Тепловые свойства горных пород.

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 разработки 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.)

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.  - 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  - плотность пород ; С – объемная теплоемкость пород;

4. коэффициент теплового расширения пород:

А.  - коэффициент линейного теплового расширения:

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

Б. _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 t в горных породах подчиняется дифференциальному уравнению теплопроводности (при отсутствии конвенции):

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

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

Таблица 1.

Тепловые свойства осадочных горных пород , нефти, воды и воздуха.

Горная порода	Коэффициент теплопроводности, Вт(м*к)	Удельн.емкость С,кДж/(кк)	Коэффциент темп.проводности A*10,м^2/с	К-т линейного расширения *10^5,1/К.
Глина	0,99	0,755	0,97	-
Глинистый сланец	1,54-2,18	0,772	0,97	0,9
Известняк кристаллический	2,18	1,1	0,86	-
Известняк доломитизир.	1,51	-	0,5-1,2	0,5-0,89
Каменная соль	2,49	0,692	-	-
Кварц	7,2	0,853	1,36	-
Мергель	1,96	-	0,89	1,37
Песок(сухой)	0,347	0,8	-	-
Песок(влажность-20-25%)	3,42	-	0,2	-
Песчаник плотный	1,27-3,01	0,81	-1,39	-
Нефть	0,139	2,1	0,069-0,086	0,5
Вода	0,582	4,15	0,14	-
Воздух	0,023	1,00	-	-
Торф	0,07	1,76	1,62	-
Уголь	0,45	1,16	0,219	-
доломит	1,1-4,98	0,93	0,86	-

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.

Рис.6.2 Корреляционная связь между удельной теплоемкостью С и плотностью ₀ минералов, как видно из рис.6.2 у минералов с уменьшением их плотности наблюдается повышение удельной теплоемкости.

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

Коэффициент теплопроводности горных пород 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 ( 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 - =0,023 Вт/(м*К),нефть -  0,139 Вт/(м*К) понижает теплопроводность пористой породы.

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

Пределы изменения коэффициента температуропроводности пород – порядка 10^-6-10^-7 м/с. Температуропроводность пород снижается с увеличением их пористости и, как и теплопроводность , обладает анизотропией.

Коэффициент линейного теплого расширения пород  лежит в пределах 10^-6-10^-5

К^-1 (рис).

Кварцит	||||||||||||||||||||||||||
Песчаник	||||||||||||||||||||||||
Известняк	|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Гранит	||||||||||||||||||||||||||||||||
Сланец	||||||||||||||
Андезит, диорит	||||||||||||||||||||||||
Мрамор	||||||||||||||||||||||
Базальт, габбро	||||||||||||

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 *10⁶, 1/К

Рис. Коэффициенты теплого расширения () различных горных пород.

Высокими значениями  обладают :

Сера ( =8*10^-5К^-1) , каменная соль ( =1,3*10^-5К^-1),

Коэффициент объемного теплого расширения _т пород определяется коэффициентами _тi слагающих породу минералов - _I и относительным объемным содержанием минералов V_i/V_i ,Обычно _т3.

Кристаллы и слоистые горные породы имеют различное тепловое расширение в разных направлениях . Для них _т3

Например ,у диопсида _Т/=2,5; у роговой обманки _Т/=2,5.

Расширение кварца в одном из направлений превышает ею расширение в других направлениях в 2 раза

28