газа или воды вследствие нарушения колонны и т.п.

Величина геотермического градиента равна отношению разности пластовой температуры и среднегодовой температуры на поверхности к глубине залегания пласта.

Геотермическии градиент = (пластовая температура ‑ среднегодовая температура)/глубина залегания пласта

Величина геотермического градиента может быть выражена по-разному. Иногда она выражается в градусах Фаренгейта на 100 футов глубины, составляя в

Фиг. 9-14. Геотермический градиент (около 1°F/62,5 фут), нефтяное месторождение Элк-Бейсин, Вайоминг (Espach, Fry, U.S. Bur. Mines, RI 4768, Fig. 12, opp., p. 10).

Фиг. 9-15. Градиенты температуры и давления, группа месторождений района Большая Офисина, Венесуэла (геотермический градиент равен примерно 1°F/50 фут глубины (Неdberg, Sass, Funkhouser, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 31, p. 2124, Fig. 11, 1947).

среднем 2°F на 100 футов (1°С на каждые 27,5 м). Более распространено обратное выражение ‑ количество футов возрастания глубины, приходящееся на 1°F увеличения температуры¹. Этот показатель составляет в среднем 50 футов/Г F, изменяясь от 20 до 180 футов на 1°F. Таким образом, на забое 5000-футовой скважины

¹В советской литературе этот показатель называется геотермической ступенью и измеряется в м /°С. - Прим. перев.

температура должна достигать 160°F (температура на поверхности 60°F плюс 100°F ‑ по средней величине градиента для глубины 5000 футов). Типичные геотермические градиенты показаны на фиг. 9-14, 9-15 и 9-16. Аномально высокие величины геотермического градиента достигают 20-40 футов /°F, а аномально низкие ‑ 120-180 футов /°F.

Изотермическая поверхность ‑ это такая поверхность, на которой температура постоянна во всех точках. На профиле фиг. 9-17 показан ряд изотермических поверхностей между городами Талса и Оклахома-Сити в Оклахоме. В частности, геотермическая поверхность, соответствующая

Фиг. 9-16. Геотермические градиенты, группа залежей в северо-восточном Техасе и северо-западной Луизиане (величина градиента изменяется от 1°F/44 фут/лр 1° F/50 фут) (Nichols, Tech. Paper 2114, Trans. Am. Inst. Min. Met. Engrs., 170, p. 46, Fig. 2, 1947).

100°F близ Оклахома-Сити располагается на глубине около 4200 футов, а близ Талсы, в 100 милях от первого, на глубине 1800 футов [27]. Это значит, что геотермический градиент близ Оклахома-Сити равен примерно 1°F на 100 футов, в то время как близ Талсы ‑ 1°F на 36 футов. Разрез в районе Талсы представлен более древними, чем в районе Оклахома-Сити, докембрийскими гранитами и метаморфическими породами фундамента, характеризующимися и более высокой степенью теплопроводности.

Геотермический градиент может быть показан в виде изолиний. Линии равных значений температуры, расположенные на какой-либо поверхности выше или ниже уровня моря, называются изогеотермами. Если горизонтали, проведенные через 100 футов глубины соответствуют геотермическому градиенту, то такие карты называются картами изоградиентов. На фиг. 9-18 показаны карты изоградиентов для некоторых районов Техаса, Нью-Мексико, Оклахомы, Арканзаса и Луизианы, где величина геотермического градиента варьирует примерно в пределах 0,4-2,2°F на 100 футов глубины [28]. Интересен аномально низкий градиент температур, образующий «впадины» примерно в центральной части бассейна Мидленд в Нью-Мексико и западном Техасе.

Возрастающий интерес к добыче нефти и газа с глубин свыше 15 000 футов (4,5 км) вызывает ряд проблем, связанных с влиянием высоких давлений и температур, которые могут быть встречены на этих глубинах. В США температура 212°F (100°С) была зафиксирована в трех случаях на глубинах менее 7000 футов и в трех случаях ‑ на глубинах свыше 10 000 футов [29]. Критическая температура воды 374° С (705°F), судя по расчетам, характерна для глубины, значительно

Фиг. 9-17. Профиль, показывающий изменение пложения изотермических поверхностей между городами Оклахома-Сити и Талса на расстоянии примерно 100 миль (McCutchin, Bull. Am. Assoc. Petrol. Geol., 14, p. 542, Fig. 2).

Изотерма 100°F располагается на глубинах, соответствующих изменению величины геотермического градиента от 1°F/107 фут на западе до 1°F/36,5 фут на востоке, примерно параллельно напластованию осадков. Наиболее древние палеозойские отложения и докембрийские граниты в восточной части профиля располагаются ближе к поверхности, чем в западной.

превышающей 30 000 футов (9 км). Давления и температуры, замеренные в нескольких глубоких скважинах, приведены в табл. 9-1. Следует заметить, что градиенты давления

Фиг. 9-18. Карта изотермальных градиентов Техаса и части Луизианы в градусах Фаренгейта на 100 футов глубины (Nichols, Trans. Am. Inst. Min. Met. Engrs., 170, p. 46, Fig. 2, 1947).

Величина пластовой температуры в любой точке карты может быть определена путем умножения величины геотермального градиента в этой точке на глубину и прибавления к получившемуся результату среднегодовой температуры на поверхности 74°F.

и температуры в некоторых из этих глубоких скважин даже меньше, чем во многих нефтегазоносных районах, характеризующихся высокими значениями градиентов.

Когда замеры температур произведены достаточно тщательно, то на диаграммах температура ‑ глубина градиент обычно представляет собой линию, слегка изогнутую в сторону оси глубин. С глубиной наклон этой линии слегка увеличивается, что указывает на постепенное возрастание градиента температуры по мере погружения [29].

Геотермический градиент, замеренный в той или иной скважине либо в том или ином районе, может варьировать в зависимости от типа пород, слагающих разрез. В частности, в одной из скважин, пробуренных в Нью-Мексико [30 ], замерены следующие градиенты для различных типов отложений:

Средний геотермический градиент по этой скважине, максимальная глубина которой 6 683 фута (пермь), составляет 131,8 фут /°F, причем в интервале глубин 0-3 500 футов он равен 2°F на 100 футов, а в интервале 3 500-6 300 футов ‑ 1,2°F на 100 футов. Примерно такой же характер имеет усредненная кривая геотермического градиента по восьми исследованным скважинам месторождения Рейнджли в Колорадо [31], показанная на фиг. 9-19, на которой изменения геотермического градиента происходят на отметке 1800 футов выше уровня моря, где глинистые породы формации Манкос (верхний мел) налегают на песчаники формации Дакота (верхний мел). На фиг. 9-20 показано изменение геотермического градиента в залежи месторождения Ла-Пас в западной Венесуэле. Величина геотермического градиента изменяется от 1,66° F/100 фут в интервале 0-4000 футов до 1,0°F на 100 футов ниже этой глубины, соответствующей переходу от третичных песчаников и сланцев к меловым известнякам. Во всех приведенных случаях изменения величины градиента, по-видимому, лучше всего объясняются изменением теплопро водности (см. стр. 398: глава 9, источники тепловой энергии. – А.Ф.) вскрытых скважинами

Фиг. 9-19. Усредненная ттоооп кривая по восьми температурным градиентам месторождения Рейнджли, Колорадо (Cupps, Lipstate, Fru U.S. Bur. Mines, RI 4761, Fig. 5, 1951).

Изменение величины градиента от 1°F/51 фут дo 1°F/68 фут на отметке 1800 футов выше уровня моря (на глубине около3500 футов) соответствует контакту подошвы сланцев Манкос и кровли песчаников Дакота (мел), что, видимо, связано с различной теплопроводностью песчаников и сланцев.

Величина геотермического градиента может изменяться и в пределах локальной структуры, Например, величины геотермического градиента, замеренные в сводовых частях 57 антиклинальных складок [32], составляют 47,4-50,6 футов на 1°F, а на крыльях этих же складок ‑ 51,3-62,1 фута на 1°F. Детальное изучение пластовой температуры в песчаниках Уэбер (пенсильваний) на месторождении Рейнджли в Колорадо также свидетельствует о влиянии на величину замеряемой температуры положения скважины на структуре. На фиг. 9-21 видно, что изотерма 160°F повышается на своде и снижается на крыле антиклинали. Нефтеносные антиклинальные складки в Оклахоме также характеризуются относительно повышенными температурами по сравнению с окружающими участками [26]. Различия эти очень малы, но вполне измеримы и безусловно закономерны.

Исследования, проведенные в Калифорнии [33] и долине Рейна [34], свидетельствуют о том, что само по себе наличие в пластах нефти и газа не влияет на температуру. Последняя изменяется главным образом в связи

Фиг. 9-20. Изменение величины геотермического градиента от дневной поверхности до подошвы песчаников Газарс, до глубины около 4000 футов, и в меловых известняках в интервале 4000-9000 футов (среднегодовая температура на поверхности 83,3°F) (Rоjas, Smith, Austin, Report of Ministry of Mines and Hydrocarbons, Venezuela, Nat. Petr. Convention, p. 214, Fig. 5, 1951).

с изменением структурного положения точки замера: в точках более высокого гипсометрического положения температура повышается независимо от наличия нефти. Положительные температурные аномалии фиксируются также над

Фиг. 9-21. Изогеотермический профиль месторождения Рейнджли, Колорадо (Lipstate, Fry, U.S. Bur. Mines, RI 4761, opp., p. 6, Fig. 6, 1951).

Замеры температуры произведены вкрест простирания структуры. Изогеотерма 160°F пересекает кровлю продуктивных песчаников Уэбер (пенсильваний) на крутом крыле складки. а ‑ кровля песчаников Уэбер; б ‑ плоскость через главную ось складки по кровле песчаников Уэбер.

соляными куполами. По-видимому, повышение температуры над приподнятыми участками объясняется более близким залеганием к поверхности пород, имеющих более высокую температуру. Теоретически по температурным картам неглубоких горизонтов можно выявить положительные структуры, однако стоимость этих работ, видимо, значительно выше, чем других методов структурного картирования.