Физический механизм теплопередачи в горных породах

Теплопроводность характеризует теплопроводящие свойства системы – нефтегазосодержащей породы. В газах, как известно, перенос теплоты (энергии) осуществляется хаотически движущимися молекулами, в твердых телах - электронами проводимости (электронная теплопроводность), а в диэлектриках - за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку (фононная теплопроводность).

В горных породах, представляющих собой гетерогенную среду, включающую твердый скелет и поры, заполненные жидкостью или газом, возможны следующие виды переноса тепла:

1. Кондуктивная теплопроводность.
2. Конвективный перенос тепла.
3. Теплопередача излучением (лучистая теплопроводность).

В случае кондуктивной теплопроводностиперенос 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

,

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

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

Теплопроводность жидкости можно оценить по формуле:

где - объемная теплоемкость жидкости, - скорость движения молекул, - межмолекулярные расстояния.

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. Некоторые исследователи считают, что конвекцией можно пренебречь в порах с эффективным диаметром меньшим 3 мкм, тогда как другие считают ее уже незначительной в воздушном пространстве шириной 6 мкм. В областях пор, занятых связанной водой, конвекция исключается.

Теплопередача излучением происходит на границе раздела фаз (твердый скелет – жидкость или газ). В общем случае вводят понятие коэффициента эффективной теплопроводности λ_э,включающей в себя кондуктивный λ;, конвективный λ_к и лучистый (излучение) λ_л коэффициенты переноса тепла:

λ_э = λ + λ_к + λ_л

Теплопроводность горных пород, заполненных нефтью и водой, значительно выше за счет конвективного переноса тепла жидкой средой. При наличии движения флюидов в горных породах учет конвективной теплопроводности сводится к решению уравнения теплопроводности (2-го закона Фурье) с конвективным членом:

, (1.7.5)

где - коэффициент объемной теплоемкости среды, - коэффициент объемной теплоемкости фильтрующегося флюида.

Коэффициент теплопроводности и удельную теплоемкость определяют по данным соответствующих экспериментов с применением стационарных, нестационарных и калориметрических методов. В условиях высоких температур используют методы стационарного теплового потока, мгновенного источника тепла, температурных волн и монотонного режима.