Главная  Переработка нефти и газа 

Скачать эту книгу

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 [ 55 ] 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78

температуры на поверхности или в недрах земли, конвективный перенос тепла при миграции жидкостей и газов, химические процессы в недрах земли и др.

Периодические колебания температуры на поверхности земли убывают с глубиной по экспоненциальному закону и запаздывают по пути распространения, напоминая движение быстро затухающих волн. В нервом приближении амплитуда колебаний температуры на глубине h и запаздывание ее экстремальных значений могут быть вычислены по следующей известной формуле плоской гармонической [37] температурной волны

АГ =АГое""8т2я(---), (XI. 2)

причем длина теплопроводной волны

кд = 2УяаГд, (XI. 3)

где tg - период колебаний температур; АГ - амплитуда температуры на поверхности; а - коэффициент температуропроводности; h - глубина; t - время.

Амплитуда температуры затухает с глубиной но формуле

АГао = АГое (XI. 4)

Хотя сходство между волновым движением и распределением периодических колебаний температуры кажется формальным, так называемые темнературные волны подчиняются законам суперпозиции, преломления, отражения волн и пр.

На глубине полуволны hJ2 амплитуда температуры затухает до 4,3% первоначального значения и запаздывает по времени на половину периода tg/2. Ниже глубины полуволны колебания температуры становится трудно заметить. Например, на глубине, равной длине волны, амплитуда температуры затухает до 0,2% своего значения на поверхности, практически исчезает.

Так, для температуропроводности а = 0,005 м1ч при суточном цикле колебаний температуры tg = 2Ач длина температурной волны равна в соответствии с формулой (XI. 3) hg = 1,2 м. Значит, в случае суточных колебаний температуры на поверхности порядка ±10° С заметим на глубине 60 см колебания температуры ± 0,4 -г- ±0,5° С, причем максимальная температура на этой глубине будет ночью и минимальная днем.

Для годичного температурного цикла получаем для принятой температуропроводности длину волны hg = 23 м. Если годовая амплитуда колебаний температуры равна ±20°, то на глубине примерно 11,5 м будем замечать колебания ±0,8° С -ь ±0,9°С, причем теплее будет зимой.

Вследствие чрезвычайно медленного распространения тепла Б земной коре геотермические кривые сохраняют в течение длительного времени информацию о давно происшедших событиях, что может представлять интерес для геологов, изучаюш;их историю теплового режима земли, связанного, например, с периодическими изменениями климата, вертикальнымиколебаниями земной коры, перемещениями полюсов холода и пр. Так, изменения климата Земли с периодом 1 млн. лет могут быть обнаружены на глубине около 10 км спустя 0,5 млн. лет после экстремального значения температуры на поверхности.

Кроме колебаний температуры на поверхности, сильное влияние на формирование теплопроводных потоков в земной коре оказывают структурные формы и тектонические процессы. Таким образом, тепловое поле Земли может быть использовано также и в качестве геологопоискового признака.

В этой связи ниже излагаем основные представления,принимаемые в основу интерпретации геотермического поля, а также некоторые новые решения для использования в области геотермических исследований.

поиски ГЛУБИННЫХ СТРУКТУР Геотермический тепловой поток

сохраняет вертикальное направление лишь при горизонтальном залегании осадочных пород. При наклонном залегании отмечаются заметные нарушения теплового поля вследствие анизотропии осадочных пород. Теплопроводность пород по напластованию всегда больше, чем вкрест напластования, поэтому теплопроводные потоки приобретают тенденцию к течению по напластованию. В результате этого в сводах антиклинальных структур интенсивность теплопроводных потоков нарастает; антиклинальные структуры как бы фокусируют тепловой поток. На этом основании тепловое поле используется, правда еще в недостаточной мере, как поисковый признак [16], [30] для выявления глубинных структурных элементов.

Имеется некоторая формальная аналогия между теплопроводным и световым потоками. Теплопроводный поток, «просвечивая» весь осадочный комплекс пород, дает на горизонтальных «экранах» неглубоко залегающих пластов изображения более глубоких структурных элементов. Своды складок отмечаются обычно повышением температуры и геотермического градиента. Карты изогеоградиентов, построенные геологом УкрНИГРИ Думанским С. Г. [15] для карпатских регионов, показывают, что геотермический градиент на сводах структур в полтора-два раза выше, чем на периферии. Изолинии градиентов температуры на небольших глубинах в интервале 500-1000 ж хорошо воспроизводят структурные формы залежей •на больших глубинах порядка 3000-4000 м. По картам изоградиен-тов температуры можно обнаружить также крупные тектонические нарушения, соляные штоки и пр. Видимо и глубина залегания кристаллического фундамента будет отражаться на региональных

картах изоградиентов температур. По таким картам можно делать пока только качественные выводы. Количественные выводы но температурным картам можно делать но данным аналитических исследований различных случаев теплопроводного «просвечивания» земного покрова.

В качестве простейшего примера аналитического подхода к проблемам температурного ноля Земли рассмотрим случай вертикального взброса. Если расстояние L между плоскостями разрыва велико или L > h, где - амплитуда взброса, то охлаждение поднятых масс горных пород будет определяться в основном температурой на поверхности Земли. Задача приводится к случаю полуограниченного стержня с заданным геотермическим распределением температур в начальный момент времени (К) = Тд-{- Гк. После подйятия блока на высоту ho и размыва приподнятой части до уровня земли вступает в силу новое граничное условие Т (hg) = = const. Решение этой задачи имеет следуюш;ий вид

Г (А) = Г„ + Г {К + h)- rh, erfc (j) (XI. 5)

Из (XI. 5) вытекает три важных количественных вывода - глубина Ан, ниже которой охлаждение пород с поверхности практически не нарушает первоначального геотермического градиента распределения температур, может быть найдена из соотношения 4 У at; касательная к геотерме в точках на глубине h >>ha пересекается с абсциссой Т на уровне нейтрального слоя в точке Гц Н- rh, которая соответствует первоначальной геотермической температуре в этом слое; фактический геотермический градиент на уровне нейтрального слоя определяется формулой Г (l --• Например,

для г = 0,03 град1м, /io= ЮОО ж, а = 0,002 м1ч через 100000 лет от момента взброса первоначальный градиент может быть обнаружен

на глубине йн == 4 "0,002 • 100 ООО • 8760 = 5000 м, а градиент

- г. , 1000 4 1 р температуры на уровне нейтрального слоя будет 1 -- - 1

«5 1,5/", т. е. около 50% выше первоначального. Данный пример иллюстрирует возможности аналитических методов в области геологических исследований.

Кроме неремеш;ений больших масс осадочных пород, на характер теплопроводных потоков оказывают влияние периодические изменения климата, конвективный перенос тепла мигрируюш;ими массами жидкости и газа, термические реакции, происходящие в недрах земли, и т. д., о чем будет сказано дальше.

Для геотермических исследований важное значение имеют глубинные измерения истинного теплового поля Земли. В стволе скважины первоначальное состояние ноля в той или иной мере нарушается. Замеры геотермического градиента в скважинах, работающих длительное время, обычно не дают точных результатов, поэтому