CN111948247A - 一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，利用已有的矿物数据预测计算泥岩的热导率数值，避免了测量钻孔样品的热导率数值，降低了大地热流等研究工作中的研究经费；利用泥岩中矿物的体积含量百分数来计算泥岩的热导率数值，避免了XRD实验测出的重量百分比数据与传统的热导率预测模型的矿物含量不符合的现象；利用了泥岩的矿物热导率熵值来计算泥岩的热导率，避免了传统计算方法造成的泥岩中矿物空间结构所造成的误差。
Description
技术领域
本发明涉及计算泥岩热导率的技术领域，特别是涉及一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法。
背景技术
在研究煤矿区的地热灾害、开发地区的地热资源的过程中，准确计算泥岩热导率的情况对于后期岩石圈地热、大地热流、岩石传导等的研究具有重要的意义。岩石的热导率决定了岩石圈在热量传导过程中的传递效率和速度，是岩石热力学性质中最重要的参数。但是，由于实验室测量岩石的热导率数值的方法存在一定的局限性，特别是对于钻井岩屑样品的实验室热导率测量，现在实验仪器难以完成岩屑样品的热导率实验室测量。因此，更多的岩石热导率的数据获取需要用其他的方式。
现在获取泥岩热导率的方法主要是利用实验室测量的方法，主要是瞬态平面源、光学扫描法等测试方法和仪器来测试泥岩样品的热导率方法。对于难以获取较为合适的泥岩样品来进行实验室的泥岩热导率的测量时，常用的方法是利用组成泥岩的矿物学数据来预测泥岩的热导率数值，常用的计算模型有几何平均、调和平均、平方根平均、HS平均数等方法来预测泥岩的热导率数值。但是，这些常用的数学方法的计算基础是基于组成泥岩的矿物在泥岩中以规律性排列，并且在实验获取泥岩中的矿物数据时，泥岩中的矿物为原始的空间排布和几何组合关系，但是，由于现代较为常用的实验获取泥岩中的矿物组分数据为地球化学的方法：泥岩的中矿物颗粒的空间布局被完全破坏了，所以，利用这些数学模型来计算泥岩的热导率存在一定的误差。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了用矿物组分计算泥岩热导率的计算方法。
一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，包括如下步骤：
步骤1，将采集到的泥岩样品擦干净，去除样品表面的浮土杂质，避免水洗；
步骤2，对干净的泥岩样品进行真空干燥，干燥温度为50℃，干燥时间需要超过24h，待样品的重量不再发生变化为止；
步骤3，利用容量瓶法测试出样品的视相对密度；
步骤4，通过阿基米德原理-气体膨胀置换法，利用小分子直径的惰性气体氦在一定条件下的玻尔定律，计算得到样品的真相对密度，并计算出泥岩样品的孔隙度数；
步骤5，利用XRD测试出的泥岩中的矿物含量数据；
步骤6，通过计算将矿物组分含量的重量百分含量转化为体积百分含量；
步骤7，定义泥岩的矿物热导率熵这一参数用来求解泥岩的热导率值；
步骤8，通过实验实测数据拟合出泥岩的矿物热导率熵值与泥岩的热导率之间的多元线性关系的参数，计算泥岩的基质热导率数值；
步骤9，对计算出来的基质热导率数据进行孔隙度校正，得到最终的泥岩热导率。
进一步地，步骤3中，视相对密度比重瓶测定法的具体步骤如下：
步骤3-1，取洁净、干燥并精密称定重量的比重瓶，比重瓶质量为Wp，装满测试样品；
步骤3-2，装上温度计，保证瓶中应无气泡，置20℃的水浴中放置10～20分钟，使瓶内被测物的温度达到20℃；
步骤3-3，用滤纸除去溢出比重瓶外部的液体，立即盖上罩；
步骤3-4，将比重瓶自水浴中取出，用滤纸将比重瓶的外面擦干，精密称定质量为Wp+s，减去比重瓶的重量，求得样品的质量Ws；
步骤3-5，将样品取出，20℃洗净比重瓶，并装满新煮沸过的冷水；
步骤3-6，照上法测得同一温度时水的重量Ww，按下式计算测试样品的相对密度：
进一步地，步骤4中，通过下式计算出泥岩样品的孔隙度数：
式中，
为泥岩样品孔隙度，单位为％；TRD为泥岩样品的真相对密度，单位为g/cm3；ARD为泥岩样品的视相对密度，单位为g/cm3。
进一步地，步骤6中，通过下式将矿物组分含量的重量百分含量转化为体积百分含量：
式中，wi为通过XRD实验获取的重量百分含量数值，单位为％；vi为通过计算后的体积百分含量，单位为％；ρi为矿物的密度数值，单位为g/cm3。
进一步地，步骤7中，利用公式计算泥岩的矿物热导率熵值：
Sλp＝-λi×ni×ln(ni) (4)
式中，Sλp为泥岩的矿物热导率熵值，单位为W/(m·k)；λi为矿物热导率，单位为W/(m·k)；ni为矿物的体积百分含量，单位为W/(m·k)。
进一步地，步骤8中，计算泥岩的基质热导率数值的公式为：
λm＝exp(0.09Sλ石英+0.327Sλ长石+0.12Sλ白云石+0.304S菱铁矿+0.143Sλ金红石+0.202Sλ黏土矿物+0.051Sλ其他+0.025Sλ云母) (5)
式中，λm是泥岩基质热导率，Sλ其他是矿物成分含量小于5％的矿物成分。
进一步地，步骤9中，利用下式对泥岩的孔隙度进行校正：
式中，
为泥岩样品的孔隙度数据，单位为％；λA竰W为空气或水的热导率，单位为W/(m·k)；λM为泥岩样品热导率，单位为W/(m·k)。
式中，
为泥岩样品的孔隙度数据，单位为％；λA为空气的热导率，单位为W/(m·k)；λM为泥岩样品热导率，单位为W/(m·k)。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用已有的矿物数据预测计算泥岩的热导率数值，避免了测量钻孔样品的热导率数值，降低了大地热流等研究工作中的研究经费；利用泥岩中矿物的体积含量百分数来计算泥岩的热导率数值，避免了XRD实验测出的重量百分比数据与传统的热导率预测模型的矿物含量不符合的现象；利用了泥岩的矿物热导率熵值来计算泥岩的热导率，避免了传统计算方法造成的泥岩中矿物空间结构所造成的误差。
附图说明
图1为本发明实施例中所述的计算泥岩热导率的方法步骤流程图。
图2为本发明实施例中步骤4中计算真相对密度的装置。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
本发明提供了用矿物组分计算泥岩热导率的计算方法，主要的计算步骤如下：
步骤1，将采集到的泥岩样品擦干净，去除样品表面的浮土等物质，避免水洗，以免溶解黏土矿物，以免影响后期的泥岩矿物的XRD实验室测量。
步骤2，对干净的泥岩样品放入真空干燥箱内进行真空干燥，干燥温度为50℃，干燥时间需要超过24h，待样品的重量不再发生变化为止。
步骤3，利用容量瓶法测试出样品的视相对密度。
视相对密度比重瓶测定法的具体步骤如下：
步骤3-1，取洁净、干燥并精密称定重量的比重瓶，比重瓶质量为Wp，装满测试样品。
步骤3-2，装上温度计，保证瓶中应无气泡，置20℃的水浴中放置10～20分钟，使瓶内被测物的温度达到20℃。
步骤3-3，用滤纸除去溢出比重瓶外部的液体，立即盖上罩。
步骤3-4，将比重瓶自水浴中取出，用滤纸将比重瓶的外面擦干，精密称定质量为Wp+s，减去比重瓶的重量，求得样品的质量Ws。
步骤3-5，将样品取出，20℃洗净比重瓶，并装满新煮沸过的冷水。
步骤3-6，照上法测得同一温度时水的重量Ww，按下式计算测试样品的相对密度：
步骤4，通过阿基米德原理-气体膨胀置换法，利用小分子直径的惰性气体氦在一定条件下的玻尔定律，计算得到样品的真相对密度，并计算出泥岩样品的孔隙度数。
仪器的测试系统由样品测试腔和基准腔构成，如图2，图测定样品真相对密度时，仪器自动采集基准腔的压力P1及体积V1并记录；将一定未知体积的样品V样品放入已知体积V2的样品测试腔，向样品测试腔注入一定量的气体并记录稳定后的压力P2；将样品测试腔与基准腔连通并记录稳定后的压力P3，根据平衡稳定后的压力值和相关已知的体积V1、V2即可计算出待测的样品体积V样品，再由样品的质量Ws和体积VR计算出样品的真相对密度。
由于在样品测试腔与基准腔联通前后，整个系统内部的气体分子量并没有变化，因此有以下等式：
P1V1＝N1RT
P2(V2-V)＝N2RT
P3V3＝(N1+N2)RT
因此：
获得样品的骨架真实体积VR，样品的真相对密度可以由下式获得：
通过下式计算出泥岩样品的孔隙度数：
式中，
为泥岩样品孔隙度，单位为％；TRD为泥岩样品的真相对密度，单位为g/cm3；ARD为泥岩样品的视相对密度，单位为g/cm3。
步骤5，利用XRD测试出的泥岩中的矿物含量数据。
步骤6，由于通过XRD获取的泥岩矿物组分数据为矿物含量的重量百分比，通过计算将矿物组分含量的重量百分含量转化为体积百分含量。
通过下式将矿物组分含量的重量百分含量转化为体积百分含量：
式中，wi为通过XRD实验获取的重量百分含量数值，单位为％；vi为通过计算后的体积百分含量，单位为％；ρi为矿物的密度数值，单位为g/cm3。
步骤7，考虑到利用XRD实验方法测试出泥岩样品的矿物组分含量为样品完全破碎后的均一化矿物百分比数据，利用传统的热导率预测模型计算存在一定的模型误差。因此，特地参考了岩石热力学方面的另一个重要的热力学参数：熵。将这一理论运用到求解泥岩热导率的数学模型中，定义了泥岩的矿物热导率熵这一参数用来求解泥岩的热导率值。
利用公式计算泥岩的矿物热导率熵值：
Sλp＝-λi×ni×ln(ni)
式中，Sλp为泥岩的矿物热导率熵值，单位为W/(m·k)；λi为矿物热导率，单位为W/(m·k)；ni为矿物的体积百分含量，单位为W/(m·k)。
步骤8，通过实验实测数据拟合出泥岩的矿物热导率熵值与泥岩的热导率之间的多元线性关系的参数(各地区的线性关系的系数值可能存在一定的差异)，计算泥岩的基质热导率数值。
计算泥岩的基质热导率数值的公式为：
λm＝exp(0.09Sλ石英+0.327Sλ长石+0.12Sλ白云石+0.304S菱铁矿+0.143Sλ金红石+0.202Sλ黏土矿物+0.051Sλ其他+0.025Sλ云母)
式中，λm是泥岩基质热导率，Sλ其他是矿物成分含量小于5％的矿物成分，主要包括副矿物，如榍石，硬石膏，赤铁矿等。
步骤9，由于泥岩中存在孔隙，空隙中充满了空气，因此需要对计算出来的基质热导率数据进行孔隙度校正，得到最终的泥岩热导率。
利用下式对泥岩的孔隙度进行校正：
式中，
为泥岩样品的孔隙度数据，单位为％；λA竰W为空气或水的热导率，单位为W/(m·k)；λM为泥岩样品热导率，单位为W/(m·k)。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。
Claims (7)
1.一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1，将采集到的泥岩样品擦干净，去除样品表面的浮土杂质，避免水洗；
步骤2，对干净的泥岩样品进行真空干燥，干燥温度为50℃，干燥时间需要超过24h，待样品的重量不再发生变化为止；
步骤3，利用容量瓶法测试出样品的视相对密度；
步骤4，通过阿基米德原理-气体膨胀置换法，利用小分子直径的惰性气体氦在一定条件下的玻尔定律，计算得到样品的真相对密度，并计算出泥岩样品的孔隙度数；
步骤5，利用XRD测试出的泥岩中的矿物含量数据；
步骤6，通过计算将矿物组分含量的重量百分含量转化为体积百分含量；
步骤7，定义泥岩的矿物热导率熵这一参数用来求解泥岩的热导率值；
步骤8，通过实验实测数据拟合出泥岩的矿物热导率熵值与泥岩的热导率之间的多元线性关系的参数，计算泥岩的基质热导率数值；
步骤9，对计算出来的基质热导率数据进行孔隙度校正，得到最终的泥岩热导率。
2.根据权利要求1所述的一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：步骤3中，视相对密度比重瓶测定法的具体步骤如下：
步骤3-1，取洁净、干燥并精密称定重量的比重瓶，比重瓶质量为Wp，装满测试样品；
步骤3-2，装上温度计，保证瓶中应无气泡，置20℃的水浴中放置10～20分钟，使瓶内被测物的温度达到20℃；
步骤3-3，用滤纸除去溢出比重瓶外部的液体，立即盖上罩；
步骤3-4，将比重瓶自水浴中取出，用滤纸将比重瓶的外面擦干，精密称定质量为Wp+s，减去比重瓶的重量，求得样品的质量Ws；
步骤3-5，将样品取出，20℃洗净比重瓶，并装满新煮沸过的冷水；
步骤3-6，照上法测得同一温度时水的重量Ww，按下式计算测试样品的相对密度：
3.根据权利要求1所述的一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：步骤4中，通过下式计算出泥岩样品的孔隙度数：
式中，
为泥岩样品孔隙度，单位为％；TRD为泥岩样品的真相对密度，单位为g/cm3；ARD为泥岩样品的视相对密度，单位为g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：步骤6中，通过下式将矿物组分含量的重量百分含量转化为体积百分含量：
式中，wi为通过XRD实验获取的重量百分含量数值，单位为％；vi为通过计算后的体积百分含量，单位为％；ρi为矿物的密度数值，单位为g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：步骤7中，利用公式计算泥岩的矿物热导率熵值：
Sλp＝-λi×ni×ln(ni) (4)
式中，Sλp为泥岩的矿物热导率熵值，单位为W/(m·k)；λi为矿物热导率，单位为W/(m·k)；ni为矿物的体积百分含量，单位为W/(m·k)。
6.根据权利要求1所述的一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：步骤8中，计算泥岩的基质热导率数值的公式为：
λm＝exp(0.09Sλ石英+0.327Sλ长石+0.12Sλ白云石+0.304S菱铁矿+0.143Sλ金红石+0.202Sλ黏土矿物+0.051Sλ其他+0.025Sλ云母) (5)
式中，λm是泥岩基质热导率，Sλ其他是矿物成分含量小于5％的矿物成分。
7.根据权利要求1所述的一种利用矿物含量分计算泥岩热导率的方法，其特征在于：步骤9中，利用下式对泥岩的孔隙度进行校正：
式中，
为泥岩样品的孔隙度数据，单位为％；λA竰W为空气或水的热导率，单位为W/(m·k)；λM为泥岩样品热导率，单位为W/(m·k)。
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5442950A (en) * | 1993-10-18 | 1995-08-22 | Saudi Arabian Oil Company | Method and apparatus for determining properties of reservoir rock |
| CN104237305A (zh) * | 2014-10-20 | 2014-12-24 | 中国矿业大学 | 一种岩体热导率测试装置及测试系统 |
| CN105784756A (zh) * | 2016-03-08 | 2016-07-20 | 中国科学院南海海洋研究所 | 高压条件下岩石热物性测试系统与方法 |
| WO2017204689A1 (ru) * | 2016-05-27 | 2017-11-30 | Шлюмберже Текнолоджи Корпорейшн | Способ определения механических свойств породы пласта-коллектора |
| CN107966471A (zh) * | 2017-11-14 | 2018-04-27 | 东南大学 | 一种土体热导率和地热梯度的原位测试装置及测试方法 |
| CN111257196A (zh) * | 2020-02-24 | 2020-06-09 | 西南石油大学 | 一种基于地层因素的岩石热物理参数的预测方法 |
-
2020
- 2020-08-25 CN CN202010863231.0A patent/CN111948247B/zh active Active
Patent Citations (6)
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