Температура горных пород и их теплофизические свойства
Геостатическая температура горных пород. Многолетнемерзлые породы
Температура горных пород определяется двумя источниками: теплом, получаемым от Солнца, и тепловым потоком, идущим из недр Земли.
Таблица 4.15
Расчет смещения стенки наклонной скважины
|
|
|
| |||||||||||
|
| ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ |
|
|
| |||||||||
|
| pг, МПа | 57,000 |
|
|
| ||||||||
|
| α,градус | 70,000 |
| α,радиан | 1,221 | ||||||||
|
|
|
|
| pα, МПа | 53,909 | ||||||||
|
| μ | 0,350 |
| λу | 0,538 | ||||||||
|
|
|
|
| pбу, МПа | 30,692 | ||||||||
|
| λ | 0,538 |
| pб, МПа | 30,666 | ||||||||
|
| C, МПа | 1800 |
| M, МПа | 42,288 | ||||||||
|
|
|
|
| N, МПа | 11,622 | ||||||||
|
| pc, МПа | 27 |
|
|
| ||||||||
|
| Rн, мм | 108 |
|
|
| ||||||||
|
| Rko | 100 |
| n | 990 | ||||||||
|
| ho | 0,10 |
| h, мм | 10,8 | ||||||||
|
|
|
|
|
|
| ||||||||
|
|
| Боковая стенка |
|
| |||||||||
| Rкi | Ri | σRi | σti | Ri | Сумма Ri | ||||||||
| 10800 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||||
| 10789,2 | 10794,60 | -0,00312 | -0,00153 | 0,000014 | 0,000014 | ||||||||
| 10778,4 | 10783,80 | -0,00313 | -0,00153 | 0,000014 | 0,000028 | ||||||||
| 10767,6 | 10773,00 | -0,00314 | -0,00154 | 0,000014 | 0,000041 | ||||||||
| 129,6 | 135,56 | -5,75654 | -23,74885 | -0,042188 | 0,518677 | ||||||||
| 118,8 | 124,72 | -3,79039 | -31,06797 | -0,077631 | 0,441046 | ||||||||
| 108 | 113,84 | 0,16207 | -42,00019 | -0,136665 | 0,304380 | ||||||||
|
|
| Верхняя стенка |
|
| |||||||||
| Rкi | Ri | σRi
| σti | Ri | Сумма Ri | ||||||||
| 10800 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | ||||||||
| 10789,2 | 10794,60 | 0,00618 | -0,00153 | -0,000042 | -0,000042 | ||||||||
| 10778,4 | 10783,80 | 0,00620 | -0,00153 | -0,000042 | -0,000084 | ||||||||
| 10767,6 | 10773,00 | 0,00621 | -0,00154 | -0,000042 | -0,000126 | ||||||||
| 129,6 | 132,28 | 25,68596 | 5,30153 | -0,136988 | -2,857720 | ||||||||
| 118,8 | 121,34 | 27,05655 | 9,76870 | -0,130779 | -2,988499 | ||||||||
| 108 | 110,41 | 27,18765 | 17,28995 | -0,107266 | -3,095765 | ||||||||
Солнечное тепло проникает на глубину 8…30 м. Ниже этой границы температура горных пород в рассматриваемой точке практически постоянна, что позволяет говорить о геостатической температуре. С увеличением глубины температура горных пород возрастает со средним градиентом 0,03 °С/м. Геотермический градиент для разных районов Земли меняется в широких пределах. На больших глубинах температура горных пород может достигать значительных величин. Например, температура на западном склоне среднего Урала на глубине 15 км 
составляет около 200 °С, в Прикаспийской впадине на глубине 12…14 км – до 300 °С, а на Курильских островах на глубине 15 км – до 600 °С. Геотермический градиент зависит от геологического строения региона и теплофизических свойств горных пород. Это обусловливает непостоянство градиента по глубине. На рисунке 4.63 а показано изменение температуры и геотермического градиента в скважине СГ-6 Тюменская. Верхняя часть разреза сложена многолетнемерзлыми породами. Ниже температура горных пород растет и на глубине 6692 м достигает 185 °С. Из рисунка видно, что геостатическая температура горных пород – неубывающая функция глубины.
|
|
|
Рис. 4.63. Зависимости температуры в С (а) и градиента температуры в °С/100 м (б) от глубины в скважине СГ-6 Тюменской
На рисунке 4.63 б показано изменение градиента температуры с глубиной, из которого видно, что градиент температуры в интервалах, представленных разными по свойствам горными породами, существенно неоднородный.
Основное влияние на сопротивление горных пород разрушению оказывает не сама температура горных пород, а разность между температурой горной породы и промывочной жидкости. Нагрев или охлаждение забоя промывочной жикостью приводит к возникновению термических напряжений, которые алгебраически складываются с напряжениями, создаваемыми породоразрушающим инст-рументом. В процессе бурения температура стенок скважины не остается посто-янной, а циклически изменяется в зависимости от технологических операций в скважине (бурение, спуск или подъем инструмента и т.д.). Такие изменения приводят к усталостному снижению прочности горных пород. Изменение температуры пород с глубиной не позволяет избежать этих явлений простым регулиро-ванием температуры закачиваемого в скважину бурового раствора.
|
|
|
Рис. 4.64. Изменение температуры мерзлых горных пород с глубиной залегания: I – деятельный слой; II – слой переменных температур; III – слой мерзлых пород постоянной температурой; IV – слой нижележащих пород положительной температурой
На территории России широко распространены мерзлые горные породы. В зависимости от того, как долго они находятся в мерзлом состоянии, различают сезонно-мерзлые (месяцы) и многолетнемерзлые горные породы (годы, сотни и тысячи лет). В северных и северо-восточных районах России многолетне-мерзлые породы имеют сплошное распространение, и их толщина измеряется сотнями метров, а температура достигает –7…–12 °С.
На рисунке 4.64 показано характерное распределения температуры в толще мерзлых горных пород. Верхний слой I, в котором летом породы оттаивают, а зимой промерзают, называется деятельным слоем. Ниже лежит слой II пород, в котором также наблюдается сезонное изменение температуры, но ее величина остается отрицательной. Ниже второго слоя расположены горные породы с постояной (геостатической) температурой. Слой III – многолетнемерзлые горные породы с постоянной температурой, ниже которых расположены горные породы (слои IV) с возрастающей по глубине положительной температурой в соответствии с геотермическим градиентом, как показано на рисунке 4.63.
|
|
|
Многолетнемерзлые горные породы могут быть как кристаллические, так и обломочные. Кристаллические породы при отрицательных температурах мало изменяют свои свойства. Наоборот, обломочные водонасыщенные рыхлые и слабосцементированные породы при замерзании и оттаивании резко изменяют свои свойства. При замерзании такие породы цементируются льдом и отличаются существенной прочностью (σсж до 2,5 МПа) и непроницаемостью, а при оттаивании они переходят в разжиженное состояние.
Мерзлые горные породы имеют особую текстуру (рис. 4.65): массивную (рис. 4.65 а), когда вся вода в порах находится в виде льда-цемента; слоистую (рис. 4.65 б), когда ледяные включения входят в состав породы в виде парал-лельных льдообразных слоев; сетчатую (рис. 4.65 в), когда ледяные включения образуют пространственную сетку.
| – скелет горной породы | – | ||||
|
| |||||
| а | б | в | |||
Рис. 4.65. Текстуры мерзлых горных пород (по В. Е. Копылову):
– массивная; б – слоистая; в – сетчатая
В мерзлых горных породах не вся вода замерзает даже при значительных отрицательных температурах. Соотношение льда и воды существенно влияет на физико-механические свойства мерзлых пород. Если свободная вода кристаллизуется в порах при температуре около 0 °С,
то капиллярная вода – при температуре –6…–18 °С, а физически связанная вода – при температуре –75…–80 °С. Поэтому прочность мерзлых песчаных пород значительно выше, чем прочность мерзлых глинистых пород.
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 732; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!