Зависимость теплопроводности и теплоемкости пород от температуры и давления

Влияние температуры. Теплопроводность пород снижается с ростом температуры и особенно сильно до температуры 200—427 °С. У некоторых пород (оливинит, гранит, диорит) при достижении минимальных значений с увеличением температуры λ несколько возрастает. Минимум теплопроводности обычно совпадает с началом плавления пород. Неодинаковое поведение при нагревании, например, таких близких по составу разностей, как гранит и обсидиан, объясняют различием их структуры. По их поведению при нагревании породы делят на три группы: кристаллические (гранит, диорит, эклогит и др.), аморфные (обсидиан) и с кристаллоаморфной структурой (диабаз, порфирит и другие). У пород с кристаллической структурой теплопроводность обусловлена рассеянием фононов на кристаллических зернах и друг на друге. Последний процесс объясняет зависимость λ=f(λ₀/t), где λ₀—значение λ при 20 °С.

Для аморфных неупорядоченных по структуре пород теплопередача относится к случайным процессам и λ=f (t).

Для пород с кристаллоаморфной структурой характерен механизм теплопередачи обычный как для кристаллических, так и для аморфных тел. В связи с этим на их теплопроводность практически не влияет или слабо влияет температура.

Температуропроводность падает с ростом t. Этот процесс обычен для пород с кристаллической и в меньшей степени с кристаллоаморфной структурой; он почти не наблюдается у чисто аморфных разностей. 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 растет с давлением.

Пространственное изменение коэффициента теплопроводности. О локальных и региональных закономерностях изменения значений тепловых величин горных пород земной коры известно пока мало. Имеются расчетные данные, дающие ориентировочное представление о коэффициенте теплопроводности структурно-формационных комплексов различных слоев земной коры. Из рассмотрения этих данных следует, что самой малой средней теплопроводностью 1,2 Вт/(мК) обладает осадочный слой земной коры, сложенный слаболитифицированными песчано-глинистыми отложениями молодых платформ. Теплопроводность литифицированных известково-магнезиальных и песчаноглинистых отложений древних платформ, краевых впадин и осадочных отложений складчатых областей имеют почти в 2 раза большую среднюю теплопроводность. Значения λ, при нормальных р и t для гранитно-метаморфического, диоритового слоев Земли сохраняются почти неизменными, но снова значительно возрастают до 3,4 Вт/(мК) в базальтовом слое.

Вопросы для закрепления:

1. Что такое теплопроводность?

2. В чем различие электронной и фононной теплопроводности?

3. Что такое плотность теплового потока?

4. Дайте определения различным видам теплоемкости. Какова связь между объемной и удельной теплоемкостью?

5. Что характеризует коэффициент температуропроводности и как он связан с другими тепловыми характеристиками?

6. Как описывается линейное и объемное расширение горных пород?

7. Дайте определение кондуктивного и конвективного переноса тепла в пористой среде.

8. Как выражаются аддитивные свойства тепловых характеристик насыщенных горных пород?

9. Как зависит теплопроводность от других петрофизических характеристик?

10. Как зависит теплопроводность и теплоемкость пород от температуры и от давления?

1.8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРНЫХ ПОРОД

Электрические свойства горных пород играют важную роль при проведении электроразведки полезных ископаемых (не только нефти, но и, например, угля, горючих газов, различных минералов). Электрические методы исследования разрезов скважин дают возможность изучать характеристику вскрытых скважинами горных пород. Эти методы также позволяют получить сведения о коэффициентах пористости, проницаемости и степени глинизации пород, нефте - и газонасыщенности, необходимые для рациональной разработки месторождений.

Микроэлектрические методы исследования разрезов скважин дают детальные сведения о микроструктуре отдельных горизонтов. Знание детального строения продуктивных горизонтов необходимо при поисках, разведке, и особенно при разработке нефтяных и газовых месторождений.

Электрические свойства горных пород могут меняться в процессе разработки месторождения, а движение флюидов в пористой среде приводит к неэквивалентному обмену зарядами между твердым телом и жидкостью и возникновению так называемого двойного электрического слоя. Такие процессы происходят не только в пластах, но и между скважинным оборудованием и пластовой жидкостью.

К основным характеристикам, характеризующим электрические свойства горных пород, относятся:

· Удельное электрическое сопротивление

· Электропроводность

· Относительная диэлектрическая проницаемость

· Тангенс угла диэлектрических потерь

· Электрическая прочность