Тепловые свойства горных пород

Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими физическими параметрами:

· удельной теплоёмкостью;

· коэффициентом температуропроводности;

· коэффициентом теплопроводности.

Эти параметры необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт и решении термодинамических вопросов, связанных с прогнозированием температуры флюидов на устьях добывающих скважин, оценкой фильтрационных параметров пласта, термической обработкой продуктивных горизонтов.

Свойство горных пород поглощать тепловую энергию при теплообмене характеризуется удельной теплоёмкостью пород.

Удельная (массовая) теплоёмкость оценивается количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°:

, (1.55)

где M – масса породы;

dT – прирост температуры от количества теплоты (dQ), переданной породе.

Удельная теплоёмкость пород зависит от температуры, поэтому каждое её значение необходимо относить к определенной температуре или к интервалу температур.

Сообщение породе количества теплоты (dQ) вызывает количественное повышение температуры (dT):

dT = dQ/(с·М) (1.56)

Теплоёмкость пород зависит от условий его нагревания – при постоянном объёме или при постоянном давлении. При нагревании породы при постоянном объёме всё тепло расходуется на увеличение внутренней энергии тела. При нагревании породы при постоянном давлении часть тепла расходуется на увеличение внутренней энергии тела, а часть идет на расширение породы.

Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Причём, теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов.

Чем больше пористость, температура и влажность горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды.

Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.

Удельная теплоёмкость пород нефтесодержащих толщ изменяется в пределах 0,4–2 кДж/(кг×К).

Коэффициент теплопроводности ( l) или удельного теплового сопротивления, характеризует количество теплоты (dQ), переносимой в породе через единицу площади (S) в единицу времени (t) при градиенте температуры (dT/dx), равном единице:

. (1.57)

Коэффициент температуропроводности (α) горных пород характеризует скорость прогрева пород, изменения температуры пород, вследствие поглощения или отдачи тепла, или скорость распространения изотермических границ.

При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного (a_L) и объёмного (a_V) теплового расширения.

Коэффициентылинейного (a_L) и объёмного (a_V) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании:

, (1.58)

где L и V – начальные длины и объёмы образцов.

Тепловые параметры горных пород выражаются соотношениями: , , (1.59)

где α – коэффициент температуропроводности, м²/с;

l – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

с – удельная теплоёмкость, Дж/(кг·К);

ρ – плотность породы, кг/м³.

Величины теплопроводности и температуропроводности горных пород очень низки по сравнению с металлами (табл. 1.4).

Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счёт конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергают ультразвуковой обработке. Вследствие упругих колебаний среды ускоряется процесс передачи тепла за счёт конвекции.

Наибольшими значениями коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Таблица 1.4