5.3. Термічний каротаж

При термічному (або геотермічному каротажі) уздовж ство­ла свердловини безперервно вимірюється температура середовища. Для термічних досліджень частіше за все застосовуються електричні термометри різних марок (ЕТС-2, ЕТМІ, ЦЕ і ін.) і реєструючий пристрій. Чутливим елементом або датчиком температури є два теплочутливих опори, виготовлених з мідного дроту, згорнутого в спіраль уздовж внут­рішньої стінки мідного корпусу приладу свердловини. Всі опори моста при деякій початковій температурі підбираються однаковими, і міст балансується, тобто при пропусканні струму через діагональ моста різниця потенціалу рівна нулю. Якщо температура навколишнього середовища відрізняється від початкової, то з'явиться різниця опору теплочутливих і нечутливих плечей моста, і між тічками М і N виникне різниця потенціалів. Ця різниця потенціалів, пропорційна температурі навколишнього середовища, подається на вимірювальний прилад або реєстратор. Одержувані в результаті термічних досліджень свердловин термограми (графіки залежності температури в градусах Цельсія від глибини) служать для вирішення різних геологічних задач. Окрім свердловин термічні спостереження виконуються у шпурах, колодязях, в забоях гірських вироблень.

Природне термічне по­ле у гірських породах обумовлене як регіональним тепловим по­током, що йде з надр Землі і від Сонця, так і локальним по­лями, пов'язаним з геолого-тек­тонічними умовами району, термічними властивостями порід циркуляцією в них підземних вод, газів і іншими процесами. Термічними властивостями порід є: теплопровідність, що характеризує властивість середовища передавати тепло; теплоємність, тобто кількість тепла необхідне на нагрівання 1 г речовини і температуропроводність.

Основним параметром, з яким доводиться мати справу при геотермічних дослідженнях, є теплопровідність. Теплопровідність гірських порід збільшується із збільшенням густини, вологість, зменшенням пористості. Вона більше уздовж шаруватості порід і менше перпендикулярно. Низькою теплопровідністю відрізняються газ, нафта, вугілля; середньою володіє більшість сухих оса­дових порід; підвищеною теплопровідністю характери­зуються вологі осадкові і всі вивержені породи, поліме­талеві руди. Природне термічне поле Землі має дві зони: зверху розташована зона сезонних коливань темпера­тур пов'язана з сонячною діяльністю, нижче знаходиться зона сталих температур, в якій відбувається поступове наростання температур з глибиною. Швидкість наростання темпера­тур із збільшенням глибини визначається геотермічним градієнтом який рівний відношенню зміни температур до зміни глибини. Звичайно геотермічний градієнт розраховується для інтерва­лів глибин, рівні 100 м.

Тепловий потік q через поверхню землі пов'язаний з геотермічним градієнтом. Величина, зворотна геотермічному градієнту, називаєть­ся геотермічним ступенем. Вона показує, на яке число метрів треба поглибитися щоб температура гірських порід піднялася на 1° С. Геотермічна ступінь для різних геотектонічних областей різна. Так, на кристалічних щитах геотермічний ступінь рівний приблизно 100 м/град, на платформах 8 - 30 м/град в складчастих областях від 5 до 20 м/град. В результаті вимірювання температур в свердловинах на термограмах виділяються аномалії, тобто ділянки з підвищеними або зниженими температурами в порівнянні з нормальними для даного району.

На результати вимірювання температур у свердловинах вплив може надавати цілий ряд причин: зміна діаметра свердловини, потоки повітря або бурової рідини, нагріваючи породи після буріння і ін. Ці чинники необхідно враховувати або виключати при виявленні температурних аномалій.

Термічний каротаж підрозділяється на методи природних і штучних теплових полів. Крива зміни природних температур порід в свердловині і розрахований по ній геотермічний градієнт кожного пласта залежать від теплового потоку і теплопровідності порід. При горизонтальному заляганні порід тепловий потік залишається практично постійним і по графіку градієнта легко виділити породи з різною теплопровідністю.

При вивченні штучних теплових полів, що проводяться дуже рідко, бурова рідина або вода в свердловині нагріваєть­ся або охолоджується, а потім ведеться періодичне вимірювання температур по стовбуру свердловини аж до встановлення нормальних температур. Знак аномалій на термограмах залежить від температури бурового розчину. Якщо температура бурового розчину менше температури породи, то на термограмах глинясті породи відрізняються негативними, а пісковики, піски, вапняки - позитивними аномаліями. Якщо температура бурового розчину більше, ніж у породи, то знак аномалій міняється на зворотний.

Термічний каротаж застосовується для вивчення теплових потоків у земній корі, розчленовування порід по термічних властивостях, вивчення меж розповсюдження мерзлих порід, виявлення в розрізах свердловин газоносних, нафтоносних, водоносних порід, вугілля різних руд, визначення місць приток підземних вод, оцінки швидкостей фільтрації підземних вод і рішення ряду дру­гих задач. Методи штучного теплового поля застосовуються в основному для вивчення пористості порід і їх властивостей фільтрацій.