Что называют теплоотдачей в горной породе

Распространение тепла в горных породах

Способность горной породы проводить тепло определяется коэффи­циентом теплопроводности,

где называется удельным тепловым потоком.

В общем случае перенос тепла может осуществляться не только за счет механизма теплопроводности, но и путем конвекции (потоками жид­костей и газов) или лучистого теплообмена (электромагнитным излучени­ем), Перенос тепла от одного тела к другому (например, между пластами пород) называется теплопередачей. Излучение тепла поверхностью горной Породы в окружающую среду называется теплоотдачей. Собственно теп­лопроводность обусловлена фононным (решеточным) и электронным ме­ханизмами.

Скорость нагрева горной породы не связана однозначно со скоростью передачи в ней тепла. Параметр, характеризующий скорость распростра­нения изотермической поверхности в теле при нестационарном тепловом потоке, называется температуропроводностью. Она является мерой тепло-инерционных свойств пород и определяется соотношением,

Источник

Распространение тепла в горных породах

Теплоемкость горных пород

ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД

Тепловые свойства характеризуют поведение горных пород в тепло­вом поле, т.е. при изменении их температуры. В соответствии с первым законом термодинамики тепло, подводимое к телу, идет на повышение внутренней энергии тела и на совершение внешней работы

Повышение кинетической энергии колебания атомов горной породы прямо пропорционально увеличению температуры

Рис.5.1. Зависимость теплоемкости от температуры горных пород

Теплоемкость горной породы определяется ее составом и может быть рассчитана по формуле

Способность горной породы проводить тепло определяется коэффи­циентом теплопроводности,

где называется удельным тепловым потоком.

В общем случае перенос тепла может осуществляться не только за счет механизма теплопроводности, но и путем конвекции (потоками жид­костей и газов) или лучистого теплообмена (электромагнитным излучени­ем), Перенос тепла от одного тела к другому (например, между пластами пород) называется теплопередачей. Излучение тепла поверхностью горной Породы в окружающую среду называется теплоотдачей. Собственно теп­лопроводность обусловлена фононным (решеточным) и электронным ме­ханизмами.

Скорость нагрева горной породы не связана однозначно со скоростью передачи в ней тепла. Параметр, характеризующий скорость распростра­нения изотермической поверхности в теле при нестационарном тепловом потоке, называется температуропроводностью. Она является мерой тепло-инерционных свойств пород и определяется соотношением,

Источник

Тепловые свойства горных пород

Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими физическими параметрами:

• удельной теплоёмкостью;

• коэффициентом температуропроводности;

• коэффициентом теплопроводности.

Эти параметры необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт и решении термодинамических вопросов, связанных с прогнозированием температуры флюидов на устьях добывающих скважин, оценкой фильтрационных параметров пласта, термической обработкой продуктивных горизонтов.

Свойство горных пород поглощать тепловую энергию при теплообмене характеризуется удельной теплоёмкостью пород.

Удельная теплоёмкость оценивается количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°:

, (1.37)

где M – масса породы; dT – прирост температуры от количества теплоты (dQ), переданной породе.

Теплоёмкость пород зависит от условий их нагревания – при постоянном объеме или при постоянном давлении. При нагревании породы при постоянном объеме все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии тела. При нагревании породы при постоянном давлении часть тепла расходуется на увеличение внутренней энергии тела, а часть идет на расширение породы.

Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Причём, теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов.

Чем больше пористость, температура и влажность горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды.

Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.

Удельная теплоёмкость для горных пород, слагающих нефтяные залежи изменяется в пределах 0,4 – 1,5 кДж/(кг·К).

Коэффициент теплопроводности (λ) или удельного теплового сопротивления, характеризует количество теплоты (dQ), переносимой в породе через единицу площади (S) в единицу времени (t) при градиенте температуры (dT/dx), равном единице:

. (1.38)

К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и (табл.) возрастает с увеличением плотности пород и их влажности. С ростом пористости пород теплопроводность их уменьшается. При свободном движении вод, способствующем дополнительному переносу тепла, коэффициент теплопроводности пород возрастает с увеличением проницаемости.

С увеличением нефтенасыщенности пород коэффициент теплопроводности также уменьшается. Он мало зависит от минерализации пластовых вод.

Породам также присуща анизотропия тепловых свойств — в направлении напластования теплопроводность выше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию.

Рост газонасыщенностипород, также как и уменьшение влажности, сопровождается уменьшением теплопроводности.

Коэффициент температуропроводности (α) горных пород характеризует скорость прогрева пород, изменения температуры пород вследствие поглощения или отдачи тепла, или скорость распространения изотермических границ.

. (1.39)

Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она более низкая, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуропроводность пород почти не зависит от минерализации пластовых вод. Вдоль напластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования.

При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного (α_L) и объёмного (α_V) теплового расширения.

.(1.40)

Величины теплопроводности и температуропроводности горных пород очень низки по сравнению с металлами (табл.). Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счёт конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергают ультразвуковой обработке. Вследствие упругих колебаний среды ускоряется процесс передачи тепла за счёт конвекции.

Наибольшими значениями коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости, то есть взаимосвязь обратно пропорциональная.

Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.

Источник

Тепловые свойства горных пород

Тепловые свойства горных пород характеризуются следующими физическими параметрами:

• удельной теплоёмкостью;

• коэффициентом температуропроводности;

• коэффициентом теплопроводности.

Эти параметры необходимо учитывать при тепловом воздействии на пласт и решении термодинамических вопросов, связанных с прогнозированием температуры флюидов на устьях добывающих скважин, оценкой фильтрационных параметров пласта, термической обработкой продуктивных горизонтов.

Свойство горных пород поглощать тепловую энергию при теплообмене характеризуется удельной теплоёмкостью пород.

Удельная теплоёмкость оценивается количеством теплоты, необходимым для нагрева единицы массы породы на 1°:

, (1.37)

где M – масса породы; dT – прирост температуры от количества теплоты (dQ), переданной породе.

Теплоёмкость пород зависит от условий их нагревания – при постоянном объеме или при постоянном давлении. При нагревании породы при постоянном объеме все тепло расходуется на увеличение внутренней энергии тела. При нагревании породы при постоянном давлении часть тепла расходуется на увеличение внутренней энергии тела, а часть идет на расширение породы.

Удельная теплоёмкость зависит от минералогического состава, дисперсности, температуры, давления и влажности горных пород. Причём, теплоёмкость пород зависит от минералогического состава пород и не зависит от строения и структуры минералов.

Чем больше пористость, температура и влажность горных пород, тем выше их теплоёмкость, особенно при слабой минерализации пластовой воды.

Чем меньше плотность пород, тем выше величина удельной теплоёмкости.

Удельная теплоёмкость для горных пород, слагающих нефтяные залежи изменяется в пределах 0,4 – 1,5 кДж/(кг·К).

Коэффициент теплопроводности (λ) или удельного теплового сопротивления, характеризует количество теплоты (dQ), переносимой в породе через единицу площади (S) в единицу времени (t) при градиенте температуры (dT/dx), равном единице:

. (1.38)

К о э ф ф и ц и е н т т е п л о п р о в о д н о с т и (табл.) возрастает с увеличением плотности пород и их влажности. С ростом пористости пород теплопроводность их уменьшается. При свободном движении вод, способствующем дополнительному переносу тепла, коэффициент теплопроводности пород возрастает с увеличением проницаемости.

С увеличением нефтенасыщенности пород коэффициент теплопроводности также уменьшается. Он мало зависит от минерализации пластовых вод.

Породам также присуща анизотропия тепловых свойств — в направлении напластования теплопроводность выше, чем в направлении, перпендикулярном напластованию.

Рост газонасыщенностипород, также как и уменьшение влажности, сопровождается уменьшением теплопроводности.

Коэффициент температуропроводности (α) горных пород характеризует скорость прогрева пород, изменения температуры пород вследствие поглощения или отдачи тепла, или скорость распространения изотермических границ.

. (1.39)

Температуропроводность горных пород повышается с уменьшением пористости и с увеличением влажности. В нефтенасыщенных породах она более низкая, чем в водонасыщенных, так как теплопроводность нефти меньше, чем воды. Температуропроводность пород почти не зависит от минерализации пластовых вод. Вдоль напластования температуропроводность пород выше, чем поперек напластования.

При нагреве породы расширяются. Способность пород к расширению характеризуется коэффициентами линейного (α_L) и объёмного (α_V) теплового расширения.

.(1.40)

Величины теплопроводности и температуропроводности горных пород очень низки по сравнению с металлами (табл.). Поэтому для прогрева призабойных зон требуется очень большая мощность нагревателей. Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно повышается за счёт конвективного переноса тепла жидкой средой. По этой причине для усиления прогрева пород пласта и увеличения глубины прогрева забой скважины одновременно подвергают ультразвуковой обработке. Вследствие упругих колебаний среды ускоряется процесс передачи тепла за счёт конвекции.

Наибольшими значениями коэффициентов расширения обладает кварцевый песок и другие крупнозернистые породы.

Коэффициенты линейного и объёмного расширения изменяются в зависимости от плотности породы аналогично теплоёмкости, то есть взаимосвязь обратно пропорциональная.

Коэффициент линейного расширения пород уменьшается с ростом плотности минералов.

Источник

Законы распространения тепла в горных породах

Распределение температур па поверхности Земли и в ее недрах, естественное тепловое поле Земли, определяется:

1) пространственным распределением и мощностью источников тепла (солнце, атмосферные осадки, радиоактивные элементы, химические реакции, кристаллизация и другие процессы);

2) способностью пород к передаче тепловой энергии;

3) пространственным распределением пород с различной теплопроводностью. Различают такие виды теплопередачи, как теплопроводность, конвективный и лучистый (радиационный) теплообмен.

Внутренняя тепловая энергия у диэлектриков возникает в результате тепловых колебаний их кристаллических решеток, а у проводников и полупроводников, кроме того, и вследствие теплового движения электронов. В узлах решеток диэлектриков размещаются взаимодействующие атомы, молекулы или ионы, находящиеся в тепловом движении, а так как колебания частиц кристаллической структуры не изолированы, в веществе распространяются волны тепловых колебаний. Передачу энергии связанных колебаний узлов решетки представляют себе как распространение в веществе гармонических упругих звуковых волн различной частоты.

Таким образом, перенос тепла в диэлектриках рассматривается как передача волнами кинетической энергии.

У проводников и полупроводников перенос тепловой энергии осуществляется в основном диффузией свободных электронов — передачей тепловой энергии электронами проводимости, решеточная теплопроводность проводников значительно меньше электронной.

Геотемпературное поле. Интенсивность теплового движения атомов вещества определяет температуру. Для определения геотемпературного поля земной среды необходимо знать температуру на единый момент времени в каждой точке исследуемого пространства. Это условие должно соблюдаться при изучении гелиотермозоны и может практически игнорироваться при исследованиях в области геотермозоны, где геотемпературное поле стационарно. Поле температур отображают в изотермах – линиях одинаковой температуры.

Геотермический градиент. Степень изменения температуры на единицу расстояния между точками среды носит название геотермического градиента. Величина обратная геотермическому градиенту называется геотермической ступенью. В применении к исследованию горизонтов Земли геотермический градиент и ступень измеряется по глубине. Иногда такие измерения производят по горизонтальной плоскости или по плоскости кровли или подошвы горизонта. В этом случае направление определения градиента специально отмечают.

Градиент температуры определяется следующей формулой:

Геотермический градиент измеряется в градусах Цельсия на единицу длины, °С/м, °С/100м.

Градиент температур в областях платформ, в верхних горизонтах составляет 1¸1,5°С/100м. В зонах активных геологических процессов, разломов, рифтов, молодых горных систем, вулканических областей он имеет более высокие значения 1,5-3°С/100м и более.

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

где a —температуропроводность, c —теплоемкость, s— плотность

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 малой 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.

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.

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 обусловлена фильтрацией флюидов, как теплоносителя, поэтому зависит от объема пористого пространства, скорости фильтрации жидкости, ее теплоемкости и 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.

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.

Таблица теплофизических параметров пород

Тепловой поток

Перенос тепла осуществляется кондуктивной теплопроводностью, т.е. передачей тепла от молекулы к молекуле; конвекцией (перемещением нагретых частиц жидкости или газа). В зависимости от преобладания механизма теплопереноса тепловой поток (ТП) носит название кондуктивного (молекулярного) – Q_кд или конвективного – Q_кв. В глубоких зонах земной коры, где подземные воды имеют чрезвычайно малую скорость движения, застойный режим, преобладает кондуктивный поток. В проницаемых же горизонтах, развитых в осадочной толще, существенное значение имеет конвективный тепловой поток, который может быть выше кондуктивного.

Плотность теплового потока прямо пропорциональна теплопроводности — l — и градиенту температуры gradT – для кондуктивного (молекулярного) потока. Тепловой поток оценивается величиной тепловой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади.

Q_кв = wcsТ

На распределение плотности теплового потока кроме регионального гео­логического состояния земной коры влияет геологическое строение осадоч­ной толщи, гидрогеологические условия, наличие дополнительных источни­ков тепловой энергии.

Конвективный тепловой поток определяется с большими трудностями. Затруднительно определить скорость движения жидкости, распределение ее объема и температуры.

Конвекция бывает свободная и вынужденная.

Свободная конвекция. При наличии достаточного геотермическо­го гради­ента, сообщающихся пор (открытой пористости), заполненных нефтью, во­дой, газом, может возникнуть движение жидкости или газа в результате увеличения их объема при нагревании. Их удельный вес становится меньше и в поле силы тяжести Земли они стремятся переместиться вверх, более холодные массы – вниз. Например, аномалия Шебелинского месторождения газа в результате конвекции составляет 10°С. Расчеты показывают, что в надсолевых отложениях южной зоны Припятского прогиба возможна свободная конвекция при мощности гидрогеологического горизонта в 300 м.

Вынужденная конвекция обусловлена движением теплоносителя (нефти, воды, газа) между зонами различной температуры. Вынужденная конвекция подразделяется на следующие типы: в наклонных горизонтах, в направлении нормальном к потоку подземных вод, через слабопроницаемые экраны.

РАДИОАКТИВНОСТЬ

Строение атома

Ядерно-физические и радиометрические методы исследований основаны на изучении ядерных реакций. В связи с этим следует знать строение атома химического элемента. В настоящее время известно 105 химических элементов.

Таблица 9.1

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник