Устройство для измерения теплопроводности горной породы под одновременным воздействием порового и внешнего давлений Российский патент 2023 года по МПК G01N3/18 G01N25/18 

Изобретение относится к устройствам для измерения теплофизических свойств веществ и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей посредством учета изменения теплопроводности породы под воздействием порового и внешнего давлений до 100 МПа, температуры до 500 К и характера насыщения флюидами. Устройство также может быть использовано для исследования термобарических условий образования и разрушения гидратов углеводородных газов в флюидонасыщенных породах пластовых резервуаров месторождений углеводородов, так как теплопроводность газовых гидратов аномально высока.

Известно устройство, в котором поровое давление величиной до 350 МПа на образец создается газом (аргоном) [Эмиров С.Н. Экспериментальное исследование теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах: дис…. докт.техн. наук. - Махачкала, 1997. -306 с.]. Недостатком данного устройства является его ограниченный функционал, обусловленный невозможностью имитации воздействия на образец горной породы внешнего (горного) давления. Кроме того, при использовании устройства с целью поддержания в нем высокого давления в достаточно большом объеме необходимо задействовать сложное компрессорное оборудование, которое является взрывоопасным.

Наиболее близким к заявленному является устройство для измерения теплопроводности флюидонасыщенных под давлением пористых тел [RU 2492455, МПК G01N 25/18 (2006.01), опубл. 10.09.2013, бюл. №25]. Недостатком данного устройства является его ограниченный функционал, обусловленный невозможностью имитации воздействия на образец горной породы внешнего (горного) давления.

Таким образом, аналоги заявленного устройства не позволяют адекватно моделировать природные термобарические условия залегания горной породы.

Задачей изобретения является измерение теплопроводности флюидонасыщенных пористых тел при температурах от 200 до 500 К, поровом давлении до 100 МПа, внешнем давлении до 100 МПа с погрешностью не более 5-6%.

Для решения технической задачи изобретения предлагается в устройстве - аналоге перед помещением его в термостат внешнее давление на образец горной породы 1 (фиг. 1) создавать, сжимая его между нагревателем 2 и холодильником 3 равномерно затягивая резьбовые шпильки 10 контролируемым моментом М _кр. При этом детали 1, 2, 3 и 10 необходимо изготавливать из материалов с близкими значениями коэффициента теплового расширения, что позволит уменьшить зависимость внешнего давления от температуры опыта.

Технический результат изобретения - повышение точности определения теплопроводности флюидонасыщенного пористого образца при учете влияния как внутрипорового, так и внешнего давления на него.

Технический результат достигается устройством, реализующим стационарный способ плоского слоя, в котором внешнее (горное) давление на образец до 100 МПа при температуре 200÷500 К создается его сжатием между холодильником и нагревателем посредством резьбовых шпилек, затягиваемых контролируемым моментом.

Принципиальная схема устройства показана на фиг. 1. На фигуре обозначены следующие позиции:

1 - образец;

2 - днище (нагреватель);

3 - днище (холодильник);

4 - цилиндрическая обечайка;

5 - электрический нагреватель;

6 - термопара холодильника;

7 - термопара нагревателя;

8 - прокладки из пластичного материала;

9 - трубка для вакуумирования и создания порового давления в образце; 10 - шпильки для обеспечения теплового контакта между образцом 1,

теплоснимающими поверхностями днища 2 нагревателя, днища 3 холодильника и создания внешнего давления.

Устройство состоит из цилиндрической обечайки 4, изготовленной из нержавеющей хромоникелевой стали со сравнительно низкой теплопроводностью. Плоские цилиндрические днища 2 и 3 нагревателя и холодильника соответственно изготовлены из прокатной меди с высокой теплопроводностью и являются одновременно нагревателем и холодильником образца керна 1. При поровом и внешнем давлении 100 МПа, диаметре образца d=30 мм и его высоте l=20 мм толщина стенок обечайки 4 должна быть не менее 10 мм, а днищ 2 и 3 не менее 15 мм. В одно из днищ в радиальное сквозное отверстие помещается электрический нагреватель 5. Для измерения температуры днища 2 (нагревателя) и днища 3 (холодильника) используются термопары 7 и 6, помещенные в радиальные глухие отверстия. В обечайку 4 вварена трубка 9 через которую образец 1 вакуумируется, а затем насыщается исследуемым флюидом под давлением. Осевое внешнее давление P_N на образец создается динамометрическим ключом затяжкой шпилек 10 моментом, рассчитываемым по формуле:

где, например, для шпильки M10×1,25 с внутренним диаметром резьбы d₁=8,466 мм; p_r=1,25 - шаг резьбы; f_p=0,2 - коэффициент трения в резьбе шпильки; N - осевое усилие на образец, Н.

Тогда внешнее давление рассчитывается по формуле:

где F_o6p - площадь поперечного сечения образца 1, которая в данном случае может варьироваться за счет его диаметра для увеличения внешнего давления. Погрешность задания внешнего осевого давления при комнатной температуре составляет около 5%. При повышении температуры осевое давление будет незначительно возрастать (оценочно на 10% при 500 К) за счет несколько большего коэффициента теплового расширения меди, чем у песчаника, хромовой и углеродистой стали (0,000017 против 0,000012 К^-1).

Устройство работает следующим образом. Между днищем 2 нагревателя, днищем 3 холодильника и обечайками 4 помещают прокладки 8 из пластичного материала (например, отожженная медь, фторопласт), тем самым обеспечивая надежный тепловой контакт днища 2 нагревателя, днища 3 холодильника с образцом 1 и герметичность всего устройства. Для этого суммарная высота деталей 4 и 8 должна быть на 0,5…0,8 мм больше высоты образца 1. Равномерная затяжка шпилек 10 осуществляется моментом, соответствующим пределу текучести материала прокладки 8+1/4 оборота.

В случае необходимости создания внешнего осевого давления P_N на образец 1 равномерную затяжку шпилек 10 продолжают моментом, рассчитанным по формулам (1) и (2).

Собранное устройство помещают в термостат. Теплота Q, выделяемая электрическим нагревателем 5 создает тепловые потоки: Q=UI=Q₁+Q₂+Q_nom1+Q_nom2+Q_nom3

где

U - напряжение;

J - сила тока;

Q₁ - тепловой поток через образец 1;

Q₂ - тепловой поток через обечайку 4;

Q_nom1 - осевой поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;

Q_nom2 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя;

Q_nom3 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от обечайки.

Для учета тепловых потоков Q₂, Q_nom1, Q_nom2 и Q_nom3 предварительно выполняют тарировку устройства без образца 1 при температуре от 200 до 500 К и фиксированной разности температур нагревателя и холодильника T₁-Т₂. При этом полость для образца 1 вакуумируется через трубку 9, а ее внутренние поверхности предварительно полируются. Таким образом, тепло в полости 1 не передается ни теплопроводностью, ни конвекцией, ни излучением, соответственно Q₁=0 и характер зависимости Q₀ - F(T) определяется

только изменением теплопроводностей материала обечайки 4 и теплоизолирующего материала вокруг устройства в рабочем температурном интервале от 200 до 500 К.

Температура опыта рассчитывается по формуле:

где, Q₀=U₀I₀=Q₂+Q_nom1+Q_nom2+Q_nom3 - количество тепла, необходимого в опыте без образца для поддержания фиксированной разности T₁-Т₂ для текущей Т;

Т_терм. - температура в термостате;

T₁ - температура нагревателя, измеренная термопарой 7;

Т₂ - температура холодильника, измеренная термопарой 6.

После определения зависимости Q₀=F(T) в устройство помещают образец 1 через который устанавливают тепловой поток Q₁, что приводит к охлаждению нагревателя 2 и нагреву холодильника 3. Следовательно, для поддержания фиксированной разности T₁-Т₂ к электрическому нагревателю 5 необходимо подвести дополнительно:

Q₁=Q-Q₀=UI-U₀I₀

Тогда для текущей Т, внешнего (горного) давления P_N и порового давления Р получаем рабочую формулу:

где

l - высота цилиндрического образца породы 1, м;

S - площадь поперечного сечения образца, м²;

λ - теплопроводность образца, Вт/мК.

Изобретение относится к устройствам для измерения теплофизических свойств веществ и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей посредством учета изменения теплопроводности породы под воздействием порового и внешнего давлений до 100 МПа, температуры до 500 К и характера насыщения флюидами. Устройство состоит из цилиндрической обечайки, днища нагревателя, днища холодильника, электрического нагревателя, термопары холодильника, термопары нагревателя, прокладок из пластичного материала, трубки для вакуумирования и создания порового давления в образце и резьбовых шпилек. Днище нагревателя, днище холодильника и резьбовые шпильки изготовлены из материалов с близкими значениями коэффициента теплового расширения. Резьбовые шпильки выполнены с возможностью затягивания контролируемым моментом, обеспечивающим создание внешнего горного давления на образец до 100 МПа при температуре от 200 до 500 К его сжатием между холодильником и нагревателем. Технический результат изобретения - повышение точности определения теплопроводности флюидонасыщенного пористого образца при учете влияния как внутрипорового, так и внешнего давления на него. 1 ил.

Устройство для измерения теплопроводности горной породы под одновременным воздействием порового и внешнего давлений, состоящее из цилиндрической обечайки, днища нагревателя, днища холодильника, электрического нагревателя, термопары холодильника, термопары нагревателя, прокладок из пластичного материала, трубки для вакуумирования и создания порового давления в образце и резьбовых шпилек, отличающееся тем, что днище нагревателя, днище холодильника и резьбовые шпильки изготовлены из материалов с близкими значениями коэффициента теплового расширения, причем резьбовые шпильки выполнены с возможностью затягивания контролируемым моментом, обеспечивающим создание внешнего горного давления на образец до 100 МПа при температуре от 200 до 500 К его сжатием между холодильником и нагревателем.