4. Використання акустичних властивостей гірських порід для рішення задач гірничого виробництва

Акустичні властивості гірської породи — властивості, що характеризують проходження через породу пружних коливань: інфразвукових, звукових та ультразвукових хвиль.

Акустичні властивості гірської породи використовують в гірничому виробництві при сейсморозвідці, акустичному каротажі, а також при контролі стану очисних і підготовчих вибоїв, прогнозуванні динамічних явищ у масивах гірських порід.

Акустичного каротажу - метод геофізичних досліджень в свердловинах, заснований на вивченні акустичних властивостей (швидкостей поширення і загасання пружних хвиль) гірських порід, пересічених свердловиною.

Використовується при пошуках і розвідці родовищ, контролі технічного стану свердловин, інтерпретації даних сейсмічної розвідки, а також при вирішенні інженерних геологічних завдань. При акустичному каротажі використовують звуковий (0,5-15 кГц) та ультразвукової (20-50 кГц, 0,3-2,0 МГц) діапазони частот. Акустичний каротаж проводять за допомогою глибинного датчика, пов'язаного каротажних кабелем з наземними вимірювальними і реєструючими приладами. Основні елементи глибинного приладу - випромінювачі і приймачі пружних хвиль, а також акустичні ізолятори, запобігають розповсюдженню пружних хвиль по корпусу глибинного приладу.

При проведенні акустичного каротажу електричні імпульси надходять з блоку синхронізації і управління в випромінювачі, де перетворюються в імпульси пружних коливань тривалістю 5-10 мс; переважаюча енергія цих імпульсів зосереджена в смузі частот 10-15 кГц. Вимірюють часи пробігу основних типів хвиль і коефіцієнт загасання. За результатами вимірювань будують геоакустических моделі розрізів свердловин для інтерпретації даних сейсморозвідки, проводять оцінку пористості продуктивних пластів, визначають пружні модулі гірських порід (модулі Юнга, зсуву, об'ємного розширення), виявляють зони підвищеної тріщинуватості і кавернозному.

Акустичні властивості гірських порід використовують для визначення зон, небезпечних за раптовими викидами вугілля та газу, стійкості ціликів, кордонів між вугільним пластом і вміщають породами, тріщинуватості і порушеності масиву. 

5. Теплові властивості гірських порід

Тепловые свойства горных пород имеют важное значение при решении групп задач в нефтепромысловом деле:

1. при использовании геотермических методов решения геологических и тектонических задач (расчленение геологического разреза по тепловым свойствам горных пород; определение дебитов газа, поступающего в скважину; изучение тектонического состояния скважины, обсадной колоны и выявление затрубной циркуляции вод);

2. при разработке и реализации различных методов теплового воздействия на пласт (введение горячей воды или других теплоносителей, с целью увеличения притока нефти, прогрев забоев и стволов скважин для удаления парафина и др.)

Теплопровідність - це властивість середовища передавати кінетичну теплову енергію його молекул, що передусім залежить від різновиду породи (мінерального складу, структури), поруватості і тріщинуватості, типу рідини, що заповнює пори і порожнини і ступеня їхньої наповненості, температури (особливо від’ємної)

Основные тепловые свойства горных пород включают следующие параметры:

1. с – удельную массовую теплоемкость пород (количества тепла Q, необходимого для единицы массы породы на 1 градус:

где M – масса образца, кг.

2. l - коэффициент теплопроводности, определяемый из закона Фурье распространения тепла в твердом теле:

где q – плотность теплового потока [Вт/м²], grad T –  и 

3. а – коэффициент температуропроводности пород:

где r - плотность пород  ; С – объемная теплоемкость пород  ; 

4. коэффициент теплового расширения пород:

А. a - коэффициент линейного теплового расширения:

где dL – удлинение породы при ее нагревании на dT градусов; L – начальная длина образца.

Б. g_Т – коэффициент объемного теплового расширения породы:

где dV – увеличение породы при ее нагревании на dT градусов; V – первоначальный объем породы.

Стационарное и нестационарное распределение температуры tв горных породах подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности (при отсутствии конвенции):

где t – температура пород; t – время; а – коэффициент температуропроводности пород; Q_ВН – мощность внутренних источников тепла (количество тепла, выделяемое в единице объема за единицу времени); с – удельная теплоемкость породы; r - плотность породы.

Пределы изменения основных свойств различных осадочных горных пород и флюидов, заполняющих поры (нефти, воды, воздуха) видны из таблицы 1.

Таблица 1.

 

Удельная теплоемкость минералов и пород изменяется от 0,4 до 2 кДж/(кг*К). Обычно она выше удельной теплоемкости металлов. Теплоемкость пород зависит от их минерального состава и температуры(дисперсного состава минералов). Наибольшая теплоемкость у воды – 4,15 Дж /(кг*К) поэтому с увеличением влажности теплоемкость горных пород возрастает.

 Так как удельная теплоемкость горной породы зависит только от минерального состава, то она (с) может быть рассчитана по формуле

где m_i- массовая доля минерала удельной теплоемкостью С_i

Рис.6.2 Корреляционная связь между удельной теплоемкостью С и плотностью r0 минералов, как видно из рис.6.2 у минералов с уменьшением их плотности наблюдается повышение удельной теплоемкости.

Коэффициент теплопроводностигорных пород [l~7¸12 Вт/(м*к)]

Повышенную по сравнению с другими нерудными минералами теплопроводность имеют также гидрохимические осадки – каменная соль, сильвин, ангидрит, пониженную – каменный уголь, асбест и др. породы.

Теплопроводность обладает анизотропией (l вдоль слоистость на 10-50%, больше чем теплопроводность поперек слоистости).

Теплопроводность пористых горных пород является сложной функций составляющий фаз – твердой , жидкой , газообразной.

Эффективная теплопроводность коллекторов, заполненных нефтью и водой значительно повышается за счет конвективного переноса тепла флюидом .

Однако, если размеры пор малы, то конвекцией можно пренебречь. Например, в коллекторе с радиусом пор 3 мм доля конвективного потока составляет 0,13% общего теплого потока .

В этом случае наличие флюида с низкой теплопроводностью [воздух - l=0,023 Вт/(м*К),нефть - l~ 0,139 Вт/(м*К)] понижает теплопроводность пористой породы.

Теплопроводность сухой пористой породы всегда ниже, чем водонасыщенной (т.к. l_вода=0,023 Вт/(м*К) а l_вода=0,582 Вт/(м*К)].

Пределы изменения коэффициента температуропроводностипород – порядка 10^-6-10^-7 м/с.

Температуропроводность пород снижается с увеличением их пористости и, как и теплопроводность , обладает анизотропией.

Коэффициент линейного теплого расширенияпород a лежит в пределах a~10^-6-10^-5

К^-1 (рис).

Теплопровідність - це властивість середовища передавати кінетичну теплову енергію його молекул, що передусім залежить від різновиду породи (мінерального складу, структури), поруватості і тріщинуватості, типу рідини, що заповнює пори і порожнини і ступеня їхньої наповненості, температури (особливо від’ємної)