книги / Теплопередача в скважинах

воздуха и грунта вблизи дневной поверхности, в то время как эффект

путем обработки многолетних метеорологических наблюдений с по­ мощью известных методов математической статистики и теории веро­ ятностей. Для этого материалы Главного управления гидрометеороло­ гической службы СССР (ГУГМС), характеризующие изменения тем­ пературы по 14 пунктам СССР за последние 50—100 лет, были обра­ ботаны методом наименьших квадратов на ЭЦВМ «Минск-22». Так как предполагалось установить только тенденцию изменения температуры воздуха и грунта на различных глубинах во времени, то эксперимен­ тальные точки аппроксимировались прямыми линиями. Причем оказалось, что такие характеристики аппроксимации, как средне­ квадратичная ошибка и остаточное среднеквадратичное отклонение, указывают на достаточно удачный выбор зависимости вида

год, °С; т — время в годах, отсчитываемое с начала измерений темпе­ ратуры в данном пункте; а — среднегодовая температура в первый год измерений, °С; Ъ — тангенс угла наклона прямой к оси времени.

Тангенс угла наклона прямой характеризует изменение темпера­ туры с течением времени. Положительное его значение указывает на рост температуры со временем, а отрицательное значение — на снижение температуры.

При подсчете тангенса угла наклона также оценивали относи­ тельную ошибку измерений, причем если величина тангенса оказыва­ лась меньше или равной ошибке, то считали, что в данном случае температура с течением времени остается величиной постоянной. При подсчете относительной ошибки полагали, что температура изме­ рялась с точностью 0,05° С, а истинные значения температуры равны среднеарифметическому из многолетних наблюдений.

Результаты расчетов приведены в табл. 7, где коэффициенты угла наклона прямой, имеющие значения меньше относительной ошибки, приняты равными нулю.

Анализируя табл. 7, убеждаемся, что по всем пунктам наблюде­ ния температура воздуха не изменяется или незначительно увеличи­ вается. Температура грунта в 10 пунктах увеличивается, в двух пунктах (Харькове и Одессе) она уменьшается и в остальных двух (Пензе и Иркутске) температура сохраняется неизменной. Обращает на себя внимание тот факт, что такая закономерность наблюдается для любой из приведенных глубин измерения.

Приведенный анализ показал, что температура верхних слоев гелиотермозоны вблизи дневной поверхности с течением времени изменяется, в то время как температура воздуха сохраняется почти неизменной. Объяснить однозначно причины подобного явления пока трудно. Отметим только, что изменение температуры грунта

вблизи дневной поверхности может отражать активные глубинные процессы, обусловливающие стационарный, вернее псевдостационарный, тепловой режим гелиотермозоны. Однако при расчете тем­ пературы в стволе скважины нет необходимости учитывать эти незначительные изменения.

§ 5. ГРАФИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ ГЕЛИОТЕРМОЗОНЫ

Несмотря на то, что в последние годы разработаны методы опре­ деления глубинной температуры расчетным путем, наиболее надеж­ ными остаются экспериментальные данные, получаемые при исследо­ вании длительно простаивающих скважин. Результаты измерений

Рис. 18. Геотерма скв. 9 Некрасовская

температуры в скважине позволяют представить ее температурное поле в виде геотермы — кривой распределения температуры пе глубине в данной точке Земли.

Экспериментально измеренное распределение температуры в сква­ жине является наиболее полным и надежным источником информации

53:

об особенностях теплового поля, чем такие параметры, как гео­ термический градиент и тепловой поток.

Геотермический градиент, характеризующий интенсивность нара­

термических карт и схем. В ней отражено влияние всех гео­ логических, географических и технологических факторов на рас­ пределение стационарной температуры в стволе скважины. Наиболее дифференцированы геотермы, записанные термографами непрерывно при малых скоростях перемещения их в стволе. Они позволяют не

•54

только дифференцировать геологический разрез по тепяофизическим свойствам, но и оценивать влияние специфических факторов.

На рис. 18 приведена геотерма скв. 9 Некрасовская Краснодарского края, которая убеждает, что в любом интервале ствола, даже в однородных по литологическому составу горных породах, темп изме­ нения температуры не остается постоянным. В верхнем участке

Основным недостатком геотермы следует считать узость ее пред­ ставления геотемпературного поля в региональном плане, так как она характеризует только конкретную точку региона.

Для геотермической характеристики небольших площадей и месторождений используют геотермические разрезы, которые строят путем усреднения известными способами геотерм. Геотермиче­ ские разрезы включают в себя средненормальный геологический раз­ рез и усредненную диаграмму изменения геотермического градиента

Рис, 20. Схематический геотермический профиль по линии Балаханы — Сабунчи — о. Песчаный

с глубиной (рис. 19). Являясь более общей по сравнению с геотермой характеристикой теплового поля, геотермический разрез отражает общие закономерности изменения температуры с глубиной безотно­ сительно к тектоническому строению района. В этом состоит главный недостаток представления стационарного температурного поля в виде средних геотермических разрезов.

Более обширные сведения о распределении температуры как по глубине, так и по простиранию могут дать геотермические про­ фили, представляющие собой семейство геоизотерм на вертикаль­ ных плоскостях, проведенных через линии трассы геологического профиля (рис. 20). Обычно геоизотермы на профили наносят с интер­ валом 10 градусов, но не исключена более подробная характеристика температурного поля горных пород вдоль трассы профиля.

Очевидно, что при выборе трассы профиля в направлении наи­ большей дифференцированности геотемпературного поля можно составить по рисунку профиля определенные представления о регио­ нальном температурном поле.

Строят геотермические профили по данным геотерм или геотер­ мических разрезов следующим образом. В масштабе наносят на планшет и ориентируют по странам света трассу выбранного про­ филя с указанием точек, соответствующих скважинам (или месторо­ ждениям). Из этих точек опускают перпендикуляры и на них наносят

55-

шкалу глубин в любом удобном масштабе. Затем отмечают глубины, соответствующие температуре 10, 20, 30° С и полученные точки соеди­ няют плавной кривой — изотермой. Построенное таким способом семейство изотерм характеризует изменение температуры по глубине и по прЗостиранию вдоль трассы профиля.

Как видим, возможности для характеристики регионального геотемпера^урного поля с помощью геотермических профилей хотя

Рпс. 21. Схематическая карта геонзотерм по кровле альбских отло­ жений Ставропольского края:

1 — геоизотермы по кровле альбских отложений; 2 — районы выхода альбаитских отложений на поверхность; 3 — районы неглубокого залегания альб-* ских отложений; 4 — районы отсутствия альбских отложений

и больше, но ограниченные. В лучшем случае необходимо распола­ гать двумя профилями, трассы которых взаимно перпендикулярны. Геотермические профили используют для построения различных гео­ термических карт.

К настоящему времени для характеристики регионального геотемпературиого поля разработаны методы составления следующих

56

Карта изотерм по кровле (подошве) комплекса представляет собой изображение следов пересечения изотермических поверхностей с по­ верхностью рельефа данного комплекса горных пород.

2. Карта глубин положения изотермической поверхности (50г 100, 150° С и т. д.), которая позволяет фиксировать различные температурные аномали (рис. 22), представляет собой изображение рельефа рассматриваемой изотермической поверхности.

3. Карты-срезы изотерм для глубин 500, 1000, 1500 м и т. д., позволяющие сравнительно полно картировать тепловые поля, осу­ ществлять расчеты тепловых потоков и решать другие задачи

Рис. 22. Геотермическая карта Днепровско-Донецкой впадины:

1 — пункты наблюдений (скважины); 2 — горизонтали изотермической поверхности +50° С; 3 — зоны краевых нарушений

(рис. 23), получают методом мысленного пересечения изотермических поверхностей горизонтальной плоскостью, проходящей на рассматри­ ваемой глубине.

4.Карты геотермического градиента, на которых изображаются

визолиниях изменения величины геотермического градиента по пло­ щади и на глубину, дают представление об изменении напряженности теплового поля в пределах различных структур (рис. 24).

Кроме того, иногда требуется графическое представление в виде карт зоны влияния солнечной энергии и геокриологической карты. Последняя весьма необходима для характеристики температурного состояния пород в районах Севера и характеристики распростране­ ния вечномерзлых пород по региону и глубине. Построение геотерми­ ческих карт ведут так же, как построение карт изобар, изогипсг

57

изопахит и т. д. На региональный план, ориентированный по отноше­ нию к странам света, наносят в определенном масштабе пункты гео­ термических исследований с указанием температуры на фиксирован­ ной глубине (для карт-срезов) или глубины положения определенной изотермической поверхности (для карт глубин изотермической по­ верхности). Точки наблюдений соединяют прямыми отрезками, на которые наносят методом интерполяции точки, соответствующие числу градусов рассматриваемой изотермической поверхности (на­

копаемых и геотермальных вод. Однако при использовании подобных карт для решения технико­

технологических задач в процессе проводки и эксплуатации скважин возникают серьезные трудности. Дело в том, что упомянутые карты обладают серьезным недостатком: они не дают дифференцирован­ ного представления о распределении температуры по глубине (в отли­ чие от геотермических профилей). Исключить этот существенный недостаток можно, например, путем построения карт-срезов для раз­ ных глубин с оптимальным интервалом. Это не лучший вариант решения задачи, так как для полной геотермической характеристики региона требуется большое количество карт (через каждые 250—

59

16 15

Рис. 25. Пространственная геотермическая карта Краснодарского края