Ковалева Л А Петрофизика Лекция 8 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Ковалева Л. А. Петрофизика Лекция 8 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Петрофизика Лекция 8 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД 8. 1. Тепловые характеристики горных пород. 8. 2. Физический механизм теплопередачи в горных породах. 8. 3. Связь теплопроводности с другими петрофизическими величинами. 8. 4. Анизотропия теплопроводности пород 8. 5. Зависимость теплопроводности и теплоемкости пород от температуры и давления 2

Петрофизика Лекция 8 3 8. 1. Тепловые характеристики горных пород Изучение термических характеристик горных пород является важной частью петрофизических исследований состояния горных пород и направлено на решение следующих задач: - выявление в разрезе скважин горизонтов, содержащих полезные ископаемые; - контроль за разработкой нефтяных и газовых месторождений на основе изучения тепловых свойств пород, слагающих разрез скважины; - изучение геологического разреза и технического состояния скважин. Кроме того: - проектирование методов теплового воздействия на пласт (закачка горячей воды и теплоносителей для вытеснения нефти); - обработка призабойной зоны скважин, удаление асфальтеносмолистых отложений и парафина и т. д.

Петрофизика Лекция 8 Тепловой режим Земли определяют 4 температурные зоны: 1. Зона, в которой имеют место суточные колебания температуры, глубиной до 1 метра. 2. Зона годового колебания температуры, глубиной до 20 метров. 3. Зоны векового колебания температуры, глубиной до 1000 метров. 4. Зона постоянной во времени температуры, глубиной свыше 1000 метров.

Петрофизика Лекция 8 ОСНОВНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ПОРОД: 1. Теплоемкость удельная - количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы породы на один градус; объемная – количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы объема породы на один градус; Связь между ними: молярная ( - молярная масса). 5

Петрофизика Лекция 8 6 Удельная теплоемкость пород зависти от: 1) их минералогического состава (обычно возрастает с увеличением влажности и температуры) 2) плотности (возрастает с уменьшением плотности) Не зависит от строения, структуры, дисперсного состояния минералов. Значения удельной теплоемкости горных пород объемной теплоемкости:

Петрофизика Лекция 8 2. Коэффициент теплопроводности λ - количество теплоты, переносимой через единицу площади породы S в единицу времени t в направлении x; Или через тепловой поток q ( 1 -й закон Фурье):

Петрофизика Лекция 8 8 Пример: для прогрева пород на 60 -70 К на расстояние 2 -3 м нагревать нужно в течение нескольких десятков часов (мощность электрических печей для прогрева ПЗП обычно равна 10 -20 к. Вт).

Петрофизика Лекция 8 9 3. Коэффициент температуропроводности а характеризует скорость прогрева породы, т. е. распространения в ней изотермических границ. 2 -й закон Фурье (уравнение теплопроводности): скорость

Петрофизика Лекция 8 При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуются коэффициентами линейного и объемного расширения: где L и V – длина и объем образца горной породы. Значения коэффициента линейного теплового расширения различных горных пород меняется в пределах от 4 до Вдоль напластования горной породы теплопроводность и температуропроводность выше, чем поперек на 10 -15%.

Петрофизика Лекция 8 8. 2. Физический механизм теплопередачи в горных породах В газах перенос теплоты (энергии) осуществляется хаотически движущимися молекулами; в твердых телах - электронами проводимости (электронная теплопроводность); в диэлектриках - за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку (фононная теплопроводность). В горных породах, представляющих собой гетерогенную среду, включающую твердый скелет и поры, заполненные жидкостью или газом, возможны следующие виды переноса тепла: 11

Петрофизика Лекция 8 1. Кондуктивная теплопроводность. перенос тепла осуществляется за счет: 1. фононной теплопроводности твердого скелета 2. молекулярной передачей тепла флюидами, заполняющими поры. Фонон определяет энергию колебательных состояний узлов решетки твердого тела и может рассматриваться как квазичастица. Интенсивность переноса теплоты фононами в кристаллах, в основном, определяется химическим составом и плотностью пород и в меньшей степени кристаллографическим направлением и наличием дефектов в их кристаллической структуре.

Петрофизика Лекция 8 13 В соответствии с теорией Дебая и молекулярно-кинетической теории поток фононов может рассматриваться как фононный газ с теплопроводностью, равной: – скорость распространения Приведенная формула справедлива (кристаллических и аморфных). упругой волны, lф – длина свободного пробега фонона. для любых твердых тел Теплопроводность жидкости можно оценить по формуле: - объемная теплоемкость жидкости, - скорость движения, lм – межмолекулярные расстояния.

Петрофизика Лекция 8 2 -й закон Фурье с конвективным членом При наличии движения флюидов в горных породах учет конвективной теплопроводности сводится к решению уравнения теплопроводности с конвективным слагаемым: - коэффициент объемной теплоемкости среды; - коэффициент объемной теплоемкости фильтрующегося флюида, υ - скорость фильтрации флюида. 14

Петрофизика Лекция 8 15 8. 3. Связь теплопроводности с другими петрофизическими величинами В большинстве случаев теплопроводность можно считать аддитивной величиной, и для насыщенной жидкостью породы она может быть выражена следующим выражением: в частности, для водонефтенасыщенной: для водонефтегазонасыщенной: С ростом пористости теплопроводность уменьшается, что объясняется более низкой теплопроводностью жидкости и особенно газа в порах пород по сравнению с теплопроводностью их твердой фазы. Вполне аналогично - для теплоемкости среды

Петрофизика Лекция 8 8. 4. Анизотропия теплопроводности пород 16

Петрофизика Лекция 8 17 Теплопроводность нефти с ростом температуры увеличивается. Объемная теплоемкость пород увеличивается при их нагревании до температуры 850 °С. Влияние давления. Теплопроводность увеличивается с ростом давления, причем максимальные ее изменения относятся к давлениям от 0, 1 до 10 МПа. В дальнейшем коэффициент λ, мало изменяется или сохраняется практически постоянным. Предполагают, что рост λ связан с уплотнением контактов между зернами, так как после снятия давления λ становится выше первоначального. Температуропроводность также растет с давлением.