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 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.)
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. gТ – 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; QВН – 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.
Тепловые свойства осадочных горных пород, нефти, воды и воздуха.
| Горная порода | Коэффициент теплопроводности l, Вт(м*к) | Удельная теплоемкость С, кДж/(кг.град) | Коэффциент температуропроводности a*10,м2/с | К-т линейного расширения a*105,1/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 |
| Доломит | 1,1-4,98 | 0,93 | 0,86 | - |
| 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 | - |
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 mi- массовая доля минерала удельной теплоемкостью Сi
| 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. lвода=0,023 Вт/(м*К) а lвода=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).