1. Теплоповой поток, теплопроводность, температуропроводность
Теплопроводность. Теплопроводность среды характеризует ее способность передавать тепловую энергию. Коэффициент теплопроводности характеризует количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади Q при градиенте температуры 1 °С на единицу длины:
X = Q/grad T;
X = a • С а, Вт/(м • °С),
где a - температуропроводность; C - теплоемкость; а - плотность пород.
Температуропроводность - способность передавать температуру с большей или меньшей ее потерей на единицу длины. Единица измерения температуропроводности - м2/с:
a = X /(Са).
Вода и нефть обладают малой теплопроводностью и температуропроводностью, но зато большой теплоемкостью. Теплоемкость воды в 5 раз выше теплоемкости твердых пород и в 2 раза выше теплоемкости нефти.
Теплоемкость - способность единицы объема вещества поглощать или отдавать тепловую энергию. Коэффициент теплоемкости численно равен величине тепловой энергии, которую надо сообщить единице объема вещества, чтобы поднять его температуру на 1 °С. Измеряется удельная теплоемкость в Дж/(кг • °С).
Теплофизические параметры горных пород зависят от составляющих их минералов, структурно-текстурных особенностей пород, плотности, пористости, давления, температуры, влагонасыщенности.
Высокой теплопроводностью и температуропроводностью обладают каменные соли, а низкой теплопроводностью - вода, нефть и воздух. В то же время вода обладает высокой теплоемкостью.
Высокой теплоемкостью обладает и нефть. Высокой теплопроводностью отмечаются все гидрохимические осадки и породы, обладающие электронной составлявшей теплопроводности: графит, железные и полиметаллические руды. С увеличением влажности породы от 0 до 40 % теплопроводность пород увеличивается в 6-7 раз. С увеличением температуры теплопроводность пород уменьшается. Так, в пределах до 500 °С в осадочных породах, гранитах и базальтах теплопроводность уменьшается на 20 %, а ультраосновных пород - в 2-2,5 раза.
Тепловой поток. В зависимости от преобладания механизма теплопереноса тепловой поток (тп) носит название кондуктивного (молекулярного) – Qкд или конвективного – Qкв.
Плотность теплового потока прямо пропорциональна теплопроводности - l - и градиенту температуры gradT – для кондуктивного (молекулярного) потока. Тепловой поток оценивается величиной тепловой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади. Qкд = - lgradT, Вт/ м2
Плотность конвективного теплового потока пропорциональна скорости фильтрации жидкости - w, теплоемкости – с, плотности -s, температуре – Т.
Qкв = wcsТ
Кондуктивный тепловой поток формируется потоком тепла, приходящего из мантии и потоком тепла, генерированного в земной коре за счет распада в породах радиоактивных элементов.
Конвективный тепловой поток определяется с большими трудностями. Затруднительно определить скорость движения жидкости, распределение ее объема и температуры.
2. структура порового пространства, удельная поверхность
Удельная поверхность горных пород является суммой поверхности частиц или поровых каналов в единице объема породы. Величина удельной поверхности пород пропорциональна степени дисперсности частиц породы. Чем меньше радиус поровых каналов и проницаемость пород, тем больше её удельная поверхность и меньше нефте- и газоотдача. От параметра удельной поверхности пород зависит проницаемость, адсорбционные свойства, содержание остаточной воды, молекулярноповерхностные явления. И чем больше удельная поверхность, тем больше негативное влияние на фильтрацию нефти и воды оказывают указанные выше факторы.
Очень важно знать величину удельной поверхности в связи с большим влиянием молекулярно-поверхностных сил на процессы фильтрации нефти. В крупнозернистой породе с относительно небольшой удельной поверхностью молекулы, находящиеся на поверхности, почти не влияют на процесс фильтрации, так как их число весьма мало по сравнению с числом молекул, находящихся внутри объема жидкости.
Для определения удельной поверхности применяют фильтрационный метод, основанный на измерении сопротивления течению разреженного воздуха через пористую породу; адсорбционный метод, основанный на определении объема адсорбции радиоактивных индикаторов, поглощенных пористой средой, и другие методы.
Структура порового пространства пород обусловлена гранулометрическим составом частиц, их формой, химическим составом пород, происхождением пор, а также соотношением количества больших и малых пор. По величине поровые каналы нефтяных пластов условно разделяют на три группы:
1) сверхкапиллярные — размеры больше 0,5 мм;
2) капиллярные — от 0,5 до 0,0002 мм (0,2 мкм);
3) субкапиллярные — меньше 0,0002 мм (0,2 мкм).
По крупным (сверхкапиллярным) каналам и порам движение нефти, воды и газа происходит свободно, а по капиллярным — при значительном участии капиллярных сил. В субкапиллярных каналах жидкости настолько сильно удерживаются силой притяжения стенками каналов (вследствие малого расстояния между стенками канала жидкость в ней находится в сфере действия молекулярных сил материала стенок), что практически в природных условиях перемещаться в них не могут. Породы, поры которых представлены в основном субкапиллярными каналами, независимо от пористости практически непроницаемы для жидкостей и газов (глина, глинистые сланцы). Хорошие коллекторы нефти — те породы, поры которых представлены в основном капиллярными каналами достаточно большого сечения, а также сверхкапиллярными порами. Из сказанного следует, что при существующих в естественных условиях перепадах давлений не во всех пустотах жидкости и газы находятся в движении. Наряду с полной пористостью введены еще понятия коэффициента открытой пористости, а также коэффициентов, характеризующих статическую полезную емкость и динамическую полезную емкость коллектора.
3.электропроводность коллекторов
Электропроводность горных пород может осуществляться с переносом вещества (ионная и ионно-электронная проводимость) и без переноса вещества (электронная и дырочная проводимость).
По величине электропроводности все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики (рис.7.1).
Рис. 7.1. Энергетические схемы:
а – проводника; б – полупроводника; в – диэлектрика;
1 – валентная зона; 2 – зона проводимости; 3 – запрещенная зона
Свободным носителем тока может стать лишь электрон, находящийся в зоне проводимости. Для того чтобы электрон мог попасть в зону проводимости, необходимо некоторое энергетическое воздействие на него. Величина этого воздействия зависит от ширины так называемой запрещенной зоны, отделяющей валентную зону обращения электронов от зоны проводимости.
В случае проводника запрещенная зона отсутствует. Электроны легко переходят в зону проводимости и становятся способными переносить заряды. В случае полупроводника запрещенная зона имеет определенную ширину. Она выражается количеством энергии, которую необходимо затратить электрону для того, чтобы перейти в зону проводимости. В диэлектриках запрещенная зона имеет ширину превышающую работу вырывания иона из узла кристаллической решетки. Поэтому проводимость металлов и полупроводников – электронная, проводимость диэлектриков – ионная.
Примеси атомов в металле всегда снижают его электропроводность. Это явление объясняется искажением кристаллической решетки основного металла и рассеянием электронных волн.
Любые примеси в диэлектриках увеличивают их электропроводность, так как искажения кристаллической решетки облегчают вырывание из нее ионов.
В полупроводниках, содержащих примеси, электропроводность увеличивается. Растет концентрация электронов – носителей тока.
Повышение температуры уменьшает электропроводиость проводников, так как возросшие тепловые колебания ионов решетки тормозят движение электронов. В диэлектриках с повышением температуры подвижность ионов увеличивается, растет их кинетическая энергия и облегчается их вырывание из решетки. Поэтому электропроводность диэлектриков возрастает. В полупроводниках повышение температуры ведет к увеличению концентрации электронов и соответственно росту электропроводности.
Почти все минералы и горные породы относятся к классу полупроводников с различной электропроводностью.