1.7. Теплофизические свойства горных пород
1.7.1. Тепловые характеристики горных пород.
Изучение термических характеристик горных пород является важной частью петрофизических исследований состояния горных пород и направлено на решение следующих задач:
выявление в разрезе скважин горизонтов, содержащих полезные ископаемые;
контроль за разработкой нефтяных и газовых месторождений на основе изучения тепловых свойств пород, слагающих разрез скважины;
изучение геологического разреза и технического состояния скважин.
Кроме того, это очень важно при проектировании методов теплового воздействия на пласт (закачка горячей воды и теплоносителей для вытеснения нефти), обработки призабойной зоны скважин, удаление асфальтено-смолистых отложений и парафина и т.д. Причем доля тепловых методов будет, по всей видимости, все более возрастать, т.к. дальнейший рост добычи нефти в значительной степени будет происходить за счет ввода в эксплуатацию месторождений высоковязких нефтей и битумов. Часто прогрев сочетают с ультразвуком, который вызывает упругие колебания среды и ускоряет перенос тепла за счет конвекции.
Состояние теплового поля поверхностных слоев Земли определяется как естественными геологическими процессами, происходящими в ее недрах, так и воздействием в процессе добычи полезных ископаемых, в том числе разработки нефтяных месторождений. При этом в продуктивных пластах нарушаются условия термодинамического равновесия, определяемого температурным градиентом Земли данного региона.
Тепловой режим Земли изменяется по мере углубления, при этом можно выделить 4 температурные зоны:
Зона, в которой имеют место суточные колебания температуры, глубиной до 1 метра.
Зона годового колебания температуры, глубиной до 20 метров.
Зоны векового колебания температуры, глубиной до 1000 метров.
Зона постоянной во времени температуры, глубиной свыше 1000 метров.
Тепловые свойства горных пород характеризуются:
Удельной c (или объемной cv) теплоемкостью – количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы (объема) породы на один градус:
,
и cv=c.ρ.
Используют также и понятие молярной теплоемкости:
,
где М – масса породы, dQ – количество переданной породе теплоты, dT – прирост температуры, V – объем породы, m- молярная масса; ρ – плотность.
Удельная теплоемкость пород зависит от их минералогического состава, обычно возрастает с увеличением влажности и температуры, а также с уменьшением плотности, и не зависит от строения, структуры, дисперсного состояния минералов.
Значения удельной теплоемкости горных пород находятся в пределах
0.4
< с < 2
,
объемной теплоемкости:
15
< ср <
3∙103
,
Коэффициентом теплопроводности λ - характеризующим количество теплоты, переносимой через единицу площади породы S в единицу времени t в направлении x:
(1.7.1)
Или в соответствии с 1-м законом Фурье
,
(1.7.2)
где q- тепловой поток.