Яндекс.Метрика
Авторы: А.Д.Дучков    Л.С.Соколова    Д.Е. Аюнов   

​Введение

В связи с широким распространением в настоящее время электронных технологий стало возможным предоставить пользователю накопленные в архивах материалы в виде Базы Данных (БД), обеспечивающей быстрый и удобный доступ к этим материалам. Создание такой базы данных, открывающей для общего пользования результаты измерений тепловых констант горных пород Сибири (и отчасти других регионов) безусловно можно считать актуальной задачей. Необходимо отметить, что нам не удалось найти в интернете ни одного аналога специализированной БД, обобщающей результаты измерения тепловых свойств горных пород какого-либо региона мира. В интернете присутствует глобальная БД по тепловому потоку Global Heat Flow Database (www.heatflow.und.edu). Она доступна для любого пользователя и с течением времени пополняется новыми значениями. В ней можно найти обобщенные сведения о тепловых свойствах горных пород в пунктах измерения теплового потока. Наиболее распространенными и доступными источниками данных о тепловых константах в настоящее время являются справочники по физическим свойствам горных пород, типа указанных в этом списке [1-6].

Целью создания базы - обеспечить исследователям открытый доступ к большому объему информации по тепловым свойствам горных пород Сибири. Массив информации представлен в виде базы данных, позволяющей делать запросы по множеству критериев, а также получать обобщенную и статистическую информацию по тепловым свойствам горных пород Сибири и её регионов.

База данных создана с расчетом дальнейшего пополнения новыми материалами измерений. В зависимости от необходимости планируется расширение системы разнообразных запросов и поиска по массиву данных

Материалы базы объединяют результаты исследований, проведенных в 1963-2015 гг. ИГиГ СО АН СССР, ИГФ СО РАН, ИНГГ СО РАН. Работа выполнена в Лаборатории естественных геофизических полей Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН.

Тепловые свойства горных пород

К тепловым свойствам относят обычно три тепловых константы среды: теплопроводность, температуропроводность и теплоемкость. Коэффициент теплопроводности (λ) характеризует процесс переноса тепла от более нагретых частей среды к менее нагретым, что приводит к выравниванию температуры. Коэффициент температуропроводности (k) - параметр, характеризующий скорость изменения температуры среды в нестационарных тепловых процессах. Теплоёмкость (С) - количество теплоты, поглощаемое единицей массы (удельная теплоемкость) или объема (объемная теплоемкость - ρC) вещества, при нагревании их на один градус.

Константы связаны соотношением

  λ = k·ρC ,                     (1)

г  – плотность породы.

Измерения тепловых свойств горных пород начались в ИГиГ СО АН СССР в 1960-х годах в связи с развитием геотермических работ по изучению распределения и магнитуды внутриземного теплового потока. Первоначально в лаборатории была собрана установка, реализующая зондовый метод. Позже были приобретены приборы А-25, Тепловой компаратор и ИКС (измеритель теплопроводности сканирующий). В представляемую БД вошли результаты измерений всеми указанными приборами. В основном измерения проводились на образцах сухих пород. Кратко рассмотрим технические характеристики использованных приборов.

Аппаратура

Зондовый метод разработан в начале 1960-ых годов в ИФЗ АН СССР. Зондовая установка сравнительно легко собирается из стандартных приборов по схеме, указанной на рис. 1 [7]. В основе метода лежит теория распространения тепла от мгновенного линейного источника, размещённого в бесконечной среде.

При измерениях сначала использовались, отобранные из обнажений образцы размером 100х100х100 мм, а позже полноразмерный керн диаметром 40-100 мм. Подготовка образца к измерениям заключалась в просверливании в нем на расстояниях 5-10 мм друг от друга двух параллельных отверстий, в одно из которых помещался нагреватель, в другое – спай термопары на уровне середины нагревателя. При этом обеспечивался хороший контакт нагревателя и термопары с образцом. В начале эксперимента на нагреватель подавался электрический импульс длительностью 3-4 сек и одновременно начинались измерения силы тока, напряжения и температуры в точке расположения термопары. С высокой точностью фиксировались время достижения максимальной температуры и её амплитуда. По результатам измерений рассчитываются значения k и объемная теплоемкость ρC. Значение  определяется по формуле (1). Таким образом, в зондовой установке осуществляется прямой метод измерения всех тепловых констант. Погрешность метода составляет менее 10%. Подробную информацию о теории зондового метода можно найти в работе [8]. Поскольку условия бесконечности среды на практике воспроизвести удается только на достаточно больших образцах, зондовый метод не нашел широкого применения и дальнейшего развития.

Прибор А-25. Для измерения однородных плотных (в основном магматических и метаморфических) пород в лаборатории длительное время использовался прибор А-25 конструкции ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В данном случае измерения проводятся на маленьких образцах в виде таблеток (диаметр 12 мм, высота 6 мм), специально подготовленных из горных пород. Подготовка включает целый ряд сложных операций. Сначала из кернов нарезают диски толщиной 6,5-7 мм, из них высверливают цилиндры диаметром 12 мм (3-5 штук для контроля), и путем пришлифовки доводят толщину цилиндра (таблетки) до 6 мм, обеспечивая при этом параллельность торцов.

Действие прибора основано на закономерностях стационарного теплового режима. Образец зажимается между двумя металлическими стержнями, в один из которых вмонтированы нагреватель постоянной мощности. Другой стержень является холодильником. В данной ситуации через 3-5 минут в образце устанавливается постоянный тепловой поток. Термопарами, вмонтированными в металлические стержни, измеряется в относительных единицах перепад температуры △Т на торцах образца. Если величина теплового потока во время измерений остается постоянной, то по значению △Т можно судить о теплопроводности образца при наличии установленной связи между △Т и λ. Поэтому перед началом измерений λ очередной партии горных пород проводилась градиуировка прибора на эталонах с известной теплопроводностью. В качестве эталонов использовался плавленый кварц, плексиглас, пирофиллит, мрамор. По результатам градуировки строился график △Т = f(λ), который в дальнейшем использовался для определения теплопроводности измеренных пород. Для улучшения теплового контакта торцы образцов пород и эталонов смазывались циатимом или другими смазками. Погрешность измерений теплопроводности прибором А-25 оценивается в 8%. Как уже упоминалось наиболее надежные результаты прибор А-25 показывал при измерении однородных плотных магматических и метаморфических пород. Он неприменим для изучения теплопроводности зернистых терригенных пород.

Компаратор теплопроводности (КТ). Процедура подготовки образца для измерения теплопроводности существенно облегчилась после появления в начале 1980-ых годов прибора «Компаратор теплопроводности» (А.Н. Калинин, СибНИИметрологии) [9, 10]. Функциональная схема прибора показана на рис. 2. Метод основан на двухточечном тепловом зондировании поверхности исследуемого образца двумя термозондами (4), между верхними концами которых с помощью термоэлектрической батареи (8) создаётся и поддерживается постоянная разность температур (~400С). О теплопроводности исследуемого образца (1) судят по величине термо-эдс дифференциальной термопары (5), регистрирующей разность температур между нижними концами термозондов при их контакте с поверхностью образца. Прибор предварительно градуируется по нескольким эталонам теплопроводности, в число которых входят пенополистирол, разные стекла, плавленый кварц, мрамор, сталь.

Имеющийся набор эталонов обеспечивает измерение теплопроводности в диапазоне 0,05-15 Вт/м/К с точностью ±(5-6)%. «Компаратор теплопроводности» не требует разрушения образца. Достаточно пришлифовать одну из его поверхностей или ее часть. На исследуемой поверхности обычно выполняется несколько измерений λ, что позволяет установить вариации теплопроводности, а также достаточно точно оценить среднее значение параметра. На данном приборе можно измерять теплопроводность, как сухих, так и водонасыщенных образцов, размер которых превышает 30х30х10 мм. Одно измерение выполняется в течение 5 минут. Для улучшения контакта между прибором и образцом применялась смазка наконечников термозондов.

Измеритель теплопроводности сканирующий (ИТС). С 2010 г. для измерения теплопроводности стал использоваться прибор ИТС, разработанный под руководством Ю.А. Попова в 1980-ых годах в Московском геологоразведочном институте имени С. Оржоникидзе [11]. Принципиальная схема прибора показана на рис. 3.

​В этом приборе впервые был реализован бесконтактный метод измерения теплопроводности. Метод основан на нагреве поверхности изучаемого твердого тела подвижным концентрированным источником тепловой энергии и регистрации предельных избыточных температур нагреваемой поверхности подвижным регистратором температуры. В ИТС в качестве источника тепловой энергии используется специальная электролампа с отражателем (температура светового пятна порядка 400С), а в качестве регистраторов температуры – инфракрасные радиометры. Определение теплопроводности осуществляется путем автоматического сравнения приращений температур на изучаемом образце и на двух эталонах с известной теплопроводностью, размещенных до и после образца. В качестве эталонов используется тот же набор стандартных образцов, который используется при работе с прибором КТ. Точность измерений прибором ИТС оценивается в ±4%. Измерение может быть выполнено на любой плоской или цилиндрической поверхностях, которые не требуют шлифовки, если неровности не превышают ±0.5 мм. Подготовка образца перед измерением заключается только в нанесении на его поверхность вдоль линии сканирования полосы черной эмали шириной порядка 10 мм. Качественные результаты получаются при измерениях на образцах, размер которых превышает 40х40х20 мм. Скорость сканирования составляет 4 мм/сек, что позволяет измерить 15-40 образцов в час в зависимости от их длины. Прибор соединен с компьютером, в котором фиксируются результаты измерений.

Каталог измерений тепловых свойств горных пород (1965-2015)

С 1960-ых годов результаты измерений тепловых констант (в основном теплопроводности) постепенно накапливались в многочисленных рукописных журналах. Всего к настоящему времени разными приборами в нашем коллективе выполнено порядка четырех тысяч измерений λ. Периодически часть этой информации публиковалась в обобщенном виде в статьях, сборниках и монографиях [7, 10, 12-14]. Однако полный объем данных остается недоступным для пользователей.

Первый этап работы заключался в переводе данных из журналов в электронные таблицы. На данном этапе в электронных таблицах содержатся ~3.5 тысяч значений теплопроводности и ~300 значений температуропроводности и объемной теплоемкости. Кроме того, в них содержится сведения о типе и возрасте породы, месте и глубине отбора образцов, а также другая геологическая информация.

В материалы вошли результаты измерений тепловых констант горных пород Западно-Сибирской плиты, Сибирской платформы, Алтае-Саянской складчатой области, Байкальской рифтовой зоны, Забайкальской складчатой области и некоторых других регионов. В пределах региона выделяются крупные географические или тектонические подразделения. Например, в пределах Алтае-Саянской области выделены: Горный и Рудный Алтай, Восточный и Западный Саян, Горная Шория, Кузнецкая, Южно-Минусинская и Тувинская впадины, Томь-Колыванская складчатая зона и др. Наиболее представительной является коллекция образцов Западно–Сибирской плиты и Алтае–Саянской складчатой области.

Среди изученных горных пород преобладают осадочные породы (песчаники, алевролиты, аргиллиты, глины и др.). В значительной степени представлены метаморфические и магматические горные породы.

Таким образом, основой для построения нашей БД послужили архивные бумажные журналы, а также электронные таблицы, формирующиеся в последние годы при использовании прибора ИТС.

Исходная таблица БД на текущий момент (ноябрь 2015 г)  содержит 3795 записей. Каждая запись характеризуется 19-ю полями, описывающими региональное расположение участков исследования, привязка и описание горной породы и измеренные теплофизические характеристики, аппаратура. Набор полей включает в себя (далее название и описание полей):

Регион – название региона. Поле обязательное. Формат данных - короткий текст.

Подрегион – название подрегиона. Формат данных – короткий текст.

Площадь – название площади или участка. Поле обязательное. Формат данных – короткий текст.

№ скв – номер или шифр скважины. Формат данных – короткий текст.

Порода – название типа породы. Формат данных – короткий текст.

Хар-ка_породы – характеристика, описание пород и/или подтип породы. Формат данных – длинный текст.

Глубина – глубина отбора исследованного керна [метры]. В случае, когда известен только интервал извлечения породы, означает среднюю глубина интервала. Формат данных – десятичное число.

Интервал_глубин – интервал, из которого извлечена порода [метры] (когда не известна точная глубина отбора образца). Формат данных – короткий текст.

Возраст – геологический период, и/или свита, и/или др. Формат данных – короткий текст.

λс – значение (или усредненное значение) теплопроводности сухого образца [Вт/м/К]. Формат данных – десятичное число.

λмин – минимальное значение теплопроводности сухого образца [Вт/м/К]. Формат данных – десятичное число.

λмакс – максимальное значение теплопроводности сухого образца [Вт/м/К]. Формат данных – десятичное число.

Betta – значение коэффициента неоднородности теплопроводности сухого образца: Betta=(λмакс - λмин)/λс. Формат данных – десятичное число.

λвл – значение (или усредненное значение) влагонасыщенного образца [Вт/м/К]. Формат данных – десятичное число.

k – значение температуропроводности *10^-7 [м²/с]. Формат данных – десятичное число.

ρC  – значение объёмной теплоёмкости *10^6 [Дж/К/м3]. Формат данных – десятичное число.

№ измерения – номер измерения. Формат данных – целое число.

Аппаратура – название измерительного прибора. Примеры: зонд (установка зондового метода) А-25, КТ, ИТС. Поле обязательное. Формат данных – короткий текст.

Примечание – комментарий, который может включать даты проводимых исследований, исполнителя, литературные источники, особенности и детали отбора и исследования образцов и др. Формат данных – длинный текст.

Содержание базы и работа с ней

Настоящая БД реализована в реляционной системе управления базами данных Microsoft Access. Система взаимодействия с пользователем построена в виде кнопочной формы, состоящей из двух основных блоков, объединяющих под собой группы запросов:

1. «Исходная таблица и общая информация»:

- Таблица исходная

                 - Таблица тепловых свойств влагонасыщенных пород

                 - Таблица значений температуропроводности

                 - Таблица значений объёмной теплоёмкости

                 - Список регионов и площадей

                 - Список пород по базе

                 - Статистика по приборам

2. «Сделать выборку»:

                 - По региону

                 - По подрегиону

                 - По площади/участку

                 - По типу пород (см. список пород)

                 - По прибору: зонд, А-25, КТ, ИТС

                 - Сделать мою выборку вручную из таблицы

Первый блок «Исходная таблица и общая информация» объединяет общую информацию по материалам, представленным в базе данных. В него включены запросы, которые выводят по отдельности таблицы теплопроводности сухих и влагонасыщенных пород, объемной теплоемкости и температуропроводности. Приводится перечень всех регионов с площадями и участками, к которым привязаны материалы базы. Отдельно представлен список всех типов пород в базе, информация о числе подтипов, и количественная представленность образцов каждого типа. Также дается статистика числа образцов в базе по используемым приборам. В конце каждой выборки выводятся соответствующие общие и статистические характеристики.

Второй блок «Сделать выборку» позволяет делать пользовательские запросы к базе данных. Выборки осуществляются по отдельным регионам, подрегионам, площадям (участкам). Можно смотреть материалы отдельно по каждому типу пород, и выбирать материалы, полученные с помощью конкретного прибора. Каждый запрос сопровождается соответствующей статистикой по нему. В частности, можно получать статистические характеристики тепловых свойств горных пород по каждой территориальной единице. Также есть возможность (форма «Сделать мою выборку вручную из таблицы») пользователю самостоятельно сделать выборку или осуществить поиск данных непосредственно в исходной таблице по всему ряду полей (региону, подрегиону, площади, скважинам, породе, глубине и т.д.), задавая в каждом поле одно или несколько значений.


Ссылка:

База данных (zip-архив) (При использовании материалов БД обязательна ссылка на авторов).

 

Литература

  1. Бёрч Ф., Шерер Дж., Спайс Т. Справочник для геологов по физическим константам. – М.: Издательство Мир, 1949 – 541 с.
  2. Справочник физических констант горных пород / под редакцией С. Кларка – М: Издательство Мир, 1969. - 543 с.
  3. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых: справочник / под редакцией Н. Б. Дортман – М: Недра, 1976. - 527 с.
  4.  Бабаев В.В., Будымка В.Ф., Сергеева Т.А., Домбровский М.А. Теплофизические свойства горных пород. – Москва: Недра, 1987. - 156 с.
  5. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород напочвенных покровов криолитозоны. - Новосибирск: Издательство СО РАН, 1998. - 279 с.
  6. Липаев А.А., Гуревич В.М., Липаев С.А. Тепловые свойства горных пород нефтяных месторождений Татарстана: справочник. – Казань: Изд-во Казанского математического общества, 2001. - 206 с.
  7. ​Моисеенко У.И., Л.С. Соколова, В.Е. Истомин. Электрические и тепловые свойства горных пород  – Новосибирск: Наука, 1970. - 66 с.
  8. Геотермические исследования / под ред. Е. А. Любимова – М.: Наука, 1964. – 173 с.
  9. Калинин А.Н., Соколова Л.С., Дучков А.Д., Черепанов В.Я. Исследования теплового компаратора применительно к измерениям теплопроводности горных пород. - Геология и геофизика. – 1983. - №3 - C. 116-122.
  10. Тепловое поле недр Сибири / под ред. Э.Э. Фотиади – Новосибирск: Наука, 1987. 195 с.
  11. Попов Ю.А., Семенов В.Г., Коростелев В.М. Бесконтактные определения теплопроводности горных пород с помощью подвижного источника тепла // Физика Земли. 1983. № 7. С. 86-93.
  12. Дучков А.Д., Соколова Л.С. Геотермические исследования в Сибири. - Новосибирск: Наука, 1974. - 280 с.
  13. Дучков А.Д., Л.С. Соколова, Д.Е. Аюнов, О.Н. Злобина // Теплопроводность пород осадочного чехла арктической части Западной Сибири. // Геология и геофизика, т. 54, №12, 2013. С. 1952-1960.
  14. Дучков А.Д., Соколова Л.С., Родякин С.В., Черныш П.С. Зависимость теплопроводности пород осадочного чехла Западно-Сибирской плиты от влажности и пористости // Геология и геофизика, 2014, т.55, №5-6, с. 991-1000.