Вопрос 39. Теплофизические свойства горных пород. Процессы переноса и распределения тепла в горных породах. Связь с коллекторскими свойствами и характером насыщения.

Осадочные породы. Пониженная теплопроводность заполняющей среды- главная причина значительных колебаний теплофизических характеристик осадочных отложений, резко различающихся пористостью, влаганасыщенностью в зависимости от условий образования, степени литификации, диагенеза и других особенностей.

Среди осадочных отложений по значению теплофизических характеристик

можно выделить три группы пород:

1) терригенпо-глинистые отложения с резко меняющейся теплопроводностью, варьирующей в зависимости от степени литификации

осадков;

2) плотные (кристаллические) карбонатные, соленоевые и кварцитовые породы с постоянно повышенной теплопроводностью;

3) каустобиолиты (торф, бурые и каменные угли, углеродистые горючие сланцы) с чрезвычайно низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью.

В силу большой распространенности терригенно-глинистых отложений их теплофизические свойства имеют решающее значение в формировании теплового режима земной коры.

Анализ данных, относящихся к пределам изменения главнейших типов осадочных пород, показал, что теплопроводность возрастает в ряду глины- аргиллиты – пески- алевролиты – известняки - доломиты - каменная соль. В этот ряд не входят песчаники. Самая низкая теплопроводность [0,38 Вт/(м· К)] наблюдается у сухих и высокопористых песчаников, а самая высокая – у низкопористых окварцованных или оруденелых их разностей с очень высокой концентрацией относительно высокотеплопроводных кварца или рудных минералов (пирит, магнетит и др.). Для глин и аргиллитов обычны сравнительно узкие пределы изменения тепл-ти и низкие ее значения для сухих и высокопористых разностей. Для алевролитов и песков пределы изменения тепл-ти несколько шире в связи с большим диапазоном изменения их kп и меньшим содержанием глинистых минералов. Пределы изменения тепл-ти известняков, каменной соли еще шире (за исключением песчаников) и сдвинуты в сторону более высоких значений тепл-ти за счет снижения их kп и возрастания тепл-ти породообразующих минералов (кальцита, доломита, галита).

Теплоемкость

Для пород cpm варьирует от 0,42 (известняк) до 4,65 (каменная соль) кДж/(кr· К). Для отдельных же rрупп пород она изменяется следующим образом: от 0,42 до 4,65 (осадочные), от 0,45 до 2,13 (магматические), от 0,3 до 1, 72 (метаморфические). Наибольший диапазон cpm среди осадочных пород имеют каменная соль, песчаники, мел, известняки и глины, а наиболее узкий- ангидриты, гипсы и аргиллиты. Широкие пределы изменения cpm каменной соли пока удовлетворительно не объяснены, а для большинства других осадочных пород их связывают с большой вариацией их коэффициентов пористости и влажности. Чем выше значения последних, тем больше cpm.

В широких пределах варьирует cpm базальтов, так как влажность их значительно изменяется; cpm всех остальных магматических пород, за искточением гранита, укладывается в 0,5-1,2 кДж/(кг·К).

Относительно небольшая вариация значений cpm метаморфических пород обусловлена малым изменением их влажности. Теплоемкость руд гораздо меньше [от 0,6 до 1,3 кДж/(кг·К)], чем пород. Теплоемкость пород не зависит от их зернистости, слоистости, состояния (аморфности или кристалличности) минералов.

Влияние температуры. Теплопроводность пород снижается с ростом температуры и особенно сильно до температуры 200-427 град.

У некоторых пород (оливинит, гранит, диорит) при достижении минимальных значений с увеличением температуры тепл-ть несколько возрастает.

Минимум теплопроводности обычно совпадает с началом плавления пород. Неодинаковое поведение при нагревании, например, таких близких по составу разностей, как гранит и обсидиан, объясняют различием их структуры Породы делят на три группы: кристаллические (гранит, диорит, эклоrит и др.), аморфные (обсидиан) и с кристалломорфной структурой (диабаз, порфирит и другие) [1]. У пород с кристаллической структурой теплопроводность обусловлена рассеянием фононов на кристаллических зернах и друг на друге. На теплопроводность пород с кристаллоаморфной структурой температура практически не влияет или влияет слабо.

Температуропроводность падает с ростом Т. Этот процесс обычен для пород с кристаллической и в меньшей степени- для пород с кристаллоаморфной структурой; он почти не наблюдается у чисто аморфных разностей .. Объемная теплоемкость пород увеличивается при их нагревании до температуры 850 град.

Влияние давления. Теплопроводность увеличивается с ростом давления, причем максимальные ее изменения относятся к давлениям от 0,1 до 10 МПа. В дальнейшем коэффициент тепл-ти мало изменяется или сохраняется практически постоянным. Предполагают, что рост связан с уплотнением контактов между зернами, так как после снятия давления тепл-ти становится выше первоначальноrо [6]. Температуропроводность растет с давлением.