Физический механизм теплопередачи в горных породах

В газах - хаотически движущиеся молекулы;

в твердых телах - электронами проводимости (электронная теплопроводность);

в диэлектриках - за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку (фононная теплопроводность).

В горных породах (твердый скелет и поры, заполненные жидкостью или газом) возможны следующие виды переноса тепла:

-кондуктивная теплопроводность;

-конвективный перенос тепла;

-теплопередача излучением

Кондуктивная теплопроводность.

- перенос тепла осуществляется за счет фононной теплопроводности твердого скелета и молекулярной передачей тепла флюидами, заполняющими поры. Фонон определяет энергию колебательных состояний узлов решетки твердого тела и может рассматриваться как квазичастица. Интенсивность переноса теплоты фононами в кристаллах, в основном, определяется химическим составом и плотностью пород и в меньшей степени кристаллографическим направлением и наличием дефектов в их кристаллической структуре

В соответствии с теорией Дебая и молекулярно-кинетической теории поток фононов может рассматриваться как фононный газ с теплопроводностью, равной

u – скорость распространения упругой волны, lф – длина свободного пробега фонона.

Приведенная формула справедлива для любых твердых тел (кристаллических и аморфных).

Теплопроводность жидкости можно оценить по формуле:

- объемная теплоемкость жидкости, - скорость движения,

lм – межмолекулярные расстояния.

2. Конвективный перенос тепла.

- связан со свободной конвекцией флюида под действием градиента температуры или вынужденной – под действием градиента давления. Конвекция возможна, если поры различных диаметров сообщаются друг с другом.

3. Теплопередача излучением (лучистая теплопроводность).

Теплопередача излучением происходит на границе раздела фаз (твердый скелет – жидкость или газ).

Связь теплопроводности с другими петрофизическими величинами

В большинстве случаев теплопроводность можно считать аддитивной величиной, и для насыщенной жидкостью породы она может быть выражена следующим выражением:

в частности, для водонефтенасыщенной:

для водонефтегазонасыщенной:

С ростом пористости теплопроводность уменьшается, что объясняется более низкой теплопроводностью жидкости и особенно газа в порах пород по сравнению с теплопроводностью их твердой фазы. Вполне аналогично - для теплоемкости среды

Зависимость теплопроводности и теплоемкости пород от температуры и давления

Влияние температуры.

Теплопроводность твердого скелета почти всех пород снижается с ростом температуры и особенно сильно до температуры 200—427 °С.

У некоторых пород (оливинит, гранит, диорит) λ с увеличением температуры сначала падает до минимальных значений, затем несколько возрастает. Минимум теплопроводности обычно совпадает с началом плавления пород.

Неодинаковое поведение при нагревании пород объясняют различием их структуры и делят на три группы:

- кристаллические (гранит, диорит, эклогит и др.):

теплопроводность обусловлена рассеянием фононов на кристаллических зернах и друг на друге, поэтому

λ=f(λ0/Т), где λ0—значение λ при 20 °С

- аморфные (обсидиан):

для аморфных неупорядоченных по структуре пород теплопередача относится к случайным процессам.

- с кристаллоаморфной структурой (диабаз, порфирит и другие):

на их теплопроводность практически не влияет или слабо влияет температура.

Теплопроводность нефти с ростом температуры увеличивается.

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.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: