Тепловые свойства горных пород

Тепловые свойства горных пород характеризуются удельной теплоемкостью, коэффициентом температуропроводности и коэффициентом теплопроводности.

Удельная (массовая) теплоемкость характеризуется количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°С.

В связи с тем, что характер деформации тела связан с направлением напряжения, отношение поперечной деформации сужения или расширения (e_r) к продольной деформации удлинения или сжатия (e_e) называется коэффициентом Пуассона (n)

(2.5)

Зная модуль Юнга и коэффициент Пуассона, которые определяются опытным путем, можно найти коэффициенты сжимаемости, модуль объемной упругости любого упругого тела, в том числе и горных пород.

Почти все породы при различных нагрузках могут вести себя как хрупкие, так и пластичные тела. У большей части пород необратимые пластические деформации при медленном нагружении появляются при напряжениях s составляющих 10-15% от разрушающих. В ряде случаев под влиянием нагрузки некоторые горные породы приобретают реологические свойства, которыми принято называть изменение механических их характеристик под влиянием длительно действующих нагрузок установлено, что многие горные породы подвержены явлению крипа (ползучести), которое характеризуется постепенным нарастанием деформации при постоянном напряжении.

Явления крипа в наибольшей степени свойственны глинам, аргиллитам, глинистым, cланца. Этот вид деформации отличается от пластической тем, что она возникает при длительном воздействии напряжений, превышающих предела упругости породы, в то время как пластическая деформация происходит при возрастающих напряжениях за пределами упругости пород.

Пластические свойства горных пород еще недостаточно изучены. Однако эти свойства важно знать при проектировании искусственного воздействия на призабойную зону скважин, так как эти данные необходимы при изучении процессов искусственного воздействия на породы призабойной зоны скважин (торпедирование, гидроразрыв пласта), применяемых для увеличения притоков нефти.

Породы, залегающих в недрах земли, находятся под влиянием горного давления, которое обусловливается весом пород, тектоническими силами, пластовым давлением и термическими напряжениями, возникающими под влиянием тепла земных недр.

Согласно закону Гука относительная деформация тела (e) в пределах упругих изменений прямо пропорциональна напряжению (s) и обратно пропорциональна коэффициенту упругости (E), называемому также модулем Юнга

(2.6)

(2.7)

Этот параметр необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт.

Коэффициент теплопроводности (удельного теплового сопротивления) l характеризует количество теплоты dQ,переносимой в породе через единицу площади

S в единицу времени t при градиенте температуры dT/dx:

(2.8)

Коэффициент температуропроводности характеризует скорость прогрева пород (или скорость распространения изотермических границ):

(2.9)]

Коэффициенты линейного (a_L) и объемного (a_v) расширения характеризуют изменение размеров породы при нагревании:

; (2.10)

Теплоемкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов. Удельная теплоемкость увеличивается при уменьшении плотности породы и растет с увеличением температуры и влажности в пределах 0,4-2 кДж/(кг×К).

Теплопроводность и температуропроводность пород очень низки по сравнению с металлами. Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Вдоль напластования теплопроводность выше, чем поперек напластования на 10-15%.

Коэффициенты линейного и объемного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоемкости. Наибольшим значением коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.