Способ неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах

Изобретение относится к области теплофизических измерений. Сущность изобретения заключается в том, что образец горной породы из скважинного керна с гладко отполированной торцевой поверхностью и достаточно большой длиной подвергают локальному нагреву источником постоянной мощности в форме круга и регистрируют изменяющиеся во времени значения его среднеинтегральной избыточной температуры. По наступлению постоянной скорости изменения температуры в зависимости от времени в степени «плюс 0,5» определяют теплофизические свойства образца. Технический результат - исключение погрешностей измерений, обусловленных искажением температурного поля образца из-за конечности его диаметра. 3 ил.

 

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к способам неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов.

Известен способ определения теплопроводности и температуропроводности, состоящий в том, что подводят постоянный тепловой поток к поверхности образца, полубесконечного в тепловом отношении, в виде пятна контакта в форме круга определенного диаметра и регистрируют изменение температуры во времени в начальной стадии нагрева (А.с. СССР N458753, G01N 25/18, 1975, БИ N4, 1975). Однако при этом возникают погрешности из-за неучета теплоемкости нагревателя.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения теплофизических свойств при подобной схеме расположения источника тепла на поверхности образца, в котором используются закономерности установившегося режима линейной зависимости температуры от времени в степени минус 0,5, наступающего через промежуток времени (r₀ - радиус источника мощности, α - температуропроводность испытуемого тела) после начала действия источника тепла, что существенно уменьшает погрешность за счет теплоемкости источника тепла (Гаврильев Р.И., Никифоров И.Д. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушения естественной структуры. ИФЖ, 1983, т.45, №6, с.1023-1024).

Однако применение вышеизложенного способа неразрушающего контроля теплофизических свойств к образцам горных пород из скважинных кернов связано с большими погрешностями вследствие температурного поля образца от теоретически предполагаемого температурного поля полубесконечного пространства из-за ограниченности радиальных размеров образцов.

Сущность предлагаемого неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах заключается в том, что на гладкую торцевую поверхность теплоизолированного образца в форме полуограниченного цилиндра радиуса R (1 на фиг.1) воздействуют по кругу радиуса r₀ (r₀<R) источником тепла равнораспределенной и постоянной во времени мощности q=const и регистрируют изменяющиеся во времени τ значения его среднеинтегральной избыточной температуры.

По прохождению некоторого промежутка времени τ₁ после действия источника тепла избыточная (относительно начальной температуры образца) среднеинтегральная температура контактной зоны разогрева описывается следующим соотношением:

где - среднеинтегральная избыточная температура источника тепла, отсчитываемая от начальной температуры образца t_c, q - тепловой поток; λ и α - теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца соответственно; r₀ и R - радиусы источника тепла и исследуемого образца соответственно; K - функция соотношения радиусов источника тепла r₀ и образца R, равная

где J₀ и J₁ - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков соответственно; μ_n - корни характеристического уравнения J₁(μ)=0.

Из соотношения (1) вытекает принципиальная возможность определения коэффициента теплопроводности и температуропроводности по измеряемой в опыте избыточной среднеинтегральной температуре источник тепла во времени.

Если данные опыта обработать в виде графика зависимости (фиг.2), то последняя, начиная с некоторого момента времени τ₁, становится линейной, причем пересечение прямой с осью ординат дает значение среднеинтегральной избыточной температуры , по которому рассчитывается теплопроводность исследуемого образца по следующей формуле:

где - протабулированная функция, зависящая от соотношения радиусов источника мощности r₀ и образца R (фиг.3).

Температуропроводность образца находится по углу наклона ϕ линейного участка графика зависимости

Объемная теплоемкость рассчитывается по формуле связи

На фиг.1 изображена физическая модель исследуемой системы и принципиальная схема устройства; на фиг.2 представлен график зависимости среднеинтегральной избыточной температуры пятна контакта разогрева от параметра на фиг.3 - график зависимости функции ψ_q от параметра r₀/R.

Принципиальными элементами устройства на фиг.1 служат нагревательный элемент круговой формы (3) с металлическим корпусом для эффективного осреднения температуры и дифференциальная термопара (4), непосредственно регистрирующая среднеинтегральную избыточную температуру контактной зоны разогрева (источника тепла).

Предлагаемый «Способ неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах» осуществляют следующим образом.

1. Гладко отшлифованная торцевая поверхность испытуемого образца смазывается тонким слоем технического вазелина, на нее устанавливается устройство, собранное на пенопластовом теплоизоляторе, и для устранения контактного сопротивления между нагревательным элементом и поверхностью образца устройство придавливается грузом или плотно прижимается механическим средством. Образец сбоку теплоизолирован.

2. Система выстаивается до принятия образцом и устройством одинаковой постоянной температуры t_c.

3. С помощью электрического нагревателя в зоне разогрева части контакта в виде круга радиусом r₀ создается тепловой ток постоянной мощности q.

4. Производится с помощью дифференциальной термопары регистрация среднеинтегральной избыточной температуры зоны разогрева контакта в течение некоторого промежутка времени.

5. По данным температурных замеров строится график зависимости от параметра (фиг.2) и по пересечению прямой, проведенной по линейной части указанной зависимости, с осью ординат находят значение и угол наклона прямой ϕ.

6. По формулам (3) - (5) рассчитывают теплофизические свойства исследуемого образца.

Использование предлагаемого способа неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород для скважинных кернов обеспечивает по сравнению с известным способом более точное определение указанных характеристик, так как нежелательный для предыдущего способа фактор ограниченности размеров образца по диаметру заложен в саму теоретическую основу предлагаемого способа, сводя к минимуму погрешности за счет отклонения реально регистрируемого температурного поля образца от теоретически принимаемого.

Способ неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах, заключающийся в том, что на торцевую поверхность теплоизолированного образца в форме полуограниченного цилиндра воздействуют по кругу радиуса r₀, меньшего, чем радиус образца R, источником тепла равнораспределенной и постоянной во времени мощности, отличающийся тем, что воздействие осуществляют при устранении контактного сопротивления между нагревательным элементом и поверхностью образца и регистрируют изменяющиеся во времени значения среднеинтегральной избыточной температуры источника тепла, используют зависимость указанной температуры от времени τ в степени «плюс 0,5» и после того, как эта зависимость становится линейной, определяют значение среднеинтегральной избыточной температуры , по которому, с учетом соотношения радиусов r₀/R, определяют теплопроводность и температуропроводность образца по формулам

где λ и α - теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца, соответственно; q - плотность мощности источника тепла; r₀ и R - радиусы источника тепла и исследуемого образца, соответственно; - среднеинтегральная избыточная температура источника тепла, отсчитываемая от начальной температуры исследуемого образца по пересечению линейного участка графика зависимости от времени в степени «плюс 0,5» с осью ординат; ϕ - угол наклона линейного участка графика зависимости температуры источника мощности от времени в степени «плюс 0,5»; - протабулированная функция, зависящая от соотношения радиусов источника мощности и образца; J₀ и J₁ - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков; μ_n - корни характеристического уравнения J₁(μ)=0.