книги / Теплопередача в скважинах

J. a u л и ц it oit

Обобщенные сведения о теплофизических свойствах горных пород

О с а д о ч н ы ! ъ п о р о д ы

Карбонатные отложения Мел с шероховатым и ступенчатым изло-

мом, с мельчайшим налетом углистого

191

только по типу пород недостаточна. Особенно это заметно для оса­ дочных пород. Для литологически однородных пород в качестве дополнительных параметров при оценке теплофизических свойств следует учитывать плотность, возраст, гранулометрический состав и влажность пород.

Поэтому приведенные сведения могут использоваться в инженер­ ных расчетах после корректирования исходных расчетных данных путем учета специфических особенностей горных пород конкретного района.

Всвязи с огромным размахом работ по разведке и разработке нефтяных и газовых месторождений в Заполярье, где большая часть разреза представлена мерзлыми породами, с особой остротой встает вопрос об изучении теплофизических свойств мерзлых пород.

Вэтих условиях горные породы приобретают новые свойства, которые обусловливаются двумя основными факторами: перераспре­ делением и переходом поровой влаги в лед.

Теплофизические свойства мерзлых горных пород (промерза­ ющих, промерзших, протаивающих) определяются фазовым составом поровой воды, но в то же время зависят от температуры и физико­ химических параметров.

Для промерзающих (протаивающих) горных пород коэффициент теплопроводности является функцией объемного веса органомине­

рального каркаса, влажности (льдистости) и температуры. Но,

192

кроме того, возникают качественно новые зависимости, обусловлен­ ные фазовым переходом связанной воды. С понижением температуры увеличивается содержание льда в горных породах и поэтому возра­ стает теплопроводность системы [57]

где W 0 — общее влагосодержание; Д* — разность между темпера­ турой системы и температурой начала ее замерзания; А , а, Ь — параметры, характеризуемые свойствами горных пород; Ям, — коэффициент теплопроводности промерзающих и протаивающих гор­ ных пород.

Теплоемкость талых и промерзших горных пород определяется пз соотношений:

объемная теплоемкость

остова, влаги и льда; уск, у — объемная плотность органо-минераль­ ного остова и суммарная объемная плотность.

Аддитивная теплоемкость талых и промерзших горных пород находится как суммарная величина по отношению к теплоемкости составных частей

Термоинерционные свойства мерзлых горных пород характери­ зуются коэффициентом температуропроводности, который является основной теплофизической характеристикой при изучении неста­ ционарных теплообменных процессов. Для промерзающих и прота­ ивающих горных пород коэффициент температуропроводности можно

(IX.3 )

ности является четко выраженной функцией температуры. При температуре, близкой к температуре начала замерзания (Д *-*0), коэффициент температуропроводности стремится к нулю (эффект «нулевой завесы»).

Зависимость объемной теплоемкости талых и промерзших горных пороги от влажности и объемной плотности представлены на рис. 93.

В левой части номограммы приведена зависимость объемной тепло­ емкости от влажности при объемной плотности, равной 1000 кг/м3. Для определения теплоемкости при других значениях плотности горных пород служит правая часть номограммы.

На номограмме показана схема определения объемной тепло­ емкости при W = 12,5% и уск = 1470 кг/м3. Этим значениям влаж­ ности и плотности соответствует значение объемной теплоемкости песка, равное 422 ккал/м3*градус.

Анализ экспериментальных работ по определению теплопроводя­ щих свойств мерзлых горных пород убеждает, что только для песча­ нистых и глинистых сред имеются систематизированные данные,

1 9 4

на основе которых можно проследить зависимость теплофизических свойств от влажности (льдистости), плотности и температуры.

Коэффициент теплопроводности песчанистых горных пород в та­ лом состоянии зависит от влажности и объемной плотности (рис. 94).

где ДХ — величина приращения коэффициента теплопроводности горных пород после их полного промерзания. Для глинистых горных

Рпс. 95. Зависимость коэффициента температуропроводности а талых песчанистых (а) и глинистых (б) горных пород от

влажности и объемной плотности:

значения V» кг/ма: 1 — 1200; 2 — 1300; 3 — 1400; 4 — 1500; 5 — 1600; 6 — 1700; 7 — 1800

пород она является линейной функцией влажности и может быть оценена из графиков [57].

Коэффициент температуропроводности талых песчанистых и гли­ нистых пород существенно зависит от влажности и объемной плот­ ности минерального скелета (рис. 95). Особенно интенсивный рост «го величины наблюдается при значениях влажности до 10%. При более «высокой влажности коэффициент температуропроводности изменяется незначительно.

Вфбщем случае коэффициент температуропроводности талых, промерзающих и промерзших горных пород можно определить рас­ четным путем с использованием осредненных значений коэффициента теплопроводности, теплоемкости, плотности по известной зависи­ мости

Взаключение отметим, что при сравнении данных о теплофизи­ ческих свойствах однородных мерзлых пород, полученных разными исследователями, расхождения достигают 100% и более. Поэтому приведенные в данной работе сведения могут использоваться только для приближенных инженерных расчетов.

§ 2. БУРОВЫЕ РАСТВОРЫ

Теплофизические свойства таких промывочных агентов, как воздух и вода, изучены довольно полно и глубоко. Свойства гли­ нистых водных буровых растворов изучены слабо, а теплофизические свойства безводных и безглинистых буровых растворов совершенно не изучены. Поэтому представляется целесообразным рассмотреть общие закономерности изменения указанных свойств глинистых растворов для установления возможности их оценки расчетным

196

путем. Причем будем считать, что глинистые растворы представляют собой сплошную среду, для которой справедливо соотношение X = = аСр. Поэтому для их полной термической характеристики доста­ точно знать любые два теплофи­ зических параметра (X, С1а, С, X, о)

и плотность р.

Сведения о теплоемкости глинистых растворов весьма ограни­ ченны.

Экспериментальные определения теплоемкости нормальных гли­ нистых растворов (табл. 31) показали, что наибольшие расхождения в величине теплоемкости по отношению к ее наименьшему значению,

Т а б л и ц а 32

Теплоемкость утяжеленных обработанных УЩР и эмульсионных глинистых растворов

197

как правило, не превышают 10% и соответствуют возможным ошиб­ кам, допускаемым в эксперименте.

Известно, что теплоемкость смесей аддитивна, т. е. может быть получена суммированием значений теплоемкости отдельных соста­ вляющих. Как показали расчеты (рис. 96), принцип аддитивности справедлив и для нормальных глинистых растворов, полученных в лабораторных условиях [100].

Таким образом, зная плотность нормального глинистого раствора и определив содержание твердой фазы т (в %) по формуле

т — 162,5 , (1Х.Ю)

при помощи графика (рис. 96) нетрудно определить теплоемкость Ср глинистого раствора.

Исследования также показали, что теплоемкость глинистых рас­ творов не зависит от природы глинистого минерала и обратно про­ порциональна содержанию глинистой фазы. Величина удельной

Эта функциональная связь выражается кривой, вы­ пуклой в сторону оси плотности раствора.

Лабораторные опреде­ ления теплоемкости хи­ мически обработанных и утяжеленных баритом и магнетитом глинистых рас­ творов и нефтеэмульсион­ ных растворов (табл. 32)

показали, что полученные данные хорошо согласуются с вычислен­ ными значениями.

Зависимость теплоемкости утяжеленных глинистых растворов от плотности (см. рис. 97) подчиняется уравнению прямой.

Следовательно, подчинение глинистых растворов правилу адди­ тивности позволяет определять их теплоемкость расчетным путем. Последняя рассчитывается как сумма теплоемкостей компонентов раствора пропорционально их содержанию. А так как зависимость теплоемкости от температуры незначительна, то указанное правило справедливо в любом диапазоне температур и давлений.

Комплексный параметр глинистого раствора — коэффициент тем­ пературопроводности — еще менее изучен. Некоторые данные, полученные методом регулярного теплового режима с помощью а-калориметра, показывают, что указанный параметр для утяжелен­ ных баритом глинистых растворов (плотность 1450—2000 кг/м3),

198

настоящего времени не установлена.

В табл. 33 приведены усредненные данные о плотности, коэффи­ циентах температуропроводности и теплопроводности, о тепло­

Сведения о теплофизических свойствах утяжеленных буровых растворов

§ 3. ТАМПОНИРУЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ

Современная технология проходки глубоких скважин такова, что по мере углубления ствола стенки его неоднократно закре­ пляют обсадными колоннами и тампонирующим материалом. Таким образом, некоторая часть ствола (иногда большая) оказывается закрепленной несколькими рядами труб и цементного кольца. По­ этому при расчете теплопереноса в скважине необходимо учитывать термическое сопротивление, создаваемое элементами конструкции и, в первую очередь, цементными кольцами в заколонных и меж­ колонных пространствах.

199

Теплофизические свойства тампонажных цементов зависят от многих факторов: минералогичёского состава, расхода и свойств воды затворения, свойств применяемых добавок, условий твердения и плотности цементного камня.

Имеющиеся в литературе сведения о теплофизических свойствах цементного камня [91, 92, 150, 165] неполные и порою противоречи­ вые. Поэтому в практических расчетах часто возникают трудности при выборе этих характеристик.

Коэффициенты теплопереноса в цементном камне определяются конвекцией, кондукцией и термодиффузией. При эксперименте над пористыми гетерогенными телами, к которым относится и цементный

где Сц. р, 7ц.р — соответственно средняя теплоемкость и плотность цементного раствора.

С изменением водо-цементного отношения (В : Ц) теплоемкость раствора изменяется в соответствии с кривой 2: с увеличением В : Ц теплоемкость увеличивается, стремясь в пределе к теплоемкости воды. При В : Ц — 0 удельная теплоемкость раствора соответствует удельной теплоемкости сухого цемента (0,19 ккал/кг*градус).

Сопоставление расчетных и экспериментальных данных показы­ вает, что при определении теплоемкости тампонирующих растворов {цементных, цементно-песчаных, цементно-глинистых) можно использовать закон аддитивности

£*ср = £ i=i

200