Устройство для определения теплофизических характеристик горных пород в условиях естественного залегания

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 G 01 N 25/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ. СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4639669/25 (22) 18.01.89 (46) 15.02.92. Бюл. 3Ф 6 (71) Печорский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (72) А. Д; Маслов, А. О. Филатов, А. Г. Минко и П. П. Жуликов (53) 536.6(088,8) (56) Теплофизические свойства горных пород. Под ред. Э. Д. Ершова, М.: Издательство Московского университета, 1984. с.

51-56, @4)УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ. ТЕПЛО- .

ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ГОРНЫХ ПОРОД В УСЛОВИЯХ ЕСТЕСТВЕННОГО

ЗАЛЕГАНИЯ (57)Изобретение относится к экспериментальной физике и может быть использовано

Изобретение относится к устройствам для определения теплофизических хэрактерйстик пород, преимущественно в скважинах и горных выработках и может быть использовано в геологии, инженерных изысканиях, бурении.

Наиболее близким по технической сущности.к предлагаемому является устройство для определения теплофизических характеристик горных пород в условиях их естественного залегания с помощью плоскогс зонда постоянной мощности нагрева.

Устройство включает плоский нагреватель, расположенный между теплоизолятором и тенловыравнивающей пластиной. термопэру, установленную на поверхности этой пластины. Определение теплофизических характеристик пород осуществляют путем установки плоского зонда на иссле(„)5U„, 1712847 А1 для определения теплофизических характеристик горных пород в геологии, инженерных изысканиях, бурении. Цель изобретения — повышение достоверности определения тепло-. физических характеристик и расширение области исследования. Устройство содержит плоский нагреватель, расположенный между теплоизолятором и тепловыравнивающей пластиной, нэ которой закреплен датчик температуры, и цилиндрический зонд, имеющий возможность перемещаться относительно нагревателя. Внутри зонда размещен датчик температуры, перемещающийся вдоль оси зонда, который выполнен из материала с температуропроводностью, меньшей температуропроводности исследуемых горных пород. Зонд дополнительно содержит дат- . Я чик температуры, закрепленный на его конце. 2 з.п. ф-лы, 2 ил. дуемом образце породы, последующего нагрева этого образца и фиксации изменения температуры на границе тепловыравнивающей пластины и породы с помощью термопары. ЬЭ

Известное устройство имеет ряд недо- QO статков, ограничивающих возможность его ф, широкого использования. Так, одним из основных требований работы устройства является необходимость обеспечения идеального термического контакта между нагревателем и исследуемым образцом. Та-

«ое условие трудно выполнимо при определении, теплофизических хара ктеристик гормых пород в условиях естественного залегания (например, при определении в буряцвюхся скважинах). Кроме того, данное устройство возможно использовать для определения теплофизических характеристик

1712847 пород при условии постоянства температуры исследуемого образца. Это условие трудно выполнимо, так как исследование характеристик пород в естественном залегании производят с помощью скважин, шурфов и т. и., температурное поле которых в процессе бурения нарушается. Известное устройство не обеспечивает возможности контроля постоянства температуры исследуемой области пород, подвергающейся нагреву от плоского зонда, например, в случае установки его в скважине, шурфе и т, д, из-за- невозможности измерения температуры в исследуемой области. Еще одним недостатком является ограничение диапазона исследований эа один цикл измерений (нагрева пород), так как в процессе измерений возможно определение только одной теплофиэической характеристики — коэффициента теплопроводности.

Цель изобретения — повышение достоверности определения теплофизических характеристик и расширение области исследования.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения теплофизических характеристик горных пород в условиях естественного залегания, содержащее плоский нагреватель, установленный между теплоизолятором и тепловыравнивающей пластиной, а также датчик температуры; закрепленный на этой пластине, дополнительно содержит цилиндрический зонд с возможностью его перемещения вдоль оси нагревателя, при этом внутри зонда размещен датчик температуры, перемещающийся вдоль оси самого зонда, Цель достигается также тем, что зонд выполнен из материала с температуропроводностью меньше температуропроводности исследуемых пород и дополнительно содержит датчик температуры, неподвижно закрепленный на его конце.

Установка цилиндрического зонда с возможностью его перемещения вдоль оси нагревателя позволяет датчики температуры вводить в исследуемые области пород.

Установка на цилиндрическом зонде двух датчиков температуры, один иэ которых может перемещаться вдоль оси зонда, а другой закреплен неподвижно на его конце, позволяет контролировать условие постоянства температур исследуемой области перед началом нагрева; обеспечивая этим достоверность результатов измерений.

Выполнение цилиндрического зонда и термопары иэ материала, имеющего температуропроводность ниже температуропроводности горных пород, позволяет уменьшить погрешность при исследовании, 5

50 искажающее влияние зонда на температурное поле в исследуемой области пород, и тем самым повысить достоверность исследований.

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — кривые изменения температуры грунтов во времени в точках измерения в процессе нагрева.

Устройство содержит корпус 1, в нижней части которого установлен плоский нагреватель 2 с осевым отверстием 3.

Нагреватель 2 размещен между теплоиэолятором 4 и тепловыравнивающей пластиной

5, температура которой фиксируется с помощью датчика 6. Внутри нагревателя в отверстии 3 установлен подвижный зонд 7 с воэможностью его перемещения вдоль пра дольной оси 8 нагревателя 2. Зонд снабжен датчиками 9 и 10 температуры, один из которых (9) установлен на конце зонда, а друг.ой (10) выполнен подвижным с возможностью его перемещения вдоль продольной оси зонда. В верхней части зонда установлен блок 11 его погружения, например электродвигатель с зубчатой передачей. Устройство соединено кабелем 12, являющимся одновременно несущим элементом. с наземной станцией 13, включающей системы управления работой нагревателя, блока погружения зонда, систему измерения и регистрации температуры оТ датчиков 9 и 10. Устройство размещено в скважине 14 на забое 15, а его положение зафиксировано узлом 16 фиксации, смонтированным на корпусе 1.

Устройство работает следующим образом.

После фиксации устройства в скважине внедряют зонд 7 с датчиками 9 и 10 температуры на глубину, при которой датчик 9 не выходит эа пределы одномерного распрост- ранения температурного поля от нагревате- ля 2. Например, для круглого нагревателя это условие выполняется при е Ы/5О, где г — расстояние от нагревателя (забоя скважины) до датчика 9 температуры; 0 — диаметр нагревателя.

Ближайший подвижный датчик 10 температуры устанавливают на расстоянии r> от нагревателя (забоя) скважины между датчиком 9 и тепловыравнивающей пластиной, Перед началом нагрева породы проверяют условие однородности и ненарушенности естественного теплового поля в исследуемой породе путем сравнения температуры в датчиках 9 и 10. значения которых должны быть одинаковыми и соответствовать естественной температуре пород.

1712847

84 О т

- — —— а. — дх (1) 35

atM 82 tM

° ам (2) 40

Если это условие не выполняется, то в зависимости от предполагаемых причин, например, растепление породы при бурении, неоднородность естественного температурного поля, либо замеры повторяют через заданное время, необходимое для восстановления естественной температуры. либо производят указанные операции после бурения скважины на большую глубину.

При выполнении равенства температур в датчиках 9 и 10 включают нагреватель 2, обеспечивающий с помощью управляющего блока 13 постоянную заданную температуру на. забое скважины tc не выше 100 С (температура закипания воды), так как кипение воды при нагреве породы не допускается из-за наличия .в этом случае фазового перехода вода-пар в породе, что не позволяет применять. расчетную схему.

Далее ведут нагрев породы до момента времени t< (фиг. 3), пока в датчике 9 температуры не достигает заданной температуры

tg > 0 С, например 1-2 С, непрерывно измеряя температуру в датчиках 9 и 10 по координате времени.

При воздействии. плоского источника тепла на поверхности. забоя скважины с постоянной температурой на контакте с породой изменение одномерного температурного поля в породе описывается следующей системой уравнений

Граничные условия при этом

t t<= const. (3)

Условие (3) означает, что нагреватель обеспечивает постоянную температуру на рабочей.поверхйости в процессе оттаивания породы

tò t = to npu x = h (4) ,/

Условие Стефана (Чх)м=х (дх )х=и

L dh бх где тт — температура талых пород, К;

t — температура мерзлых пород, К; т- время, с; ат и а — соответственно температуроп5 роводность талых и мерзлых пород (а-А/cp P) х — координата точки измерения, отсчитываемая от поверхности источника тепла, . м;

10 to — температура оттаивания парового льда в породе, К(для чистой воды принимают to-273 К); т — температура рабочей поверхности нагревателя на контакте с грунтом, К;

15 h - радиус оттаивания (границы фазового перехода лед-вода) в породе от поверхности нагревателя,м;

Ат и Ям — соответственно теплопроводность талых и мерзлых пород, 8т/(м К);

20 — удельная теплота плавления льда, содержащегося в порах, Дж/кг;

Q — количество льда в единице обьема (л ьдистость), кг/м .

Решая приведенную систему уравнений

25 (1)-(5) методом Швеца и используя при этом нулевое и первое приближение, получают уравнение, описывающее изменение температуры пород в талой части .

30 dh з

«а,("-"} "

tò 2 +(to тс) Х

h .ат 6 (6)

1 dh

Х + .6 х+тсс обозначения прежние. Преобразуя (6), получают ат.. (7)

6 h ((tr — tc ) (to — tc ) вЂ, ) 45 Результаты измерения зависимостей изменения температуры t=f(r) в точках 9 и 10 . отображают графически в системе координат, откладывая по оси абсцисс время T:, а по оси ординат — температуру в датчиках 9 и 10.

При этом получают кривые нагрева, общий вид которых для мерзлых пород представлен на фиг. 2.

По кривым. нагрева определяют следую- щие параметры для определения фазового состояния и температуропроводности пород: t — естественную температуру пород как минимальную температуру в точках 9 и

10 после погружения зонда; to — температуру оттаивания льда в порах породы, что соответствует резкому уменьшению скорости

1712&47 нагрева, вплоть до нулевого значения в местах расположения датчиков 9 и 10- участки б-в и а-е на кривых нагрева (фиг. 2); tr— температуру талой породы на 10. ближайшем,датчике в момент времени%1, соответ- 5 ствующий окончанию оттаивания пород в месте расположения 9 датчика (определяется по увеличению скорости нагрева нв кри- .. вой 2, точка ж). йо этим параметрам определяют фазо- 10 вое состояние и температуропроводность пород ат по следующим условиям: при tanto породы находятся в мерзлом. состоянии (ApNcуеьтвует леду» Apvi lo ф v \ .породы находятся в охлажденном состоянии; при 15 т > 0 С породы нахсцртся в талом состоянии.

Ояределяют температуропроводиость талых пород ат по формуле (Щ, в которую поддставляют значения параметров, пол- .20 ученных в процессе нагрева образца

\ вт =

f2-Г1 . тс — te Г3 — 3. г1 (8) где г - расстояние от нагревателя до точки ®

10,м;: а — расстояние от нагревателя до точки

7 измерения, и;

te " темя®атура стенки.нагревателя, постоянная в процессе нагрева, К, 5

ФЬт- момент времейи с начала нагрева, в который в точке 10 заканчиваетсл оттаиваwe йород (точка е нф кривой нагрева а-ж);

th2- момент времейи с начале нагрева,, в.который в точке 9 заканчивается оттаивание пород(точка в на кривой нагрева à-r).

Кроме того, при определейии извест-. ным способом, например, по керну скважины» отобранному с забоя скважины 45 характеристик грунтов: ст — теплоемкости талых пород;ф- объемной массы пород; Lудельной теплоты плавления льда в порах породы, можно определить эффективную теплопроводность талых gy) и мерзлых Щ пород по формулам

Ат =ат ст рт, Втl(м . К) (9) г2 — г )(1. " +А

th2 %1 г2

tc то

+a 1, Вт/(м К), (10) Формула изобретения

1. Устройство-для определения теплофизических характеристик горных пород в условиях естественного залегания, содержащее плоский нагреватель, установленный между теплоизолятором и тепловыравнивающей.пластиной; а также датчик температуры, закрепленный на этой пластине, е т л и ч а ю щ e e с я тем, что,.с целью повышения достоверности определения теплофйзических характеристик, оно допол-. нительно содержит цилиндрический зонд с воэможностью его перемещения по оси нагревателя, при этом внутри зонда размещен датчйк температуры, перемещающийся по оси зонда, 2. Устройство поп. 1,отличаю щее с я тем, что зонд выполнен иэ материала с температуропроводностью меньше температурояроводности исследуемых горных пород.

3. Устройство поп. 1, отл и чаю ще-. е с я тем, что. с целью расширения области исследования, зонд дополнительно содержит датчик температуры, закрепленный на его конце.

1712847

Составитель А.Маслов

Техред М.Моргентал . Корректор Л.Патай

Редактор И.Касарда

Производственно-издательский комбинат "патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 532 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР .113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5