Глава 11: Тепловые свойства горных пород
Основными тепловыми свойствами горных пород являются теплопроводность, тепловое сопротивление породы, теплоемкость или удельная теплоемкость с и температуропроводность породы а.
Коэффициент теплопроводности характеризует способность горных пород к передаче тепла и численно показывает поток тепла в ваттах в единицу времени через породу сечением 1 м2, высотой 1 м при разности температур 1 К и выражается в Вт/(м×К). Величина обратная теплопроводности называется тепловым сопротивлением породы (в м×К/Вт).
Температуропроводность
характеризует скорость выравнивания
температуры при нестационарной
теплопроводности
и определяется соотношением а=
/(с
),
где
— плотность пород.
Изменение температуры различных пород при поглощении или отдаче ими тепла может происходить с различной скоростью.
Величина а показывает изменение температуры единицы объема породы за единицу времени и выражается в м2/с.
Теплоёмкость – коэффициент который равен отношении количества теплоты сообщённого телу Q к соответствующему ему повышению температуры :
Свойство среды поглощать тепловую энергию при теплообмене оценивается удельной теплоемкостью (массовой см и объемной сv). Под удельной теплоемкостью понимают количество тепла в Дж, необходимое для нагрева 1 кг данного вещества на 1 К, и выражают в Дж/(кг×К).
Удельная теплоёмкость – это теплоёмкость отнесённая к единице объёма.
Тепловые свойства горных пород тесно связаны с их плотностью. Тепловое сопротивление горных пород понижается с увеличением их плотности. В связи с этим изверженные и метаморфические породы имеют меньшее тепловое сопротивление, чем осадочные песчано-глинистые и главным образом глинистые отложения. С глубиной плотность горных пород закономерно возрастает, что приводит к уменьшению в этом направлении теплового сопротивления.
Тепловое сопротивление зависит от слоистости горных пород: в направлении, перпендикулярном к напластованию, тепловое сопротивление выше, чем в направлении напластования. Это явление известно под названиём тепловой анизотропии. Понижение теплового сопротивления по напластованию связано с циркуляцией вод в этом направлении и возникающим в результате дополнительным переносом тепла — конвекцией. Этим же объясняется повышение геотермического градиента под сводами складок, содержащих мощные пачки проницаемых пород, в которых перемещается вода.
У многофазных пористых пород (водо-, нефте- и газонасыщенных) передача тепловой энергии происходит не только путем теплопроводности, но и путем конвекции заполнителя порового пространства. Величина теплопроводности (теплового сопротивления) в многофазных осадочных породах определяется объемным соотношением фаз, их химико-минералогическим составом, агрегатным состоянием каждой фазы, удельной поверхностью и т.д. Тепловые свойства основных породообразующих минералов изменяются незначительно.
Несколько повышенным тепловым сопротивлением и пониженной теплопроводностью обладают глинистые минералы [11,13]. Данные о тепловых свойствах горных пород широко используются при термических исследованиях бурящихся и эксплуатационных скважин и решении задач, связанных с разведкой и разработкой месторождений нефти и газа.
Для песчано-глинистых пород установлены обратные корреляционные связи между произведением коэффициента теплопроводность на электрический параметр пористости Рn и коэффициентом пористости Кп, а также коэффициентом теплопроводности и глинистости. Понижение коэффициента теплопроводности с ростом содержания глинистого цемента объясняется резким увеличением неплотных контактов между высокодисперсными глинистыми частицами пород, что приводит к росту их теплового сопротивления. При этом возрастает роль конвективного тепломассопереноса.
Выявлены связи для осадочных горных пород между коэффициентом теплопроводности и плотностью, влажностью и пористостью.
Контрольные вопросы.
1. Какими параметрами описываются тепловые свойства горных пород.
2. От каких факторов зависит тепловое сопротивление горных пород?
3. Опишите основные факторы от которых зависят тепловые свойства осадочных пород различных типов.