Способ и устройство определения теплопроводности образца керна Российский патент 2024 года по МПК G01N25/18 

Область техники

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств горных пород, а именно теплопроводности, коэффициента анизотропии теплопроводности и степени тепловой неоднородности пород, определяемых на образце керна, извлекаемого из скважин при их бурении в горных массивах и представляющего собой цилиндрический образец твердого тела, обладающий одноосной анизотропией.

Уровень техники

Наиболее передовым способом определения теплопроводности твердых тел является способ определения теплопроводности методом разделенного стержня (Popov Y., Beardsmore G., Clauser С., Roy S. ISRM Suggested methods for determining thermal properties of rocks from laboratory tests at atmospheric pressure // Rock Mechanics & Rock Engineering. 2016. 49(10), (1), c. 4194-4198), реализуемый, например, прибором DTC-300 (ТА Instruments).

Недостатком аналога является невозможность определения главных значений тензора теплопроводности анизотропных образцов керна, и необходимость выбуривания образца из полноразмерного образца керна.

1. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ определения теплопроводности твердых тел методом оптического сканирования, взятый за прототип, и применяемый для определения теплопроводности полноразмерных образцов керна методом оптического сканирования при проведении оптического сканирования вдоль образующей цилиндрической поверхности образцов керна ((1), с. 4186-4188).

К недостаткам способа-прототипа относится то, что оптическое сканирование вдоль образующей цилиндрической поверхности образа керна позволяет определить только одну компоненту тензора теплопроводности и только при угле залегания слоев равном 90°, при этом для определения главных значений тензора теплопроводности необходима распиловка образца керна, которую на практике чаще всего осуществляют вдоль оси полноразмерного образца керна, для получения возможности проведения оптического сканирование вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна.

Известный способ реализуется устройством ((1), с. 4184-4194), являющимся наиболее близким к вариантам заявляемого устройства. Устройство состоит из источника локального нагрева, электромеханического привода и трех инфракрасных датчиков температуры. Недостатком данного устройства является то, что оно не позволяет вращать цилиндрический образец керна вокруг своей оси и проводить оптическое сканирование образца керна по спирали или по окружности.

Сущность изобретения

Задачей заявленного изобретения является устранение указанных недостатков прототипа.

Техническим результатом заявленного изобретения является определение главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна, путем оптического сканирования по спирали, по окружности или вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна без его распиливания, регистрация изменений главных значений тензора теплопроводности образца керна, фиксация изменений свойств образца керна со временем, начиная с момента его выбуривания, определение содержания органического углерода в образцах баженовской свиты по установленным корреляциям содержания органического углерода с теплопроводностью.

Технический результат достигается за счет предложенного способа определения теплопроводности образца керна, заключающегося в нагреве цилиндрической поверхности образца керна в локальной области, движущейся с постоянной скоростью относительно указанного образца по спирали, по окружности или вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна, и регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на двух локальных областях поверхности, расположенных вдоль линии движения области локального нагрева относительно указанного образца, одна из которых расположена перед областью локального нагрева, а другая позади области локального нагрева. При этом с целью определения главных значений тензора теплопроводности указанного образца, у которого одна главная ось тензора теплопроводности ориентирована перпендикулярно плоскости слоистости, а две другие оси лежат в одной плоскости слоистости и их главные значения тензора теплопроводности одинаковы,

- обеспечивают движение относительно указанного образца области локального нагрева и областей регистрации температуры поверхности указанного образца по спирали или окружности на цилиндрической поверхности образца керна,

- при этом перед началом измерений определяют направления главных осей тензора теплопроводности указанного образца,

- задают угол направления движения области локального нагрева и областей регистрации температур относительно оси указанного образца,

- после завершения нагрева цилиндрической поверхности образца керна в локальной области и регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на двух локальных областях поверхности определяют главные значения тензора теплопроводности указанного образца.

Дополнительно осуществляют регистрацию температуры образца керна вдоль его образующей цилиндрической поверхности.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что устройство для измерений теплопроводности образца керна содержит источник локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна, выполненный с возможностью движения с постоянной скоростью вдоль указанного образца, два датчика температуры, выполненные с возможностью регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на областях поверхности указанного образца вдоль линии движения локальной области нагрева, при этом один из датчиков расположен перед источником локального нагрева, а другой после источника локального нагрева, при этом устройство дополнительно содержит

- систему роликов в виде двух валов с множеством резиновых опорных колец, выполненных с возможностью вращения образца керна относительно его продольной оси, при этом валы закреплены в держателях валов, выполненных с возможностью изменения расстояния между осями валов в направлении, перпендикулярном продольной оси указанного образца,

- источник локального нагрева, выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси указанного образца относительно датчиков температуры,

- датчики температуры, выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения по окружности с центром на оси образца керна относительно источника локального нагрева и с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно цилиндрической поверхности образца керна,

- при этом первый датчик температуры выполнен с возможностью возвратно поступательного перемещения вдоль оси указанного образца относительно второго датчика температуры, а источник локального нагревай датчики температуры выполнены с возможностью одновременного перемещения вдоль оси указанного образца с постоянной скоростью.

Источник локального нагрева расположен сверху образца керна.

Источник локального нагрева расположен снизу образца керна.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - График зависимости кажущейся теплопроводности, получаемой при оптическом сканировании образца керна по спирали, в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения в случае, когда угол оптического сканирования (ξ) больше угла залегания слоя μ.

Фиг. 2 - График зависимости кажущейся теплопроводности, получаемой при оптическом сканировании образца керна по спирали, в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения в случае, когда ξ<μ.

Фиг. 3 - График зависимости кажущейся теплопроводности, получаемой при оптическом сканировании образца керна по окружности, в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения.

Фиг. 4 - Заявленное устройство.

Фиг. 5 - Образец керна. LK - направление оптического сканирования; оранжевые стрелки - главные оси тензора теплопроводности; α, β и γ - углы между направлением оптического сканирования и главными осями тензора теплопроводности А, В и С, соответственно; ОМ - отрезок параллельный направлению оптического сканирования LK; ξ - угол между направлением оптического сканирования и осью образца керна; точка L - точка пересечения направления оптического сканирования и образующей цилиндрической поверхности образца керна; NP - проекция оси образца керна на плоскость слоистости; μ - угол между осью образца керна и плоскостью слоистости; плоскость, проходящая через ось образца керна и через прямую NP, перпендикулярна плоскости платформы.

1 - источник локального нагрева; 2 - первый датчик температуры; 3 - второй датчик температуры; 4 - узел крепления держателей датчиков температуры и источника локального нагрева; 5 - система роликов; 6 - узел настройки удаленности второго датчика температуры относительно поверхности образца керна; 7 - держатель второго датчика температуры с узлом перемещения указанного датчика относительно источника локального нагрева; 8 - узел настройки удаленности первого датчика температуры относительно поверхности образца керна; 9 - держатель первого датчика температуры с узлом перемещения указанного датчика относительно источника локального нагрева; 10 - узел перемещения первого датчика температуры вдоль оси образца керна относительно второго датчика температуры; 11 - держатель источника локального нагрева с узлом его перемещения вдоль оси образца керна относительно датчиков температуры, 12 - держатели валов.

Под одноосной анизотропией понимается вид анизотропии, при котором главные значения тензора теплопроводности образца твердого тела одинаковы для двух из трех главных осей теплопроводности (С.С. Сысков. Определение параметров анизотропии электропроводности среды с использованием скважин. Изв. уральской государственной горно-геологической академии. 1998. №8. с. 164).

Осуществление изобретения

Устройство для измерений теплопроводности образца керна содержит каркас, выполненный из узла (4) крепления держателей, на котором закреплены держатель (7) второго датчика температуры с узлом перемещения указанного датчика относительно источника локального нагрева и держатель (9) первого датчика температуры с узлом перемещения указанного датчика относительно источника локального нагрева через узел (10) перемещения первого датчика температуры вдоль оси указанного образца относительно второго датчика температуры, при этом устройство также содержит:

- источник (1) локального нагрева (например, диодный лазер) цилиндрической поверхности образца керна, выполненный с возможностью движения с постоянной скоростью вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна при помощи узла линейного перемещения, установленного в указанном узле (4). Кроме того, источник локального нагрева (1) выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси указанного образца относительно датчиков температуры (2, 3) при помощи держателя (11) источника локального нагрева с узлом его перемещения вдоль оси указанного образца относительно датчиков температуры, закрепленного на указанном узле (4);

- два датчика температуры (2, 3), выполненные с возможностью регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на областях поверхности указанного образца вдоль линии движения области локального нагрева, при этом второй датчик температуры (3) расположен позади источника (1) локального нагрева и закреплен на указанном держателе (7), а первый датчик температуры (2) - перед источником (1) локального нагрева и закреплен на указанном держателе (9), при этом указанные держатели (7, 9) расположены вокруг указанного образца.

- систему роликов (5) в виде двух валов с множеством резиновых опорных колец, выполненных с возможностью вращения образца керна относительно его продольной оси, при этом валы закреплены в держателях (12) валов, выполненных с возможностью изменения расстояния между осями валов в направлении, перпендикулярном продольной оси указанного образца.

- датчики температуры (2, 3) выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения по окружности с центром на оси образца керна относительно источника локального нагрева при помощи узлов перемещения по окружности относительно источника локального нагрева, установленных в соответствующих держателях (7, 9), и с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно цилиндрической поверхности образца керна при помощи узлов (6, 8) настройки удаленности датчиков температуры относительно поверхности указанного образца, установленных в соответствующих держателях (7, 9).

Первый датчик температуры (2) выполнен с возможностью возвратно поступательного перемещения вдоль оси образца керна относительно второго датчика температуры (3) при помощи узла перемещения, а источник локального нагрева (1) и датчики температуры (2, 3) выполнены с возможностью одновременного перемещения вдоль оси образца керна с постоянной скоростью при помощи узла линейного перемещения вдоль оси указанного образца, установленного в указанном узле (4).

Держатели (7, 9, 12) установлены на платформе рамного каркаса (на фиг. не показан).

Источник локального нагрева расположен сверху образца керна.

Источник локального нагрева расположен снизу образца керна.

Направление движения центра области локального нагрева, формируемой источником локального нагрева (1), задают, устанавливая, например, необходимый угол между касательной к траектории спирали в точке центра области локального нагрева и осью образца керна.

Направление движения центра области регистрации температуры, которую сканируют при помощи датчика температуры (2), задают перед областью локального нагрева, устанавливая, например, необходимый угол между касательной к траектории спирали в точке центра области регистрации температуры и осью образца керна.

Направление движения центра области регистрации температуры, которую сканируют при помощи датчика температуры (3), задают позади области локального нагрева, устанавливая, например, необходимый угол между касательной к траектории спирали в точке центра области регистрации температуры и осью образца керна.

Все три вышеуказанные угла, определяющие направления движений центра области локального нагрева, центра области регистрации температур перед областью локального нагрева и центра области регистрации температур позади области локального нагрева, равны. В дальнейшем будем называть эти три равных угла углом оптического сканирования ξ, а направление прямой линии, расположенной под углом ξ к оси образца керна, будем называть направлением оптического сканирования (см. Фиг. 5). Значения угла ξ могут изменяться в пределах от 0° до 90°.

Угол оптического сканирования и диаметр образца керна являются параметрами, определяющими траекторию движения центра области локального нагрева и областей регистрации температур по спирали, по окружности или вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна, а также угловую скорость вращения указанного образца вокруг своей оси и линейную скорость движения источника локального нагрева вдоль продольной оси указанного образца.

Заявленный способ с использованием заявленного устройства осуществляют следующим образом.

На первом этапе определяют направления главных осей тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости, например, путем визуального выделения слоистости образца керна и измерения угла μ между осью образца керна и ее проекцией на плоскость слоистости (см. Фиг. 5). Значения угла μ могут изменяться в пределах от 0° до 90°. Примем за главную ось теплопроводности А, ту ось, которая направлена перпендикулярно плоскости слоистости. Главная ось теплопроводности В может иметь множество направлений параллельно плоскости слоистости. Зафиксируем направление главной оси В так, чтобы она лежала на пересечении вертикальной плоскости, проходящей через ось образца керна, и плоскости слоистости под углом μ к оси образца керна (см. Фиг. 5). Главная ось С перпендикулярна осям А и В. Главные оси А, В и С образуют левую систему координат (см. Фиг. 5).

Затем измеряют диаметр образца керна и устанавливают указанный образец на систему роликов так, чтобы центр окружности, по которой перемещаются датчики температуры (2, 3), лежал на оси указанного образца в течение оптического сканирования, при этом в зависимости от диаметра указанного образца осуществляют настройку расстояния между осями валов в направлении, перпендикулярном продольной оси указанного образца. После чего фиксируют начальное положение образца керна таким образом, чтобы угол между плоскостью слоистости и плоскостью платформы был равен ранее определенному углу μ. Пример расположения образца керна в заявленном устройстве приведен на Фиг. 5.

Далее задают угол оптического сканирования 0°≤ ξ ≤90° движения области локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна относительно его оси. Движение области локального нагрева относительно поверхности образца керна может осуществляться по окружности, по спирали и вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна. Локальный нагрев осуществляется источником локального нагрева (1), регистрация температуры перед областью локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна на линии оптического сканирования и позади области локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна на линии оптического сканирования осуществляется при помощи датчиков температуры (2, 3). Движение области локального нагрева относительно поверхности образца керна осуществляют при поступательном движении источника локального нагрева вдоль оси образца керна, в то время как образец керна неподвижен или вращается с постоянной угловой скоростью вокруг своей оси, или при фиксации источника локального нагрева на месте, в то время как образец керна вращается с постоянной угловой скоростью вокруг своей оси.

Исходя из того, что известен диаметр образца керна и задан угол оптического сканирования определяют необходимую скорость углового вращения образца керна вокруг своей оси и скорость движения источника локального нагрева вдоль продольной оси образца керна.

Затем осуществляют одновременно нагрев цилиндрической поверхности образца керна источником локального нагрева (1) и регистрацию температур цилиндрической поверхности образца керна перед областью локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна на линии оптического сканирования и позади области локального нагрева на поверхности образца керна на линии оптического сканирования двумя датчиками температуры (2, 3), в то время как образец вращается вокруг своей оси с постоянной угловой скоростью, а область локального нагрева движется по спирали или по окружности с постоянной скоростью относительно образца керна. Если образец неподвижен, то область локального нагрева движется вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна с постоянной скоростью относительно образца керна.

После завершения оптического сканирования, т.е. после окончания перемещения области локального нагрева относительно поверхности образца керна при регистрации температур областей перед областью локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна на линии оптического сканирования и позади области локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна на линии оптического сканирования, при помощи специального алгоритма, описание которого приведено ниже, по результатам регистрации температур датчиками температуры определяют главные значения тензора теплопроводности соответствующие направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна.

Заявляемое изобретение позволяет проводить определение главных значений тензора теплопроводности образца керна:

- при проведении одного оптического сканирования по спирали при угле оптического сканирования 0°< ξ <90° и угле залегания слоя 0°≤ μ <90°;

- при проведении одного оптического сканирования по спирали при угле оптического сканирования 0°< ξ <90° и дополнительного оптического сканирования вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна при угле залегания слоя μ равному 90°;

- при проведении одного оптического сканирования по окружности, т.е. при ξ=90° и углах залегания слоя 0°≤ μ <90°;

- при проведении одного оптического сканирования по окружности, т.е. при ξ=90° и дополнительного оптического сканирования вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна при угле залегания слоя μ равному 90°.

Формула, связывающая измеряемую теплопроводность, которую принято называть кажущейся ((1), с. 9), с главными значениями тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна, при проведении оптического сканирования образца керна по спирали, по окружности или вдоль образующей его цилиндрической поверхности:

где λ_каж - кажущейся теплопроводность, ξ - угол оптического сканирования, μ - угол залегания слоя, ϕ - угол поворота образца керна относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности, 0°≤ ξ ≤90°, 0°≤ μ ≤90°б 0°≤ ϕ ≤360°, λ_⊥ - главное значение тензора теплопроводности перпендикулярно слоистости, - главное значение тензора теплопроводности вдоль слоистости.

Данная формула выводится следующим образом:

Известна формула ((1), с. 9)

где λ_каж - измеряемая теплопроводность, λ_A, λ_B, λ_C, - главные значения тензора теплопроводности, соответствующие направлениям главных осей тензора теплопроводности А, В и С, соответственно; α, β и γ - углы между направлением оптического сканирования и главными осями тензора теплопроводности А, В и С, соответственно.

При проведении оптического сканирования по спирали или по окружности углы α, β и γ будут меняться в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности в соответствии со следующими зависимостями:

где ϕ - угол поворота образца керна относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности, ξ - угол оптического сканирования, μ - угол залегания слоя.

При подстановке указанных зависимостей углов α, β и γ в формулах (3.1-3.3) от угла ϕ в формулу (2) и проведя тригонометрические преобразования получим искомую формулу (1).

Для определения главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости, решается система из двух уравнений, записанных для значений кажущейся теплопроводности при двух различных углах ϕ. Для составления системы уравнений можно использовать значения кажущейся теплопроводности полученные при любых значениях угла ϕ, однако наиболее простые уравнения и наиболее надежные результаты вычислений получаются при использовании значений кажущейся теплопроводности при углах ϕ соответствующих экстремумам профиля кажущейся теплопроводности. Если в момент начала оптического сканирования главные оси тензора теплопроводности образца керна были расположены так, как показано на Фиг. 5, то абсциссы экстремумов будут следующими:

Где Z - множество целых чисел, n - целое число, ϕ₁, ϕ₂, ϕ₃, ϕ₄ - углы поворота образца керна относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности, соответствующие экстремумам функции кажущейся теплопроводности, - угол оптического сканирования, μ - угол залегания слоя.

При проведении оптического сканирования по спирали или по окружности абсциссы экстремумов кажущейся теплопроводности ϕ₁ и ϕ₂ не зависят от углов оптического сканирования и залегания слоев образца керна, в отличие от абсцисс экстремумов ϕ₃ и ϕ₄, и расстояние между ними фиксировано и составляет 180°.

Специальный алгоритм определения главных значений тензора теплопроводности по имеющемуся профилю кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности образца керна заключается в следующем:

Вначале проводят оптическое сканирование образца керна по спирали или окружности с вращением образца керна на 360° и более, получают профиль кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота ср. Затем визуально или программно находят абсциссы экстремумов профиля кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения. Абсциссы экстремумов определяют однозначно относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности. В случае, когда угол залегания слоя μ=90° профиль кажущейся теплопроводности при проведении оптического сканирования по спирали или по окружности в зависимости от угла поворота ср будет константой, в этом случае для определения главных значений тензора теплопроводности необходимо провести дополнительное оптическое сканирование вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна.

Далее для определения главных значений тензора теплопроводности необходимо записать систему из двух уравнений. Для каждого типа оптического сканирования (по спирали и по окружности) возможны два случая. Рассмотрим каждый из них:

Оптическое сканирование по спирали

Случай 1. Угол сканирования 0°< ξ <90°, угол залегания слоя 0°≤ μ <90°. Записывают систему из двух уравнений (1) для кажущейся теплопроводности в точках абсцисс экстремумов ϕ₁ и ϕ₂ - Решают систему уравнений, однозначно находят значения λ_⊥ и .

Случай 2. Угол сканирования 0°< ξ <90°, угол залегания слоя μ=90°.

В данном случае при проведении оптического сканирования по спирали уравнение (1) не зависит от угла ср и имеет вид

Для нахождения λ_⊥ и необходимо еще одно уравнение. В качестве такого уравнения выбирают уравнение (1). Для получения системы из двух уравнений (5) и (1) с двумя неизвестными λ_⊥ и проводят дополнительное оптическое сканирование вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна, в результате которого получают известными параметры λ_каж1 и λ_каж2, а неизвестными λ_⊥ и . Второе уравнение имеет вид

Решают систему уравнений (5) и (6), однозначно находят значения λ_⊥ и .

Оптическое сканирование по окружности

При проведении оптического сканирования по окружности угол ξ=90°.

Случай 1. Угол сканирования ξ=90°, угол залегания слоя 0°≤ μ <90°.

Записывают систему из двух уравнений (1) для кажущейся теплопроводности в точках абсцисс экстремумов ϕ₁ и ϕ₂. Решают систему уравнений, однозначно находят значения λ_⊥ и .

Случай 2. Угол сканирования ξ=90°, угол залегания слоя μ=90°.

При данных угла и μ уравнение (1) имеет вид

откуда следует, что значение λ_каж постоянно при любых углах ϕ. Для нахождения λ_⊥ и необходимо еще одно уравнение. В качестве такого уравнения выбирают уравнение (1). Для получения системы из двух уравнений (7) и (1) с двумя неизвестными λ_⊥ и проводят дополнительное оптическое сканирование вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна, в результате которого получают известными параметры λ_каж1 и λ_каж2, а неизвестными λ_⊥ и . Второе уравнение имеет вид

Решают систему уравнений (7) и (8), однозначно находят значения λ_⊥ и .

Примеры определения главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости пород по предлагаемому способу.

Ниже приведены примеры определения главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости горных пород, по профилям кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения главных осей тензора теплопроводности при различных соотношениях главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости, и углов оптического сканирования и залегания слоев образца керна.

Известно, что угол залегания слоев μ=68°, а угол оптического сканирования ξ=82°. После проведения оптического сканирования по спирали был получен профиль кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения, приведенный на Фиг. 1.

В данном случае для определения главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна, запишем систему из двух уравнений для кажущейся теплопроводности при углах поворота образца керна относительно начального положения на 90° и 270°:

Подставив в уравнения (1.1-1.2) известные значения ξ и μ найдем следующие главные значения тензора теплопроводности: =4,1 Вт/(м⋅К), λ_⊥=2,3 Вт/(м⋅К).

Еще один пример реализации представляет собой следующее. Известно, что угол залегания слоев μ=68°, а угол оптического сканирования ξ=60°. После проведения оптического сканирования по спирали был получен профиль кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения, приведенный на Фиг. 2.

В данном случае для нахождения главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна, запишем систему из двух уравнений для кажущейся теплопроводности при углах поворота образца керна относительно начального положения на 90° и 270°:

Подставив в уравнения (1.3-1.4) известные значения ξ и μ найдем следующие главные значения тензора теплопроводности: =3,2 Вт/(м⋅К), λ_⊥=4,4 Вт/(м⋅К).

Еще один пример реализации представляет собой следующее. Известно, что угол залегания слоев μ=60°, а угол оптического сканирования ξ=90°, т.е. оптическое сканирование осуществляется по окружности. После проведения оптического сканирования по окружности был получен профиль кажущейся теплопроводности в зависимости от угла поворота образца керна относительно начального положения, приведенный на Фиг. 3.

Для определения главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна, запишем систему из двух уравнений для кажущейся теплопроводности при углах поворота образца керна относительно начального положения на 90° и 180°:

Подставив в уравнения (1.5-1.6) известные значения ξ и μ найдем следующие главные значения тензора теплопроводности: =4,1 Вт/(м⋅К), λ_⊥=2,3 Вт/(м⋅К).

В качестве примера реализации способа определения главных значений тензора теплопроводности образца керна были выполнены измерения теплопроводности на полноразмерном образце керна горных пород. Диаметр образца керна составлял 100 мм, длина 23 см, угол залегания слоев μ составлял 79°, угол оптического сканирования ξ составлял 70°. В качестве источника нагрева применяли диодный лазер фирмы "МИЛОН лазер" марки Puma 970 с длиной волны 970 нм, инфракрасные радиометры фирмы "ТИМОЛ" серии КМ с фокусным расстоянием 5 мм и частотой регистрации температуры 50 Гц. Расстояния между центром локальной области нагрева и центрами областей регистрации температур инфракрасными датчиками температуры составляли 20 мм. Образец керна был установлен на систему роликов так, чтобы центр окружности, вдоль которой перемещаются инфракрасные датчики температуры, лежал на оси керна в течение оптического сканирования, расстояние между осями валов составило 80 мм, далее было зафиксировано начальное положение главных осей тензора теплопроводности. Скорость вращения образца керна вокруг своей оси составляла 5,4°/с, скорость движения источника локального нагрева и инфракрасных датчиков температуры вдоль оси образца керна составляла 1,7 мм/с, т.е. скорость оптического сканирования вдоль траектории спирали составляла 5 мм/с. В ходе измерений регистрировались сигналы температурных датчиков и записывался профиль кажущейся теплопроводности с шагом 1 мм в зависимости от угла поворота образца керна вокруг своей оси относительно начального положения. Полученный профиль был разбит на участки, соответствующие одному обороту образца керна вокруг своей оси. По полученному профилю для каждого участка были определены экстремальные значения кажущейся теплопроводности и соответствующие им углы, записаны уравнения и определены главные значения тензора теплопроводности, соответствующие направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна. Были получены следующие главные значения тензора теплопроводности: =3,2 Вт/(м⋅К), λ_⊥=2,6 Вт/(м⋅К).

Изобретение относится к области исследования теплофизических свойств горных пород, а именно - теплопроводности, коэффициента анизотропии теплопроводности и степени тепловой неоднородности пород, определяемых на образце керна, извлекаемого из скважин при их бурении в горных массивах и представляющего собой цилиндрический образец твердого тела, обладающий одноосной анизотропией. Техническим результатом заявленного изобретения является определение главных значений тензора теплопроводности, соответствующих направлениям вдоль и перпендикулярно плоскости слоистости образца керна, путем оптического сканирования по спирали, по окружности или вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна без его распиливания, регистрация изменений тензора теплопроводности образца керна, фиксация изменений свойств образцов керна со временем, начиная с момента их выбуривания, определение содержания органического углерода в образцах баженовской свиты по установленным корреляциям содержания органического углерода с теплопроводностью. Способ определения теплопроводности образца керна заключается в нагреве цилиндрической поверхности образца керна в локальной области, движущейся с постоянной скоростью относительно образца керна по спирали, по окружности или вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна, и регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на двух локальных областях поверхности, расположенных вдоль линии движения области локального нагрева относительно образца керна, одна из которых расположена перед областью локального нагрева, а другая - позади области локального нагрева. При этом для определения главных значений тензора теплопроводности образца керна, у которого одна главная ось тензора теплопроводности ориентирована перпендикулярно плоскости слоистости, а две другие оси лежат в плоскости слоистости и их главные значения тензора теплопроводности одинаковы, обеспечивают движение относительно образца керна области локального нагрева и областей регистрации температур поверхности образца керна по спирали, по окружности или вдоль образующей цилиндрической поверхности образца керна, при этом перед началом измерений определяют направления главных осей тензора теплопроводности образца керна, затем задают угол направления движения области локального нагрева и областей регистрации температур относительно оси образца керна, а после завершения нагрева цилиндрической поверхности образца керна в локальной области и регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на двух локальных областях поверхности определяют главные значения тензора теплопроводности образца керна. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ определения теплопроводности образца керна, заключающийся в нагреве цилиндрической поверхности образца керна в локальной области и регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на двух локальных областях поверхности, расположенных вдоль линии движения области локального нагрева относительно образца керна, одна из которых расположена перед областью локального нагрева, а другая - позади области локального нагрева, отличающийся тем, что с целью определения главных значений тензора теплопроводности образца керна, у которого одна главная ось тензора теплопроводности ориентирована перпендикулярно плоскости слоистости, а две другие оси лежат в плоскости слоистости и их главные значения тензора теплопроводности одинаковы,

- обеспечивают движение области локального нагрева относительно оси образца керна и движение областей регистрации температуры поверхности образца керна по спирали или по окружности на цилиндрической поверхности образца керна вдоль его оси,

- при этом перед началом измерений определяют направления главных осей тензора теплопроводности образца керна,

- задают угол направления движения области локального нагрева и областей регистрации температуры относительно оси образца керна, причем область локального нагрева и области регистрации температуры перемещаются вдоль оси образца керна одновременно с постоянной скоростью,

- после завершения нагрева цилиндрической поверхности образца керна в локальной области и регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на двух локальных областях поверхности определяют главные значения тензора теплопроводности образца керна.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют регистрацию температуры образца керна вдоль его образующей цилиндрической поверхности.

3. Устройство для определения теплопроводности образца керна по п. 1, содержащее источник локального нагрева цилиндрической поверхности образца керна, два датчика температуры, выполненные с возможностью регистрации температуры цилиндрической поверхности образца керна на областях поверхности образца керна, при этом один из датчиков расположен перед источником локального нагрева, а другой позади источника локального нагрева, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит:

- узел крепления держателей датчиков температуры и источника локального нагрева;

- держатель первого датчика температуры с узлом перемещения указанного датчика относительно источника локального нагрева, закрепленный на узле крепления,

- держатель второго датчика температуры с узлом перемещения указанного датчика относительно источника локального нагрева, закрепленный на узле крепления,

- держатель источника локального нагрева с узлом его перемещения вдоль оси образца керна относительно датчиков температуры, закрепленный на узле крепления,

- узел перемещения первого датчика температуры вдоль оси образца керна относительно второго датчика температуры, закрепленный на узле крепления,

- систему роликов в виде двух валов с множеством резиновых опорных колец, выполненных с возможностью вращения образца керна относительно его продольной оси, при этом валы закреплены в держателях валов, выполненных с возможностью изменения расстояния между осями валов в направлении, перпендикулярном продольной оси образца керна,

- причем источник нагрева выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси образца керна относительно датчиков температуры,

- при этом датчики температуры выполнены с возможностью возвратно-поступательного перемещения по спирали или окружности на цилиндрической поверхности образца керна вдоль его оси относительно источника нагрева,

- причем первый датчик температуры выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения вдоль оси образца керна относительно второго датчика температуры, а источник локального нагрева и датчики температуры выполнены с возможностью одновременного перемещения вдоль оси образца керна с постоянной скоростью.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что источник локального нагрева расположен сверху образца керна.

5. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что источник локального нагрева расположен снизу образца керна.