Механические и теплофизические свойства горных пород

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра "Разработка и эксплуатация газовых и газоконденсатных месторождений"

РЕФЕРАТ

по дисциплине "Основы нефтегазового дела"

на тему: Механические и теплофизические свойства горных пород

Выполнил: студент гр. БГГсз-12-02          (подпись, дата)                Г.В.Галлямова

Проверил: старший преподаватель кафедры РГКМ                         С.Б. Харина

Уфа 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ                                                                        
                    3
1.ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ МНОГООБРАЗИЕ                                  5

2. ПОНЯТИЕ ГОРНЫХ ПОРОД                                                           5

2.1 Классификация горных пород                                                                  7

2.2 Физические свойства горных пород                                                15

2.3 Механические свойства горных пород                                            16

2.4.Тепловые и теплофизические свойства горных пород                   21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ                                                                      
                30

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ                              31              

ВВЕДЕНИЕ

Горные породы, природные агрегаты минералов более или менее постоянного состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору. 

     Горные породы представляют собой механические сочетания разных по составу минералов, в том числе и жидких. Процентное содержание минералов в горных породах определяет её минеральный состав. Форма, размеры, взаимное расположение и ориентация минеральных зёрен или частиц горной породы обусловливают её структуру и         текстуру.

     По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (изверженные), осадочные и метаморфические. Магматические и метаморфические слагают около 90% объёма земной коры, остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, однако последние занимают 75% площади земной        поверхности.

     Среди осадочных пород важную роль играет    песок.

     Песок - мелкообломочная, рыхлая горная порода, состоящая из зерен (песчинок) кварца, других минералов и обломков пород, содержит примесь пылеватых и глинистых частиц. Песок является основным заполнителем в строительных растворах, для штукатурок. Широко применяется в строительстве, в стеклянной      промышленности.

     В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

- рассмотреть понятие горных пород и их классификацию;

- изучить свойства горных   пород;

- дать характеристику рыхлым горным породам;

- изучить свойства песка, как рыхлой горной породы и его применение.

     1.ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ     МНОГООБРАЗИЕ

     2. ПОНЯТИЕ ГОРНЫХ  ПОРОД
     Горные породы — это вещество, слагающее земную кору Состоят горные породы из минералов, однородных или неоднородных, которые твердо или рыхло  соединяются.

     Нередко они состоят из сцементированных обломков различных пород, иногда с присутствием вулканического стекла. Горные породы сформировались в результате внутриземных или поверхностных геологических   процессов.

     Строение породы определяется ее структурой и текстурой. Под структурой понимают особенности соединения минеральных зерен, их размеры и формы.Одни породы состоят из крупных кристаллических зерен; другие — из мельчайших кристаллов, видимых только в микроскоп; третьи — из стекловидного вещества; четвертые — комбинированные, когда на фоне мельчайших кристаллов или стекловидного вещества встречаются отдельные крупные кристаллы. Под текстурой понимают взаимное расположение и распределение слагающих породу минералов. Различают следующие виды текстуры:

- массивная текстура: никакого порядка в размещении минералов не наблюдается;

- слоистая: порода состоит из слоев разного  состава;

- сланцевая: все минералы плоские и вытянутые в одном направлении;

- пористая: вся горная порода пронизана       порами;

- пузырчатая: в горной породе есть пустоты от выделившихся газов.

   2.1 Классификация горных         пород

По происхождению горные породы подразделяются       на:

1.Магматические         породы.

2. Осадочные      породы

3.Метаморфические     породы.

Магматической определяется порода, образовавшаяся в результате охлаждения и затвердевания магмы. Так как магма может остывать на глубине, внутри каменной оболочки земного шара, или на земной поверхности, то магматические породы разделяются на интрузивные (внедрившиеся в толщи горных пород) и эффузивные (излившиеся). Наиболее типичными интрузивными породами считаются гранит, диорит, габбро, перидотит и др.Базальт, липарит, андезит принадлежат эффузивным    породам.

        Анализ приведенного материала. В определении магматической породы как продукта остывания магмы нет признаков, по которым ее можно отнести к магматической. Проверить же достоверность того, что интрузивная магматическая порода является именно таковой, а не метаморфической, невозможно, потому что никто не присутствовал на глубине при охлаждении магмы. Доказать, что образец горной породы принадлежит магматической породе нельзя из-за отсутствия в нем признаков         происхождения.

     Для примера возьмем образец гранита, считающегося наиболее распространенной интрузивной магматической породой. Когда прошу студента или геолога объяснить, почему это магматическая порода, то в ответ слышу утверждение, что гранит сложен кристаллами, которые возникли при остывании магма. Но это признак кристаллической породы, а не магматической. Тогда показываю образец каменной соли, который состоит из кристаллов, и потому должен быть также магматической породой. Нет, каменная соль, заявляют мне, отнесена к осадочной породе. Мрамор же представляет собой пример метаморфической породы, хотя сложен кристаллами      кальцита.

         Эффузивные породы вообще нельзя называть магматическими, потому что возникли при остывании излившейся лавы, а не магмы. Если и давать им название по происхождению, то логически выдержанно их называть вулканогенными, как образовавшимися при извержении вулканов. Но и в таком случае остаются логические         неувязки.

         При извержениях вулканов лава может изливаться или выбрасываться в виде раскаленных обломков разной величины – пирокластов (пирос - огненный, класт - обломок). Эффузивные или излившиеся породы составляют только часть вулканических пород. Есть еще пирокластические, разделяющиеся на рыхлые или тефру: пепел, лапилли (горох), вулканические бомбы, и сцементированные –     туфы.


Рис. 1.Вулканогенные породы

При извержениях вулканов центрального типа лавы больше выбрасывается, чем         изливается.

       Осадочные   породы

       Осадочные горные породы – породы сформировавшиеся на поверхности или в приповерхностной части Земной коры за счет осаждения продуктов экзогенных процессов. Сами экзогенные процессы по напрвленностии результатам можно условно разделить на 3    группы:

      Разрушительные-промежуточные-созидательные.

     К первой группе     относятся:

-Гипергенез;

- геологическая деятельность ветра, водных потоков, ледников, озер и болот, подземных вод,   морей.

     В результате этих процессов    образуются:

- рыхлый обломочный         материал.

- новые минералы и минерализованные растворы.

          Вновь образованный рыхлый материал и минералы могут оставаться на месте своего формирования (кора выветривания) или перемещаться. При перемещении или транспортировке и происходят промежуточные процессы. В зависимости от расстояния, скорости перемещения, объема и размеров переносимого материала и ряда других факторов могут продолжаться дальнейшее разрушение и начаться частичная аккумуляция (или осаждение) переносимого  материала.

     Разрушение при транспортировке -  это:

- превращение крупных обломков в      мелкие,

- превращение угловатых обломков в    окатанные,

- сортировка обломочного материала по размерам (вертикальная и латеральная).

        Частичная аккумуляция происходит обычно при транспортировке материала на большие расстояния или при резкой смене условий транспортировки. Происходит разделение рыхлого материала. Одна его часть перемещается дальше, а другая оседает. При этом может происходить укрупнение размеров обломков. Так, при разрушении горных пород могут высвобождаться мелкие частицы самородного золота, платины и других элементов. При частичном осаждении за счет магкости и гибкости мелкие золотины слипаются и образуют комок золотин или        самородок.

  Созидательные процессы   включают:

- осадконакопление или        седиментогенез;

- преобразование рыхлых осадков в твердую горную породу - диагенез.

       Среди главных породообразующих компонентов выделим:

1-реликтовые минералы и обломки пород - терригенный материал;

2-минералы осадочного генезиса(опал, оксиды и гидрооксиды железа, сульфаты фосфаты галоиды и  т.д.)

3-органические   остатки,

4-вулканический материал.

       Строение осадочных пород характеризуют структура и текстура.

      Структура- определяется размером и формой обломков и минералов, Текстура- их взаимным расположением и ориентировкой в пространстве.

      Классификация осадочных горных  пород.

     Основной принцип - по вещественному составу и генезису сохраняется. В этом случае все породы делятся на 3 группы: обломочные, хемогенные и биогенные, глинистые. Такое деление детализировал Страхов, который выделил 10     групп: 

1-обломочные                       5-марганцовистые     8-карбонатные

2-глинистые                                 6-фосфатные                          9-соли

3-аллитные (глиноземистые) 7-кремнистые            10-каустобиолиты

4-железистые 

        Между этими группами пород существуют переходные разности.

        С осадочным процессом связаны разнообразные полезные ископаемые. Это бокситы, железные и марганцевые руды, соли, нефть и газ, угли и горючие сланцы и       др.

       С рыхлыми обломочными породами связаны россыпи золота, платины, олова, вольфрама, алмазов и др. драгоценных          камней.

        Сами породы используются как строительный материал, глины как адсорбент.

        Согласно другой классификации осадочные породы в свою очередь разделяются на терригенные, органогенные и хемогенные (химические). Терригенные сложены неорганическими обломками и глинистыми частицами, снесенными в море с суши, земли (terra - земля). Это песок, глина, песчаник, конгломерат и др. Органогенные образовались в результате скопления остатков организмов, большей частью их скелетов. К ним относятся известняки, диатомиты, а также каустобиолиты – бурые и каменные угли. Хемогенные породы формируются при кристаллизации из воды различных солей. Самые распространенные из них каменная и калийная соли, гипс и     др.

        Из приведенного определения песчаник нельзя назвать осадочной породой, потому что он образовался на глубине не при выпадении осадка и вне термодинамических условий поверхностной части литосферы. Известняк из створок раковин моллюсков (ракушняк) стал таковым не на поверхности дна моря, а при погружении скоплений этих створок, также не выпадавших из морской воды. Признаков осадочного происхождения они не имеют. Относится это и к песку, например, эоловой       фации. 

   Метаморфические     породы

         В том же словаре напечатано: «порода метаморфическая – основные особенности которой (минеральный состав, структура, текстура) обусловлены процессами метаморфизма, тогда как признаки первичного осадочного (в парапородах) или магматического (в ортопородах) происхождения частично или полностью         утрачены».

         Анализ приведенного материала. Прежде всего, необходимо отметиться, что нет признаков первичного осадочного или магматического происхождения. По ним противопоставлять метаморфические породы другим типам пород невозможно. Конечно, образцы горных пород ответить не могут, происхождение на них не         написано.

         Под метаморфической предлагается понимать породу, изменившую форму, внешний облик. К ней относятся мрамор, кварцит, кристаллический сланец, гнейс и др. Получается, по образцу, например, гнейса можно увидеть, что он образовался в процессе метаморфизма. Ничего подобного на нем не написано. В середине XVIII в. гнейс считался первичной породой, возникшей при сотворении Земли. В конце XVIII в. по гипотезе нептунизма гнейсу приписывалась химическая природа, – появился при осаждении солей из соленого горячего первичного мирового океана. В начале XIX в. Б. Котта отвел место гнейсу в первичной коре охлаждения – земной коре, т. е. образовался он при остывании первичного расплава. И только затем с середины XIX в. гнейс стал считаться метаморфической породой. Между тем кристаллическое сложение гнейса свидетельствует, что он образовался при перекристаллизации с увеличением размера кристаллов какой-то мелкокристаллической         породы.

        Горных пород, не изменивших внешний облик, вообще нет. Песок образовался при разрушении гранита, гнейса, песчаника или какой-то другой породы, песчаник при цементации песчинок и т. д. Получается, все горные породы образовались за счет других пород с изменением внешнего облика, часто минерального и химического         состава.

         Таким образом, признаков происхождения горные породы не имеют. Отсутствие признаков происхождения не позволяет составить алгоритмы их определения, компьютерные программы. Отсутствие признаков генезиса свидетельствует, что магматических, осадочных и метаморфических пород в природе нет. Это видимый мир геологии, или     вымысел.

      2.2. Физические свойства горных     пород
      Число физических свойств горных пород, проявляющихся в их взаимодействии с другими объектами и явлениями материального мира, может быть сколь угодно велико. Однако для практики горного дела представляют интерес лишь те свойства, которые непосредственно связаны с процессами современной горной технологии. В геомеханике требуется знание, в первую очередь, механических и плотностных свойств, но вместе с тем могут представлять интерес и некоторые другие свойства, показатели которых достаточно чётко отражают состояние пород или отчетливо коррелируют с напряжениями в породном массиве и потому могут быть использованы для оценки напряженного состояния пород и массивов. Кроме того, некоторые физические характеристики пород могут быть достаточно тесно взаимосвязаны с механическими и плотностными показателями свойств горных пород, но при этом более просто определяются на образцах или в  массиве.

     В качестве основного признака классификации физических свойств пород наиболее целесообразно принять внешние поля или воздействия, во взаимодействии с которыми проявляются те или иные свойства. На основе этого признака можно выделить следующие классы физических свойств горных пород: плотностные, механические, горнотехнологические, тепловые, электромагнитные, радиационные.

     2.3 Механические свойства горных пород.

     Под механическими свойствами горных пород понимают характеристики, определяющие способность пород противодействовать деформированию и разрушению в сочетании со способностью упруго или пластически деформироваться под действием внешних механических сил. Механические свойства пород можно подразделить на прочностные, упругие и др.
Прочность характеризует сопротивляемость породы раздавливающим, разрывающим и скалывающим     нагрузкам.
     Пределом прочности называют напряжение, при котором образец породы разрушается.
      Большинство горных пород имеет зернистую структуру (например, песчаники), причем межкристаллическое сцепление значительно меньше прочности самих зерен. Такие горные породы являются хрупкими и разрушаются без предварительной пластической деформации. Глины и некоторые виды известняков обладают пластическими свойствами. Горные породы обладают достаточно высокой прочностью только на сжатие, сопротивление же их растяжению, сдвигу и изгибу очень мало и составляет десятые и сотые доли   сопротивления    сжатию. 
      При сложных процессах механического разрушения горных пород (бурение шпуров, применение проходческих комбайнов и т.д.) чаще находит применение термин «крепость горной       породы».
     Крепость —величина, приближенно характеризующая относительную сопротивляемость породы разрушению при  добыче.
     Данные о физико-механических свойствах горных пород получают путем испытания их образцов на сопротивление сжатию, разрыву, изгибу и сдвигу.
      К свойствам горных пород относят также обобщающие характеристики разрушаемости механическими способами: дробимость, абразивность и контактную         прочность.
     Дробимость —относительная сопротивляемость породы измельчению при воздействии ударной     нагрузки.
      Абразивность горных пород и угля — способность истирать металлы, твердые сплавы и др. Поэтому абразивность горной породы обычно оценивают по износу материала, контактирующего с     нею.
Контактная прочность —сопротивляемость породы разрушению в приповерхностном слое при местных контактных воздействиях.
      По величине контактной прочности все горные породы делят на 12 классов.Первый класс составляют слабые породы с контактной прочностью менее 300 МПа, к двенадцатому классу относят крепчайшие породы с пределом прочности более 5650         МПа.
      Хрупкость — свойство горных пород разрушаться без пластических деформаций.
       Пластичность — свойство породы под воздействием сил претерпевать остаточную деформацию без микроскопических нарушений сплошности. Она растет с увеличением температуры и давления. Наиболее пластичны, например,       глины.
     Между хрупкими и пластичными породами нельзя провести резкой грани, так как одна и та же порода в зависимости от рода и скорости приложения нагрузки может быть хрупкой или       пластичной.
     Твердость — сопротивляемость породы при местных контактных воздействиях пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном   слое.
     Сопротивляемость горной породы внедрению инструмента или вдавливанию при статическом воздействии называют статической твердостью.
     Вязкость — свойство, характеризующее сопротивляемость усилиям, стремящимся отделить часть породы от массива. Вязкость часто выражают через работу деформации — работу, необходимую для разрушения породы. Вязкость зависит от прочности и пластичности породы. В однородных породах вязкость равномерна во всех направлениях. В неоднородных породах вязкость вдоль слоев меньше, чем в направлении, перпендикулярном к        ним.
     Плотность горной породы — масса единицы ее объема в естественном состоянии со всеми содержащимися в ее порах жидкостями и газами.
Различают среднюю и минералогическую      плотности. 
     Пористость — суммарный относительный объем пор, содержащихся в горной породе. Наличие в породе пор и трещин уменьшает силы сцепления и облегчает разрушение породы под действием бурового инструмента. Чем больше объем пор, тем меньше ее         плотность.
     Пористость горных пород колеблется в широких пределах и зависит от размеров и формы зерен, слагающих породу, а также от минералогического состава, однородности, плотности ее сложения. Пористые горные породы обладают сжимаемостью, т.е. их объем уменьшается после сжатия. Однако практически сжимаемость горных пород     незначительна.
     Упругость — свойство тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия на него      силы.
     Деформация горных пород — изменение относительного положения частиц массива горных пород под действием        сил.
     Ползучестью горной породы называют медленное нарастание во времени пластической деформации породы при силовых воздействиях, меньших, чем те, которые могут вызвать остаточную деформацию при испытаниях обычной длительности. Величина ползучести горных пород имеет большое значение при поддержании горных выработок, так как от нее зависит смещение горных пород на контуре выработок и, следовательно, нагрузка на крепь.
     Ползучесть горных пород в большей мере проявляется на больших глубинах от         поверхности.
     Разрыхляемость —свойство горной породы занимать в разрыхленном состоянии больший объем по сравнению с тем, который она занимала в массиве.
     Отношение объемов горной породы в разрыхленном состоянии и в массиве называют коэффициентом разрыхления. Величина этого коэффициента зависит от крепости породы, ее строения и сложения, степени разрыхления, способа добычи, наличия воды. Наиболее разрыхляемы твердые и прочные породы, наименьшей разрыхляемостыо обладают малосвязанные и рыхлые.
     Трещиноватость — нарушенность монолитности        пород трещинами.Трещиноватость горных пород значительно ослабляет устойчивость массива, существенно влияет на параметры буровзрывных работ, способы проведения и крепления горных       выработок.
     Влажностью горных пород называют количество воды, содержащейся в их порах, трещинах и других      полостях.
     Количество воды, содержащейся в породе в естественных условиях, называют естественной       влажностью.
     Предельно возможная влажность соответствует полной влагоемкости породы.
     Влагоемкость — свойство горных пород удерживать воду (в порах и трещинах). Влагоемкость определяют по количеству оставшейся воды после свободного стекания ее избытка из образца, который предварительно был погружен в воду. По влагоемкости горные породы делят на влагоемкие (глины, торф и др.), слабовлагоемкие (пески, мел, мергели и др.), невлагоемкие (гравий, галечник, каменистые    породы).
     Водопроницаемость — способность горных пород пропускать через себя воду при некотором перепаде давления. Водопроницаемость зависит от скорости фильтрации, равной количеству воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения фильтрующей породы. Водопроницаемость характеризуют коэффициентом фильтрации, т.е. скоростью фильтрации при напорном градиенте, равно м  единице.
     Способность поглощать и проводить воду у различных пород различна.  Лишенные полостей кристаллические изверженные породы, большинство метаморфических пород (например, мрамор и кварцит) практически не поглощают и не проводят воду. Пластичная глина обладает значительным водопоглощением, но лишена водопроводящей способности. Обломочные породы с крупностью частиц больше 0,1—0,2 мм быстро поглощают и проводят большое количество  воды.
     Водоотдачу горной породы характеризуют количеством воды, которое может быть от нее отобрано путем свободного стекания под влиянием силы тяжести.
     Газонасыщенность пород — степень заполнения пустот (пор, каверн, трещин) в породах природными газами. Она обусловлена сорбционной способностью горных пород, пористостью, трещиноватостью и давлением газов. Ее оценку осуществляют по коэффициенту газонасыщения, равному отношению объема газа, заполняющего породу, к объему открытых пор и пустот. Газонасыщенность определяют как объемное количество свободных и сорбированных газов, содержащихся в единице объема или массы породы, извлекаемых путем откачки, вакуумирования или вытеснения жидкостью.
     Газопроницаемость — способность горной породы (угля) при некотором перепаде давления пропускать через себя газ. Газопроницаемость является основным свойством горной породы, проявляющимся при фильтрации газа, и зависит в основном от свойств породы и частично от свойств самого газа.

2.4 Тепловые и теплофизические свойства горных пород.

     Теплопроводность. Теплопроводность среды характеризует ее способность передавать тепловую энергию. Коэффициент теплопроводности харак­теризует количество тепла, проходящего в единицу времени через единицу площади при градиенте температуры 1°С на единицу длины.

L = Q/gradT, l = a×c×S, Вт/(м°С),

Где A - температуропроводность, C - теплоемкость, S- плотность пород.

     Температуропроводность - способность передавать температуру с большей или меньшей ее потерей на единицу длины. Единица измерения темпе­ратуропроводности – м 2 /сек: a = L/(сS).

     Обратимся к простейшим примерам для понятия смысла параметров теплопроводности и температуропроводности. Возьмем железный стержень.   При нагревании одного конца очень быстро ощущаем высо­кую температуру на другом, нагретый металл быстро остывает. Это свидетельствует о высокой температуропроводности (15-18 м 2/сек) и теплопроводности (8-10 Вт/(м °С) и минимальной теплоемкости.

     Вода, нефть обладают малой теплопроводностью и температуропроводностью, но зато большой теплоемкостью. Теплоемкость воды в 5 раз выше теплоемкости твердых пород и в 2 раза выше теплоемкости нефти.

     В таблице 1.1 приведены средние значения теплофизических свойств нефти и воды при стандартных условиях.

Показатели	Нефть	Вода
Теплопроводность, Вт/(м*К)	0,139	0,582
Удельная теплоемкость кДж/(кг*К)	2,1	4,15
Температуропроводность, м2/с	0,069-0,086	0,14

     Теплоемкость - способность единицы объема вещества поглощать или отдавать тепловую энергию. Коэффициент теплоемкости численно равен величине тепловой энергии, которую надо сообщить единице объема вещества, чтобы поднять его температуру на 1°С. Измеряется удельная теплоемкость в Дж/(кг°С). Единица названа в честь Джеймса Джоуля, определившего экви­валент механической энергии при переходе в тепловую.

     Теплофизические параметры горных пород зависят от составляющих их минералов, структурно-текстурных особенностей пород, плотности, пористости, давления, температуры, влагонасыщенности. Одна и та же порода может иметь разные величины теплофизических параметров, в зависимости от места и направления измерения, что обусловлено неоднородностью породы и ее анизотропией.

     Теплофизические свойства горных пород: теплопроводность, l ; теплоемкость, c; температуропроводность, а (м²/c); теплоусвояемость b, определяющие процессы распространения теплоты, зависят от их химического состава, кристаллической системы составляющих минералов, их размеров, содержания кристаллической и стекловидной (аморфной) фаз, пористости, степени насыщения влагой, температуры, давления и т.д.).    Коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, проходящему в единицу времени через две противоположные грани единицы объема породы, на которых поддерживается разность температур в один градус. Таким образом, теплопроводность горных пород характеризует их степень проводимости теплоты. Механизм теплопроводности монолитных горных пород с позиции квантовой теории объясняется переносом энергии электронами и фононами (звуковыми квантами) в потенциальном поле, создаваемом кристаллической решеткой. Фононы возникают в результате наложения колебаний узлов кристаллической решетки твердого тела. При движении по кристаллической решетке фононы, сталкиваясь друг с другом или с дефектами кристаллической решетки, разрушаются. При этом образуются новые фононы. Фонон, обладая некоторой длиной свободного пробега l_ф, переносит энергию на эту длину. Так как количество дефектов в реальных кристаллах очень велико, то время существования каждого фонона незначительно. Это, в свою очередь, сказывается на величине теплопроводности.

     Теплопроводность реальных кристаллов и пород, которая по сравнению, например, с металлами, сравнительно невелика. Вместе с тем, при  увеличении чистоты кристаллов их теплопроводность значительно возрастает. В связи с тем, что породы в абсолютном большинстве являются диэлектриками и полупроводниками, и количество свободных электронов в них мало, теплопроводность их в основном обусловлена фононной (решеточной) составляющей теплопроводности (при температуре 300К электронная составляющая теплопроводности l_эл £ 10^-8 Вт/(м°С).

     Зависимость коэффициента теплопроводности монолитных твердых тел от длины пробега фононов l_ф, а также скорости распространения упругих волн v_у, плотности пород r_п и их изохорной удельной теплоемкости с_v предложенная Д.Займаном, имеет вид

     l = 1/3 v_уl_фr_пс_v                                     (2.1)

     Если рассматривать горную породу как "твердый раствор", образованный совокупностью различных материалов, то, зная теплопроводность каждого из минералов, можно вычислить и теплопроводность самой породы.

     Для расчета теплопроводности отдельных минералов l_i при этом рекомендуется использовать формулу, предложенную А.Миснаром:

          (2.2)

где Т_п, Т_пл.i - соответственно температура пород, при которой осуществляется определение l_i, и температура плавления минерала, °С; r_i - плотность минерала кг/м³; М_i - атомный вес минерала; N_i - число атомов в химической формуле; А_N - коэффициент, зависящий от сингонии кристалла и определяемый опытным путем (А_N  соответственно равен 1,12 при кубической сингонии, 2,58 - при триклинной, 1,99 - при моноклинной, 2,55 - при гексагональной).

     При известных значениях теплопроводностей минералов, слагающих горную породу, для определения теплопроводности породы используется следующая последовательность:

1. Все минералы группируются попарно, образуя т.н. биминеральные смеси.

2. Рассчитываются теплопроводности биминеральных смесей.

3. По найденным теплопроводностям биминеральных смесей составляются новые "условные" биминеральные смеси и вновь рассчитываются коэффициенты их теплопроводности.

4. Процесс вычислений повторяется до тех пор, пока не останется одна биминеральная смесь с коэффициентами теплопроводностей, полученных из теплопроводностей минералов.

5. Суммарный коэффициент теплопроводности этой биминеральной смеси принимается, равным коэффициенту теплопроводности породы.

     Для определения теплопроводности биминеральной смеси l_см используется формула, полученная на основе следующих допущений: 1) частицы одного вещества, например, с теплопроводностью l_а имеет форму куба; 2) другое веществе с менее высокой теплопроводностью l_b  занимает пространство между частицами вещества и более высокой теплопроводностью; 3) обеспечен достаточно тесный контакт между составляющими биминеральной смеси, который позволяет пренебречь тепловым сопротивлением контакта; 4) тепловой поток перпендикулярен ребру куба. Формула имеет вид:

    (2.3)

где u_а - относительный объем, занимаемый в биминеральной смеси первым веществом.

     Расчет по формуле (2.3) осуществляется два раза. Первый раз при условии, когда в качестве первого выбрано вещество с более высокой теплопроводностью, а второго - с меньшим значением теплопроводности (теплопроводности биминеральной смеси l¹_см). Второй раз составляющие биминеральной смеси меняются местами (теплопроводность биминеральной смеси l""_см). Расчетный коэффициент теплопроводности биминеральной смеси находят по формуле:

l_см = nl¢_см + ml¢_см       (2.4)

     Коэффициенты n и m являются характеристикой горной породы. Их значения для монолитной горной породы принимаются, равными соответственно 0,4 и 0,6.

     Реальные горные породы всегда характеризуются определенной пористостью, величина которой может изменяться от долей процентов до 10-15%. Поры оказываются заполненными воздухом (в случае "сухих" пород) или насыщенными влагой. И в первом, и во втором случаях это приводит к снижению теплопроводности породы по сравнению со значениями, характеризующими "абсолютно" плотные породы. На перенос теплоты через воздушные включения, помимо молекулярной составляющей, оказывает влияние излучение и конвекция, которые, в определенной степени, интенсифицируют процесс распространения тепловой энергии. Для установления степени интенсификации процесса теплопереноса вводится так называемое эффективное значение коэффициента теплопроводности. Так, например, при совместном влиянии на теплоперенос молекулярного и лучистого механизмом l_эфсоставляет:

   (2.5)

где l_возд - коэффициент теплопроводности воздуха, в интервале температур 0-100 °С, l_возд = 0,0244-0,0321 Вт/м×°С; Т_п, t_возд - соответственно температуры пород и воздуха, °С; С_о - коэффициент излучения абсолютно черного тела С_о = 5,7 Вт/м²×К⁴); e_п - приведенная степень черноты поверхностей пор (полостей), между которыми происходит лучистый теплообмен, e_п » 0,45-0,6 (предполагается, что одна из поверхностей находится при температуре пород Т_п, а другая - при температуре воздуха t­_в); d_пар - линейный размер пор (полостей), м.

     Расчет суммарной теплопроводности пористой горной породы осуществляется по вышеизложенной методике. При этом воздушные включения с коэффициентом теплопроводности l_эф принимаются за дополнительный "минерал", входящий в состав породы, а коэффициентам n и m в формуле (2.4) присваиваются значения, равные 0,3 и 0,7.

     Теплоемкость горной породы численно соответствует количеству теплоты, необходимому для изменения температуры единицы ее массы (объема) на 1°С. Таким образом, теплоемкость породы характеризует способность вещества удерживать или принимать теплоту в процессе охлаждения или нагревания.

     Также, как и теплопроводность, теплоемкость горной породы с_п может быть рассчитана как сумма относительных теплоемкостей с_i составляющих ее минералов

                  (2.6)

где n_i - относительное массовое содержание минерала в породе. В пористой горной породе n_i соответствует значению пористости, а с_i - теплоемкости воздуха.

     Удельная теплоемкость каждого из минералов с_i, входящих в состав породы, рассчитывался по формуле

              (2.7)

где с_А - атомная теплоемкость, равная произведению относительной атомной массы на удельную теплоемкость минерала. Установлено, что с_Апрактически для всех минералов постоянна и равна 25 Дж/(моль×К).

     Температуропроводность горной породы характеризует скорость выравнивания температуры и определяется как отношение теплопроводности к объемной теплоемкости

а_п = l_п/с_пr_п,                 (2.8)

     Теплоусвояемость горной породы характеризует ее теплоаккумуляционные свойства. Величина теплоусвояемости вычисляется по формуле

           (2.9)

     В породах земной коры передача тепла происходит молекулярной кондуктивной теплопроводностыо, конвекцией и лучеиспусканием. Молекулярная теплопроводность определяется электронами проводимости и колебаниями атомов кристаллической решетки. С ростом температуры (соответственно глубины) величина кондуктивной теплопроводности уменьшается и увеличивается теплопроводность электромагнитным лучеиспусканием. Минимум суммарной теплопроводности горных пород приурочен к слою Мохоровичича, что обуславливает накопление в нем тепловой энергии. Земная кора является своеобразным "одеялом"" для Земли.

     Конвективная теплопроводность зависит от объема пористого пространства, скорости фильтрации жидкости, ее вязкости. При малой скорости движения жидкости поперечная и продольная теплопроводности равны. Конвективная теплопроводность значительна в мантии и внешнем ядре Земли. Доказано наличие глобальных мантийных конвекционных потоков, как двигателя тектонических процессов перемещения плит.

     Величины теплофизических параметров основных видов пород приводятся в таблице, из которой видно, что отдельные породы имеют резко отличные теплофизические параметры. Высокой теплопроводностью и температуропроводностью обладают каменные соли, а низкой теплопроводностью - вода, нефть и воздух. В то же время вода обладает высокой теплоемкостью, поэтому ее роль в конвективном теплопереносе очень большая.

     Высокой теплопроводностью отмечаются все гидрохимические осадки и породы, обладающие электронной составлявшей теплопроводности: графит, железные и полиметаллические руды. С увеличением влажности породы от 0 до 40% теплопроводность пород увеличивается в 6 - 7 раз.

     С увеличением температуры теплопроводность пород уменьшается. Так, в пределах до 500°С в осадочных породах, гранитах и базальтах теплопроводность уменьшается на 20%, а ультраосновных пород – в 2-2,5 раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Таким образом, многие процессы в пласте при вскрытии и влияющие на ряд процессов в период разработки и эксплуатации месторождений, связаны с механическими свойствами горных пород упругостью, прочностью на сжатие и разрыв, пластичностью, а также теплофизическими свойствами горных пород.

     Теплофизические параметры горных пород зависят от составляющих их минералов, структурно-текстурных особенностей пород, плотности, пористости, давления, температуры, влагонасыщенности.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1               Белоусова О.Н., Михина В.В., Общий курс петрографии, “Недра”, М, 1972.

2              Дортман Н.Б., Физические свойства горных пород и полезных ископаемых,“Недра”, М, 1984.

3              Ершов В.В., Геология и разведка месторождений полезных ископаемых,

    “Недра”, М, 1989.

4     Разработка нефтяных и газовых месторождений (А. И. Акульшин)