Обработка результатов гелиевой съемки, расчет упругости гелия

Лабораторная работа №3.

Обработка результатов гелиевой съемки, расчет упругости гелия

• По вариантам заданий (табл.3.3) рассчитать: количество гелия в газовой фазе и полную концентрацию гелия, упругость гелия в разных средах.

При характеристиках интенсивности поля гелия возникает потребность в выборе изображения полученных данных. Объясняется это как сложностью структуры поля гелия, так и трудностями расчета полных (истинных) концентраций для реальных подземных условий. Например, выражаемая обычно для подземного газа концентрация в объемных процентах практически не отражает фактически уровень насыщения гелием в пластовых условиях, откуда этот газ взят. Для оценки истинной концентрации гелия в поровом пространстве пласта необходимо привести результаты анализа газовой фазы с учетом ее количества применительно к пластовым условиям и просуммировать этот показатель с упругостью гелия в воде.

Расчет полной насыщенности порового пространства гелием возможен только при условии знания ряда характеристик, получаемых еще в процессе отбора проб, которые берутся из формуляров отбора проб. Это способ наполнения бутылок (простое заполнение, сифоном через трубку, отделителем газа, водоносом), температура воды (Тв, ⁰С), газовый фактор — количество газа в воде (Гф, см³/л), минерализация воды (С, г/л), глубина отбора пробы (Н, м). После выполнения анализа результаты анализа газа () и воды () заносятся в лабораторный журнал и составляется ведомость, которая выдается заказчику лабораторных исследований. Эти данные и служат исходным материалом для геологической интерпретации и расчетов.

Расчет полной концентрации гелия с привлечением необходимых дополнительных элементов — оценки растворимости гелия в воде при температуре и минерализации, характерных для среды опробования (рис. 3.1) и пластовых условий. Для расчета применяется график кривых растворимости гелия в водах различной минерализации
при температуре от 5 до 45°С и давлении 10⁵ Па, разработанных А.Ю. Намиотом и М.М. Бондаревой (1963г.) (рис. 3.1).

Рис. 3. 1. Кривые растворимости гелия в водах различной минерализации
при температуре от 5 до 45°С и давлении 10⁵ Па (по А.Ю. Намиоту, М.М.Бондаревой, 1963г.).

Количество гелия в газовой фазе (Q_г), в которой объемная концентрация гелия определена данными анализа рассчитывается по формуле (3.1):

(3.1)

Для определения полной концентрации суммируют данные анализа в газе и воде (3.2):

Q = Qг + Qв (3.2),

где Qг – количество гелия в газовой фазе; Qв – количество газа в воде.

Известно повсеместное распространение гелия на Земле, в атмосфере и космосе. Например, обнаружена гелиевая атмосфера Меркурия; высокие концентрации гелия установлены в лунном грунте. Желательно в этой связи единое выражение для исследуемых пространств общего поля гелия. Препятствием здесь является многовариантность способов выражения его концентраций, часть из которых противоречит даже физическому смыслу. Так, в ряде публикаций сохраняется выражение концентрации гелия для воды в объемных процентах. Это неверно, поскольку гелий в воде растворен истинно и объема практически не занимает.

В табл. 3.1. показаны основные формы выражения концентраций гелия для всех сред. Из них для газа и воды наиболее удобно выражение в упругости, или паскалях. Применение такой формы возможно, например, для построения разреза вертикального поля гелия литосферы, гидросферы и атмосферы, в том числе в высокогорных условиях, где упругость гелия отличается от упругости на уровне моря.

Таблица 3.1.

Применяемые единицы концентраций гелия в различных вмещающих средах (фазах).

Фаза	Размерность
об.%	мл/л	см^3/г	Па
Газ	1,0[1]	-	-
Вода	-	0,09	-
Порода и минералы	-	-	0,1	-

Наиболее универсальным способом выражения концентрации гелия в упругости (Па). Для вычисления этой величины необходимо знать растворимость гелия при указанных для водопункта температуре и минерализации. Такую цифру определяют из графика 3.1.

Перевод минерализации из единиц массы в единицы количества вещества можно осуществить по данным таблицы 3.2.

Таблица 3.2.

Коэффициенты пересчета для перевода единиц массы в единицы количества вещества

Исходная массовая концентрация	Коэфф. пересчета	Соответствующая единица молярной концентрации
Грамм на литр (г/л)	10^3/Mm	Миллимоль на литр (ммоль/л)
Миллиграмм на литр (мг/л)	10^3/Mm	Микромоль на литр (мкмоль/л)
Микрограмм на литр	10^3/Mm	Наномоль на литр (нмоль/л)
Грамм на 100 миллилитров (г/100 мл)	10^4/Mm	Миллимоль на литр (ммоль/л)
Миллиграмм на 100 миллилитров (мг/100 мл)	10^4/Mm	Микромоль на литр (мкмоль/л)
Микрограмм на 100 миллилитров (мкг/100 мл)	10^4/Mm	Наномоль на литр (нмоль/л)

Коэффициент пересчета при переводе единицы массы в единицу количества вещества получают путем деления первой на относительную молекулярную массу. Или рассчитаем прямым путем. Например, переведем 386 г/л хлор-кальциевого рассола в молярную концентрацию:

386/40+(35,4Х2)= 386/110,8 = 3,480 ммоль/л,

110,8 – относительная молекулярная масса рассола

По двум первым фазам (газ, вода) в общем виде формула для расчета упругости будет иметь вид (3.3 и 3.4):

Для газовой фазы:

(3.3)

Для воды:

(3.4),

Где - растворимость гелия при определенной температуре и минерализации воды.

Вместе с этим часто требуется построение трехфазных систем. Результаты изучения твердой фазы (керна и штуфов) в равновесии ее с газом и водой позволяют найти способы выражения концентраций гелия в единицах упругости и для этой фазы. Способ пересчета следующий:

а) известными методами определяют количество гелия в единице массы твердой фазы (см³/г);

б) зная плотность породы (минерала), вычисляют количество гелия в единице ее объема (см³/см³);

в) исходя из отмеченных выше условий фазовых равновесий гелия, приравнивают это количество к константам его растворимости в воде с минерализацией и температурой, характерными для исследуемой среды.

Отсюда формула для расчета упругости гелия в твердой фазе примет вид (3.5.):

Для твердой фазы:

(3.5)

Где - коэффициент растворимости гелия.

Не все формы гелия могут создавать давление. Поэтому рассчитанное указанными способами давление больше реального и его следует называть условным. Например, для образца лунного грунта, отобранного станцией «Луна-20» с глубины первых десятков сантиметров (Задорожный, 1976г.), установлена концентрация гелия 0,1 см³/г, что при плотности ~1 дает 1,1 х 10⁶ Па. Очевидно, в действительности давление значительно ниже и большая часть этого гелия в лунных условиях находится в связанном состоянии. Иначе гелий немедленно вырвался бы в вакуум окололунного пространства. Тоже относится к земным радиоактивным минералам, в которых, по оценке П. М. Харлея (1956г.), давление достигает 20 МПа (по данным И.Н. Яницкого, условное давление можно оценить в сотни МПа). Такое давление на поверхности земли разорвало бы радиоактивный минерал. Однако этого не происходит, поскольку значительная часть гелия находится в связанном состоянии.

Рассмотрим несколько тестовых примеров.

Пример 1. В роднике газовый фактор равен 180 мл/л при температуре воды +40⁰С и минерализация 30 г/л.

Рассчитаем количество гелия в газовой фазе Qг, в которой объемная концентрация гелия определена данными анализа и составляет 3,6.10^-3 об.%:

(3.6)

В зависимости от способа отбора и сроков хранения воды для расчета количества гелия в 1л воды требуется внесение поправок на газовый пузырек в бутылке и срок хранения. Эти значения берутся из специального графика, который можно опубликован в специальной литературе (Яницкий И.Н. Гелиевая съемка. 1979). В тестовом задании значения этого показателя приведены в табл. 3.3. Для определения полной концентрации суммируются данные анализа в газе и воде:

Q_Не = Q_г + Q_в = (6,48+1,21).10^-3 = 7,69.10^-3 мл/л. (3.7)

Следующим шагом определим условную упругость гелия. Для определения этой величины необходимо знать растворимость гелия при указанных для точки отбора температуре, минерализации, атмосферном давлении. В тестовых примерах во всех вариантах давление принято 10⁵ Па. При температуре +40⁰С и минерализации 30 г/л (≈0,5 моля NaCl) согласно рис. 3.1 при нормальном давлении растворимость составит 7,7 мл/л. Таким образом, условная упругость по формуле (3.4) составит:

(3.8)

Пример 2. В скважине глубиной 2040м

Газовый фактор составляет 640 мл/л, минерализация 260 г/л, температура +45⁰С; измеренное содержание гелия в газовой фазе (С^г_Не) равно 3,1 об.%, в воде (Q^в_Не) – 3,3.10^-2 мл/л. Требуется найти упругость гелия для пластовых условий на глубине 2040м.

Количество гелия в газовой фазе согласно ф-ле (3.1) составит:

(3.9)

Общее количество гелия в газе и воде:

Q_Не = Q_г + Q_в = (19,84+0,033) = 19,873мл/л. (3.10)

При растворимости 3 мл/л для заданных значений минерализации (≈4,3 моль NaCl), температуры и давления упругость составит:

(3.11)

Таблица 3.3

Варианты лабораторных задач студенту

Показатели

Обозначение

Ед. изм.

Вариант 1, род.

Вари- ант 2, род.

Вари- ант 3, род

Вари- ант 4, род.

Вариант 5, (скв. Ст-1)

Вариант 6, р. Химчу, род.

Вариант 7, р. Порох, род

Вариант 8, р. Ерачимо, род.

Вариант 9, Тунгусская опорная скв. 1

Вариант 10, скв. СТ-2

Измеренные показатели

Газовый фактор

Гф

мл/л

Температура воды

Тв

^0С

1,5

Минерализация

С

г/л

0,4

2,4

20,8

Измеренная концентрация гелия в газе

С^гНе

об.%

3.6.10^-3

2.6.10^-3

3,1

0,78

0,394

0,002

0,035

0,004

0,235

0,031

Измеренное количество гелия в воде

Q^вНе

мл/л

1.21^.10^-3

1.16^.10^-3

3,3^.10^-2

2,3^.10^-2

3,3^.10-^2

1.21^.10^-3

0,9^.10^-3

1.21^.10^-3

6,2^.10^-2

4^.10^-2

Глубина отбора пробы

Н

мл/л

ПП[2]

ПП

ПП

ПП

ПП

Расчетные показатели:

Количество гелия в газовой фазе

Qг

мл/л

Полная концентрация гелия

QНe

мл/л

Упругость гелия

РНе

Па

[1] Цифры приведены в качестве примера

[2] Поверхностная проба

Дата добавления: 2015-09-29