К вопросу об определении основных геотермических параметров
Д.И. Дьяконов
В настоящее время все большее развитие получают геотермические исследования скважин, особенно в нефтяной и газовой промышленности [1, 2, 3, 4], при гидрогеологических исследованиях [5, 6, 7], а также при решении важнейших проблем вулканологии, мерзлотоведения, геохимии и практического использования тепла Земли [6]. Остро назрела необходимость проведения систематических и массовых геотермических исследований в возможно большем количестве скважин по единой рациональной методике, позволяющей обобщать получаемые данные в районных и в региональных масштабах [2].
В связи с этим целесообразно остановиться на некоторых методических вопросах геотермических исследований.
Средние значения геотермического градиента (Г) и геотермической ступени (G) определяются по известным формулам, что является первым этапом обработки результатов измерений [1 и др.]. Причем наибольшая глубина отсчетов температуры, используемых при расчете Гср и Gср, должна быть выше интервала наблюдаемых искажений геотермограмм в призабойной зоне, а наименьшая глубина этих отсчетов должна быть близка к глубине нейтрального слоя, но больше глубины, на которой геотермограммы искажаются влиянием поверхностных факторов (искажения нередко наблюдаются до глубин 50-100 м).
При использовании средних значений Г и G необходимо указывать в приводимом результате максимальную глубину исследования. Например, если средний геотермический градиент рассчитан до максимальной глубины Hмакс = 1250 м, то его следует обозначить индексом Гср (1250).
Для удобства сопоставления и обобщения геотермических данных рекомендуется определять величины Гср и Gср как для интервалов от наименьшей Нмин до наибольшей глубины Нмакс, так и от наименьшей глубины исследования Нмин до некоторых заданных глубин, например, до 500, 1000, 1500 м и т. д.
Средними значениями геотермического градиента и геотермической ступени пользуются для построения геотермических карт, определения плотности теплового потока, оценки температур на неисследованных глубинах и для других целей.
В районах, где геологические разрезы представлены толщами пород с разными термическими свойствами, целесообразно для различных литологически однородных интервалов разрезов скважин, кроме средних, находить также частные значения Г и G. Последние позволяют определять литолого-петрографическую характеристику пород исследуемых интервалов разрезов скважин, а анализ их вариаций по площади дает возможность изучать фациальные изменения отдельных толщ и геологическое строение исследуемых районов (При благоприятных условиях и в комплексе с другими методами исследований геологического разреза. - Ред.). Например, на геотермических картах по майкопским отложениям Ставрополья и отложениям плиоцена нефтяного месторождения Зыбза Краснодарского края отчетливо отразились основные черты глубинной тектоники [1].
Если комплекс отложений литологически достаточно однороден по площади, то изменения теплового сопротивления пород не влияют на частные значения Г и G, которые зависят главным образом от плотности теплового потока, связанной с геологическим строением недр.
При гидрогеологических исследованиях частные значения Г и G определяются для отдельных водоносных комплексов отложений. Некоторые исследователи находят частные значения Г и G в разных скважинах на одинаковых интервалах разреза, например, через каждые 100 или 250 м от земной поверхности без учета изменения характера разрезов. Такая методика исключает возможность сопоставления по площадям геотермической характеристики однотипных отложений и приемлема лишь для районов с резко меняющимися или недостаточно изученными геологическими условиями.
Геотермическую характеристику целесообразно сопоставлять с имеющимися данными о стратиграфическом и литологическом расчленении разрезов исследуемых скважин. Например, для Терско-Дагестанской нефтеносной провинции характерно закономерное снижение геотермического градиента при переходе от третичных к верхнемеловым отложениям и относительное повышение градиента при переходе от карбонатных верхнемеловых к Терригенный нижнемеловым отложениям. На рис. 1, в качестве примера приведена геотермическая характеристика разреза скважины 24 Дузлак, четко отвечающая различным стратиграфическим единицам разреза.
По частным значениям для отдельных интервалов разреза средний геотермический градиент определяется как среднее взвешенное по известным формулам [1].
Важным параметром при геофизических исследованиях является плотность теплового потока, для определения которой необходимо знать тепловое сопротивление горных пород разреза в пункте наблюдений. Поэтому в районе геотермических исследований следует изучать термические свойства горных пород.
Плотности теплового потока в настоящее время определяются как на материках, так и на дне океанов. Зная плотность теплового потока для данного пункта наблюдений и тепловые сопротивления пород, слагающих разрез, можно найти среднее значение геотермического градиента.
Величины геотермического градиента, определенные таким образом, наиболее точно характеризуют тепловое поле е пункте наблюдений. Наконец, зная величины теплового потока и геотермического градиента в заданных интервалах разреза, можно вычислить величины теплового сопротивления горных пород и по ним характеризовать горные породы, слагающие исследуемый разрез.
Естественную температуру пород на исследованной заданной глубине находят по геотермограммам, полученным в скважинах с установившимся тепловым режимом. На неисследованной заданной глубине возможную естественную температуру наиболее точно можно определить, зная плотность теплового потока в пункте наблюдения и тепловые сопротивления пород на различных участках разреза.
При отсутствии сведений о плотности теплового потока и тепловых свойствах пород экстраполяция температур для глубин, находящихся вне интервалов непосредственных измерений, возможна по величине среднего геотермического градиента в исследованном интервале.
Если температуры в данной скважине не замерялись, то для экстраполяции можно использовать вероятный средний геотермический градиент Гср и среднегодовую температуру земной поверхности в пункте наблюдений.
При экстраполяции температур на большие глубины, значительно превышающие интервалы непосредственных наблюдений, следует учитывать вероятные изменения плотности теплового потока, теплового сопротивления и температурного градиента.
Возможные глубинные температуры достаточно быстро можно определять при помощи палетки (рис. 2), на которой представлено изменение температуры t с глубиной Н при различных величинах Г (°С/100 м). Кроме того, на палетке нанесены горизонтальные температурные шкалы, положение которых А определяется величинами среднегодовой температуры tзп земной поверхности в пункте наблюдений.
При помощи этой палетки можно определить температуру tH на заданной глубине Н, когда известна температура t1, измеренная на некоторой другой глубине H1, или когда глубинная температура в данном пункте района вообще не измерялась. В первом случае необходимо знать только tзп, а во втором должен быть известен и вероятный средний геотермический градиент Гср для данного района.
Если известна температура t1 на какой-либо хотя бы одной глубине H1 (обычно на забое скважины), то температуру tH на любой другой глубине Н находят следующим образом. По значению tзп определяется положение А температурной шкалы, на которой фиксируется точка P1, соответствующая известной температуре t1. Через точку P1 проводится вертикаль до пересечения в точке Р2 с горизонталью, проходящей через глубину H1. Из точки P2 проводится линия соответствующего геотермического градиента до пересечения в точке Р3 с горизонталью, проходящей через заданную глубину Н. От точки Р3 проводится вертикаль до пересечения в точке Р4 с принятой температурной шкалой А, по которой и определяется искомая температура tH. В примере, показанном на рис. 2, tзп=12° С, t1=150° С, H1=3700 м. На заданной меньшей глубине Н=1500 м искомая температура tH = 68° С.
При экстраполяции температуры с малой глубины на большую, определение производится в обратном порядке, т.е. от точки P4 к точкам Р3, P2 и P1 (см. рис. 2). Например, если в данном районе tзп=12° С, а измеренная температура t1=68° С на глубине H1=1500 м, то на заданной большей глубине Н=3700 м искомая температура tH = 150° С.
Если в данном пункте глубинная температура не измерялась, но известен вероятный геотермический градиент, то температура на заданной глубине будет определяться точкой, соответствующей данному геотермическому градиенту и заданной глубине, спроектированной на температурную шкалу, выбранную по среднегодовой температуре tзп земной поверхности.
В примере, показанном на рис. 2, Гср=3,7° С/100 м и tзп=12° С. На заданной глубине Н=1500 м, искомая температура tн=68° С, а на глубине H1 = 3700 м и tH1 = 150° С.
Приведенную палетку можно применять для приближенной оценки глубинных температур в условиях достаточной однородности геологического разреза.
Если имеются сведения об изменениях литологической, а, следовательно, и геотермической характеристики на различных интервалах разреза, то глубинные температуры при помощи палетки следует оценивать поинтервально с учетом вероятных значений геотермического градиента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Дьяконов Д.И. Геотермия в нефтяной геологии. Гостоптехиздат, 1958.
2. Дьяконов Д.И. Геотермия в региональной геологии и при изучении глубинной тектоники. «Геология нефти и газа», 1960, № 11.
3. Кошляк В.А. О связи теплового поля Западно-Сибирской низменности с рельефом доюрского фундамента. «Геология нефти и газа», 1961, № 1.
4. Мехтиев Ш.Ф., Алиев С.А. О факторах, влияющих на геотермическую ступень нефтяных месторождений Азербайджана. «Геология нефти и газа», 1960, № 3.
5. Покровский В.А. и Поляк Б.Г. О геотермических особенностях Предкавказья. ННТ, серия Геология, № 10. ГОСИНТИ, 1960.
6. Проблемы геотермии и практического использования тепла земли. Т. 1. Изд. АН СССР, 1959.
7. Сухарев Г.М. Основы нефтепромысловой гидрогеологии. Гостоптехиздат, 1956.
МИНХ и ГП им. И. М. Губкина
Рис. 1. Геотермическая характеристика разреза скв. 24 Дузлак.
1- геотермограмма; 2 - диаграмма частных значений геотермического градиента Г; по скважине Гср(700) = 5,20 ºС/100 м.
Рис. 2. Палетка для определения глубинных температур.
