沉积盆地地温场与热历史课程实验指导书

《沉积盆地地温场与热历史》课堂实验/实践指导书课程中文名称：沉积盆地地温场与热历史课程英文名称：Geothermalfieldandthermalhistoryofsedimentarybasin课程编号：021060100适用专业：新能源科学与工程学时数：总学时32，其中理论28、实验4学分数：2课程类别：专业课程应开课学期：第三学期实验/实践一：岩石热导率测定实验/实践类型：操作型实验学时：2学时实验要求：培养观察、分析和动手能力一、实验/实践目的1．了解岩石热导率定义的物理实质；2．掌握测量岩石热导率的原理、方法及其理论基础；二、实验/实践内容1．在老师指导下；独立完成整个测试过程。本实验需要具备环形热源热导仪及标准样（2个以上），岩样若干。要求完成由标准样测定参数μ和A的过程以及4〜5种岩样的测试，约需6个学时。实验完成后编写实验报告。三、仪器设备稳定平板热导仪四、实验/实践原理、方法、手段和步骤（一）．基本原理与方法岩石热导率是岩石最主要的热物理性质之一，它对大地热流和地壳温度场的分布有较大的影响，是研究地壳和上地幔热结构、地壳深部热状态以及油气田和工程岩体内热分配的重要参数。1.岩石热导率k的定义岩石传递分子运动热能的性质即是岩石的导热性，此性质用热导率A表示，它的物理意义为：沿热传导方向单位厚度岩石两侧温差为1℃（或用开氏温标表示为1K）时，单位时间内所通过的热量。根据傅里叶定律，其计算公式如下:k式中，Q表示厚度为D的岩样两侧温差为（T2-T1）时，t间内通过截面积F的热量。k的国际通用单位为W/(m·K)。从目前国内外所测岩石热导率结果看，k值的变化范围波动于（0.2〜10)W/（m·K）之间。总体上，岩石属于低热导的固体。影响岩石热导率的因素很多，但主要取决于岩石的矿物组成和结构特点。在致密的岩石中，造岩矿物的热性质对岩石热导率起主要控制作用；在孔隙质岩石中，除固体基质外，孔隙度、孔隙充填介质及含水量等对岩石热导率有较大的影响。实验表明，温度对岩石热导率的影响远大于压力的影响。由于影响因素的多变，在实际工作中，均霱在现场采集代表性岩样作热导率的实验测定。2.热导仪及其测试原理(1)测试方法分类所有岩石热导率的测试方法均可以根据所采用的热流状态分为两大类：稳态方法和非稳态方法（准稳态方法是非稳态方法中特殊的一类，Harmathy，1964）。本实验仅介绍一维稳态平扳热源法和三维非稳态环形热源法两种方法。同时从发展眼光看，环形热源法造价低，操作简便，对岩样要求不髙，是一种最有可能获得普及的方法。因此对前一方法仅要求了解其基本原理，在测试过程一节中，仅以环形热源法为例。(2)稳定平板热导仪测武原理简介测试原现如图1.1所示，属于一维隐态热传导模式和相对测量法。测试时，环境温度分别控制到与高、低温水套温度的平均值相同，故可忽略侧向热流的影响。由髙温水套I所发出的热量全部通过标准样II和被测岩样IV到达于低温水套II。高低温水套是两个独立的恒温水循环系统，以保证稳态测量中的温度场是不随时间而变的稳定场。因此测试需要较长时间——数小时或数天，使整个测试系统达到热稳定状态。当测试系统达到稳定时，即可利用已知热导率的标准样和待测样品单位面积上热流相等的原理求得试样的热导率。通过岩样的热流密度q岩为：q岩=k岩•ΔT岩/D岩或者为：k岩=q岩•D岩/ΔT岩通过标准样的平均热流密度q标为：q由于q岩=q标，当上下两个标准样厚度相等并以d表示时，岩样的热导率（k岩）即可以下式表示：k令ΔT为标准样加岩样部分的上下界面的温差，上式改写成：kD岩和d值可以直接测量，ΔT或ΔT岩可由仪器直接测量的热电偶电动势换算为温度，这种测量电位是由嵌夹于I与II，II与III和III与IV之间的热电偶而测得。k标系已知值，从而岩石的热导率可以求出。(3)非稳态环形热源热导仪测试原理该热导仪的关键部件探头是基于点热源在半无限均匀介质中导热原理设计，属三维非稳态热传导模式（图1.2)。测试时，将环形热源探头与被测样的光滑平面紧密接触。当环形热源以恒定功率供应的热量均匀向四周传递时，在环中心产生的增温值ΔT（实际是记录热电偶的热电势V值）是样品热导率的函数，利用数块已知热导率的标准样测出其热导率与升温的函数关系曲线，即可作为被测样品热导率的标定曲线（见图1.3)。然后，根据这一曲线进行岩样实测热导率的计算。实验表明，不同加热时刻，样品热导率k与热电势V之间存在双对数直线关系，可表达为：lgV=lgA+μlgk或k式中k为被测样品的热导率[W/(m·K)]；V为与ΔT相应的电动势（mV）；μ为标定曲线的斜率（mV·m·K/W）；A相当于热导率为1W/(m·K)时标定曲线的截距(mV)。标定曲线的求取是用2-3个标准样，按不同时刻（20S、40S、…120S）的热电偶输出V值（代替加热升温值），按下述公式求标定曲线的斜率μ和截距A值μ=lgA=lgVj-μlgkj（j=1,2,…）岩样测量过程与标定探头相同，测出V值后，带入公式计算其热导率或由图1.3查出k。五、实验/实践结果处理记录实验结果，由上述公式计算，可以得到岩石热导率。六、实验/实践注意事项1．实验报告撰写上要求包含实验目的、实验内容、实验步骤以及实验数据处理过程。2．要注意样品测试个数，要测多组样品；七、预习与思考题1．在平板法中，标准岩样直径与待测岩样直径不匹配时会出现什么情况？2．环形热源法中，对样品大小的要求理论依据是什么？当岩石样品过小时会出现什么情况？实验/实践二：热流密度计算实验/实践类型：操作型实验学时：2学时实验要求：培养观察、分析和动手能力一、实验/实践目的1．通过本实验进一步加深对热流密度的理解，掌握热流密度值的计算原理和热流密度值的两种计算方法；二、实验/实践内容根据下列A孔和B孔的温度和对应岩石热导率资料，分析A孔和B孔适于计算热流密度的井段，以直接法和最小二乘法两种方法完成两孔的热流密度的计算，并对比直接法和最小二乘法的计算结果。最后写出实验报告。A孔：钻孔深度749m，区内地形起伏不大，上段岩性较均一，主要为粗安岩和凝灰岩，下段岩性较复杂，变化频繁。该孔实测温度和热导率数据如表2.1和2.2。B孔：钻孔深度2220m,区内地形十分平坦，表2.3给出了钻孔实测温度，表2.4给出了分层岩性和热导率。三、仪器设备无需设备四、实验/实践原理、方法、手段和步骤1.计算步骤(1)按给定钻孔温度数据和岩性绘制温度-深度曲线和岩性柱状图；(2)直接法计算热流密度a.按一定的采样间隔计算地温梯度将地温梯度-深度图绘制在温度-深度图上，（也可用线性回归法求G）。b.按温度-深度曲线中变化较平滑和地温梯度-深度图中地温梯度值大体相当的井段划分计算段，计算段厚度一般不宜小于50m。c.计算各段内的岩石平均热导率或按厚度加权平均热导率。d.按式q=-kG求各计算段的热流密度值。e.对比各计算段热流密度值的大小，若接近，即可取平均值作为该孔热流密度值；否则，分析其相差大的原因。(3)按最小二乘法计算热流密度a.根据T-H曲线选择适于计算热流密度的井段（注意：为避免繁杂，一般不分段计算)；b.在热流密度计算段内计算相邻测点间的平均热导率，其方法与（2)中所述相同；c.计算（2.7）式左边T0和q之系数项以及右边项，解方程组求得T0和q(4)对比直接法和最小二乘法计算的热流密度大小；若相差比较大，则分析其原因。五、实验/实践结果处理1.直接法：这种方法直接利用（2.1）式进