Тепловые свойства горных пород

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловые свойства горных пород

Тепловые свойства горных пород характеризуются, в основном, удельной теплоёмкостью, коэффициентом температуропроводности и коэффициентом теплопроводности. Эти параметры необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт и решении термодинамических вопросов, связанных с прогнозированием температуры флюидов на устье 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 характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1?C:

термодинамический пласт горный

где M - масса породы;

dT - прирост температуры от количества теплоты dQ, переданной породе.

Удельная теплоёмкость пород зависит от температуры, поэтому каждое её значение необходимо относит к определенной температуре или к интервалу температур. Сообщение породе количества теплоты (dQ), вызывает количественное повышение температуры (dT):

dQ = с · М · dT

Теплоёмкость пород зависит от условий его нагревания - при постоянном объёме и 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. Теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов. Чем больше пористость, влажность, и температура горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды.

Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.

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

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

Теплопередача.

Следующим важным параметром является теплопередача.

Q=kтТSt,

где kт - коэффициент теплопередачи.

Его физический смысл: количество тепла, ушедшего в соседние пласты, через единицу поверхности, в единицу времени при изменении температуры на один градус.

Коэффициент температуропроводности (б) 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 (бL) и объёмного (бV) теплового расширения.

Коэффициенты линейного (бL) и объёмного (бV) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании:

,

где L и V - начальные длина и объём образца.

Взаимосвязи тепловых свойств горных пород выражаются соотношениями:

, ,

где б - коэффициент температуропроводности, м2/с;

л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м · К);

с - удельная теплоёмкость, Дж/(м · К);

с - плотность породы, кг/м3.

Теплопроводность и температуропроводность пород очень низки по сравнению с металлами. Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей.

Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счет 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 счет конвекции.

Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости. Наибольшим значением коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы. Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.

Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах величина температуропроводности более низка, чем в водонасыщенных породах, так как теплопроводность нефти меньше чем воды.

Таблица 1.3. Тепловых свойства некоторых горных пород и пластовых флюидов

Температуропроводность пород не зависит от минерализации пластовых вод. Температуропроводность и теплопроводность, измеренная вдоль напластования породы, большей частью превышает на 10-50 % значения этих тепловых свойств, измеренных в направлении, перпендикулярном напластованию.

Упругие колебания в породах и их акустические свойства

В практике разработки нефтяных месторождений в последние годы возрастает объем технологических операций, связанных с возбуждением в пласте упругих колебаний и волновых процессов. Повышение дебитов добывных и поглотительной способности нагнетательных скважин иногда достигается путем обработки призабойной зоны пласта гидравлическими и акустическими вибраторами, возбуждающими в коллекторе волны давлений, которые способствуют возникновению новых и раскрытию имевшихся трещин в породе, увеличивают проводимость прискважинной части пласта для жидкости и газов (kh/м). Установлено также, что при прогреве пласта электропечами для удаления из пор парафина и смол процесс передачи тепла в глубь пласта значительно интенсифицируется, если совместить тепловую обработку пород с ультразвуковой.

Мощные колебательные процессы возбуждаются в коллекторах нефти при взрывах атомных устройств и различных взрывчатых веществ, применяемых для воздействия на пласт с целью увеличения его нефтеотдачи. Поэтому акустические параметры пород используются в настоящее время в возрастающем объеме для прогнозирования результатов различных технологических процессов, связанных с возбуждением в пласте упругих колебаний. Последние представляют собой процесс распространения в породах пласта упругих деформаций ее частиц с переменным знаком. Акустическими параметрами породы принято называть величины, которые характеризуют их свойства передавать (распространять) упругие колебания -- скорость распространения упругих волн, коэффициент поглощения упругих колебаний, волновое сопротивление, их способность отражать и преломлять волны.

В промысловой практике приходится встречаться с упругими волнами различной частоты: более 20 000 Гц -- ультразвуковые, от 20 до 20 000 Гц -- звуковые, до 20 Гц -- инфразвуковые. Сейсмические волны низкой частоты появляются при взрывных работах в скважинах.

Под влиянием вибраторов, работающих в скважине, в пласте распространяются продольные и поперечные упругие волны. Первый вид волн характеризуется продольным распространением в породе деформаций попеременного объемного сжатия и растяжения. В твердых телах они вызывают поперечные деформации сдвига -- в виде поперечных упругих волн.

Скорость распространения упругих волн зависит от упругих характеристик породы.

Скорости продольной хпр и поперечной хпоп упругих волн можно определить по формулам

где с -- плотность породы (остальные обозначения прежние).

Несцементированные пески обладают слабым внутренним трением и оказывают небольшое сопротивление сдвиговым усилиям. Поэтому в них, как в жидкой среде, возникают только продольные волны.

В случае консолидированных осадочных пород соотношение скоростей продольных и поперечных волн находится в пределах хпр/хпоп=1,5--14 (возрастая для пород малопрочных со значительной пористостью в связи с присущим этим породам низких значений сопротивлению сдвигу).

Скорость распространения упругих волн практически не зависит от их частоты. С ростом модуля Юнга Е скорости продольных и поперечных волн увеличиваются. Возрастание коэффициента Пуассона сопровождается ростом скорости продольной волны и уменьшением скорости поперечной. Поэтому скорость упругих волн в пористых породах значительно меньше, чем в плотных.

Интенсивность упругой волны по мере ее распространения в пласте уменьшается вследствие рассеивания энергии волны в разных направлениях в зонах неоднородного строения и вследствие поглощения энергии упругой волны породой на преодоление сил трения частиц в процессе их деформации.

Амплитуда упругих колебаний в зависимости от расстояния, пройденного волной от источника излучения, затухает по экспоненциальному закону

А = А0е-Их

где А -- текущая амплитуда колебаний; Ао -- начальная амплитуда колебаний; И -- коэффициент поглощения; х -- расстояние от источника излучения.

Если обозначить расстояние, в пределах которого амплитуда уменьшается в е раз через хо, то

Ихо=1 и И=1/хо

Коэффициент поглощения И зависит от упругих характеристик породы и частоты колебаний и щ= 2рn. С ростом частоты И интенсивно увеличивается (иногда по квадратическому закону) :

где з -- коэффициент внутреннего трения породы; х -- скорость упругой волны; с -- плотность породы). По экспериментальным данным, коэффициент поглощения И для глинистых пород пропорционален lgn. С увеличением пористоти пород И возрастает.

Произведение плотности пород на скорость упругой волны принято называть удельным волновым сопротивлением z=сх (удельным акустическим импедансом). Эта величина связана со способностью материала горных пород отражать и преломлять упругие волны. Отражение и преломление волн при возбуждении колебательных процессов в скважинах наблюдаются при переходе упругой волны из жидкой среды, заполняющей скважин, в пласт и далее на границах пористых сред с различными акустическими свойствами.

Коэффициентом отражения принято называть отношение Кот= Эо/Эп где Эп и Эо--соответственно энергия падающей и отраженной волн.

С увеличением разницы в волновых сопротивлениях двух сред z1 и z2 возрастает и коэффициент отражения

Поэтому, например, при переходе звуковой волны из нефти или воды (среды с малым волновым сопротивлением) в породу (среду с большим волновым сопротивлением) отражается до 80--85 % энергии волны.

Считается, что отражение упругих волн от границ раздела происходит по законам оптики.

Для примера в табл. приведены акустические характеристики некоторых горных пород.

Таблица 2. Акустические параметры пород

Размещено на Allbest.ru