§ 7. Тепловые свойства горных пород

В нефтепромысловом деле для решения ряда геологических и технических задач (изучение пород, слагающих разрез сква­жин, по их тепловым свойствам, выявление в разрезе скважин горизонтов, содержащих полезные ископаемые, изучение техни­ческого состояния скважин и обсадных колонн и т. д.) широко применяют термические исследования скважин. Особенно ча­сто промысловые работники встречаются с тепловыми свой­ствами пород при проектировании различных методов теплового воздействия на пласт (введение в пласт горячей воды или других теплоносителей для увеличения количества извлекаемой нефти из пласта, обработка забоев и стволов скважин горя­чими агентами для удаления парафина и т. д.).

Тепловые свойства горных пород характеризуются удельной теплоемкостью с, коэффициентом теплопроводности  или удельного теплового сопротивления =1/ и коэффициентом температуропроводности а.

Удельная (массовая) теплоемкость породы характеризуется количеством теплоты, необходимой для на­грева единицы массы породы на один градус,

(II.41)

где М — масса породы; dT — прирост температуры от коли­чества теплоты dQ, переданной породе.

Коэффициент теплопроводности , пород характеризует количество теплоты dQ, переносимой в породе через единицу площади S в единицу времени при градиенте тем­пературы Т/x, равном единице,

(II.42)

Коэффициент температуропроводности а характеризует скорость прогрева пород, т. е. скорость распро­странения изотермических границ в них. При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характери­зуется коэффициентами .линейного _L и объемного _v тепло­вого расширения:

, ,

где L и V —начальные длина и объем образца породы; dL и dV — приращение длины и объема образца при повышении температуры на dT.

Удельная теплоемкость горных пород возрастает с уменьше­нием их плотности в пределах 0,4—2 кДж/(кгК). По результа­там многочисленных измерений значение с горных пород, слага­ющих продуктивные пласты нефтяных месторождений, во многих случаях находится в пределах 0,63—1,0 кДж/(кгК). Объем­ная теплоемкость пород с_ обычно находится в пределах 15< с_<3000 кДж/(м³К).

Теплоемкость пород зависит от их минералогического со­става и не зависит от строения, структуры и дисперсного состо­яния минералов.

Установлено, что с увеличением влажности и температуры теплоемкость пород возрастает.

Теплопроводность и температуропроводность горных пород по сравнению с металлами очень низка — 0,1-7 Вт/(мК).

Поэтому для прогрева на 60—70 К пород призабойных зон скважин даже на небольшую глубину (2—3 м) необходимо вы­держивать нагревательные приборы, применяемые для этой цели, в течение нескольких десятков часов. (Мощность электрических печей, применяемых для прогрева призабой­ных зон скважин, составляет 10—20 кВт.)

Из основных минералов, слагающих нефтегазоносные пла­сты, наибольшей теплопроводностью обладает кварц (= 7—12 Вт/(мК). Вдоль напластования теплопроводность выше, чем поперек напластования пород на 10—50 %.

Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счет конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергается ультразвуковой обработке, в ре­зультате чего ускоряется процесс передачи тепла за счет кон­векции, возникающей вследствие упругих колебаний среды.

Коэффициент линейного расширения _L пород уменьшается с ростом плотности минералов. Значительными коэффициен­тами линейного расширения обладают кварц, каменная соль.

Крупнозернистые породы расширяются при нагреве при одних и тех же условиях в большей степени, чем мелкозер­нистые.

Зависимость коэффициента температуропроводности от дру­гих термических свойств пород определяется соотношением

где а — коэффициент температуропроводности, м²/с;  — коэф­фициент теплопроводности, Вт/(мК); с — удельная теплоемкость, Дж/(кгК);  - плотность породы, кг/м³.

Температуропроводность горных пород повышается с умень­шением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она более низка, чем в водонасыщенных, так как, теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуро­проводность пород почти не зависит от минерализации пласто­вых вод. Вдоль напластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования.

В табл. II.6 приведены тепловые свойства некоторых горных пород, нефти и воды.

Таблица II.6 Тепловые свойства некоторых горных пород, нефти и воды

Горная порода	Коэффициент теплопроводности , Вт/(мК)	Удельная теплоёмкость с, кДж/(кгК)	Коэффициент температуропроводности а103, м2/с	Коэффициент линейного расширения L103, 1/К
Глина	0,99	0,755	0,97	—
Глинистый сланец	154-218	0,772	0,97	0,9
Доломит	1,1-4,98	0,93	0,86	—
Известняк кристалический	2,18	1,1	0,5-1,2	0,5-0,89
Известняк доломитизированный	1,51	—	—	—
Каменная соль	7,2	0,853	0,89	—
Кварц	2,49	0,692	1,36	1,37
Мергель	0,915-2,18	—	—	—
Песок (сухой)	0,347	0,8	0,2	—
Песок (влажность 20-25%)	3,42	—	—	—
песчаник плотный	1,27-3,01	0,838	1,39	0,5
Нефть	0,139	2,1	0,069-0,086	—
Вода	0,582	4,15	0,14	—