Тепловые и свойства горных пород

В промыслово-геофизической практике для характеристики горных пород по тепловым свойствам также пользуются удельным тепловым сопротивлением — величиной, обратной коэффициенту теплопроводности.
Указанные тепловые свойства горных пород определяют характер распределения естественного и искусственного тепловых полей в земной коре. От тепловых свойств горных пород и закономерностей их изменения по геологическим разрезам зависит эффективность результатов температурных измерений в скважинах. Эти данные являются основой методов геологической интерпретации материалов геотермии и способствуют решению ряда важнейших задач. Сведения о тепловых свойствах горных пород необходимы для тепловых расчетов, широко применяемых в настоящее время в нефтепромысловой практике и теоретических исследованиях, связанных с рациональными методами эксплуатации, и контроля за разработкой нефтяных и газовых месторождений.
Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность горных пород следует рассматривать с учетом их многофазного состояния. В горных породах величина коэффициента теплопроводности определяется объемным соотношением фаз (твердой, жидкой и газообразной), величиной и формой пор, гранулометрическим составом и другими факторами.

Основным параметром в терморазведке является теплопроводность, характеризующая способность сред и горных пород передавать тепло. В теории терморазведки доказано, что при температурах до 1000С теплопроводность обратно пропорциональна температуре. В связи с этим средняя теплопроводность до глубин около 100 км, где ожидаются такие температуры, понижается примерно в 3 раза по сравнению со средней теплопроводностью поверхностных отложений. На глубинах свыше 100 км теплопроводность постепенно повышается, что объясняется ростом с глубиной давления и лучистого теплообмена. Эта зона пониженной теплопроводности в мантии служит препятствием для оттока тепла к поверхности и способствует возрастанию температур с глубиной.

В целом теплопроводность горных пород зависит от минерального состава, структуры, текстуры, плотности, пористости, влажности, температуры. Минеральный состав магматических, метаморфических и осадочных пород не очень влияет на их теплопроводность. Плотность, пористость и давление, под которым находятся горные породы, связаны между собой. При повышении плотности и давления, а значит понижении пористости теплопроводность пород повышается. С увеличением влажности горных пород их теплопроводность резко увеличивается. Например, изменение влажности с 10 до 50% может увеличить теплопроводность в 2 - 4 раза. Повышение температуры снижает теплопроводность кристаллических и сухих осадочных пород и увеличивает у водонасыщенных. В целом влияние различных, иногда взаимно противоположных природных факторов, на теплопроводность горных пород весьма сложно и недостаточно изучено. Магматические и метаморфические породы обладают коэффициентом теплопроводности 0,2 - 0,4 (в среднем 0,3) Вт/(м*град), осадочные - 0,03 - 0,5 (в среднем 0,125) Вт/(м*град), нефтегазонасыщенные - меньше 0,05 Вт/(м*град).

Теплоемкостью горных пород объясняется их способность поглощать тепловую энергию. Она отличается сравнительным постоянством и возрастает с увеличением водонасыщенности. У магматических и метаморфических пород при обычных температурах теплоемкость изменяется в пределах (0,6 - 0,9)*10³ Дж/(кг*град), у осадочных - (0,7 - 1)*10³ Дж/(кг*град), у металлических руд - (0,9 - 1,4)*10³ Дж/(кг*град). С ростом температуры она увеличивается.

Температуропроводность характеризует скорость изменения температур при поглощении или отдаче тепла. У различных горных пород она изменяется в пределах (4 - 10)*10^-7 м² /c.

Тепловая инерция пород [Дж/(м²*с^1/2*K), где K - градусы Кельвина] является одной из обобщенных тепловых характеристик земной поверхности. Она используется при тепловых аэрокосмических съемках и характеризует суточный ход температур над разными ландшафтами и акваториями. Породы со слабой тепловой инерцией (сухие почвы и пески) характеризуются низкими ее значениями 500 Дж/м²с^1/2К и большим колебанием суточных температур (до 60 С). Породы и среды с высокой тепловой инерцией (обводненные породы, заболоченные участки) характеризуются значениями до 3000 Дж/м²с^1/2К и суточным изменением температур до 30 С. Над акваториями крупных рек, морей и океанов 10000 Дж/м²с^1/2К, а суточный ход температур составляет несколько градусов.

Перечисленные тепловые свойства горных пород определяют лабораторными методами. Для этого образцы горных пород помещают в плоские, цилиндрические или сферические датчики, через которые пропускают стационарный или импульсный тепловой поток от источника тепла. Измеряя прошедший поток, градиент температур за время опыта и зная геометрические размеры датчика, можно определить тепловые свойства пород.

Знание тепловых свойств горных пород необходимо для интерпретации результатов термометрии скважин и донных осадков; при глубинных геотермических исследованиях; выявлении тех или иных полезных ископаемых; при проведении тепловых расчетов с целью установления зависимостей тепловых свойств от физических, геологических, водно-коллекторских параметров.

Список используемой литературы: