Устройство для определения теплофизических характеристик горных пород в условиях естественного залегания Советский патент 1992 года по МПК G01N25/18 

Изобретение относится к устройствам для определения теплофизических характеристик 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 естестeeHHord залегания с помощью плоского зонда постоянной мощности нагрева.

Устройство включает плоский нагреватель, расположенный между теплоизолятором и тепловыравнивающей пластиной, термопару, установленную на поверхности этой плартины. Определение теплофизических характеристик пород осуществляют путем установки плоского зонда на исследуемом образце породы, последующего нагрева этого образца и фиксации изменения температуры на границе тепловыравнивающей п;1астины и породы с помощью термопары.

Известное устройство имеет ряд недостатков, ограничивающих возможность его широкогр использования. Так, одним из основнмхтре бований работы устройства является нэрбхадимость обеспечения Идеального термического контакта между нагревате|лем и исследуемым образцом. Такое условие трудно выполнимо при определении теплофизических характеристик горных пород в условиях естественного залеганця (например, при определении в буря1р1хся скважинах). Кроме того, данное устройство возможно использовать для определения теплофизических характеристик

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. п., температурное поле которых а 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 недостатко является ограничение диапазона исследований за один цикл измерений (нагреаа пород), так как в процессе измерений возможно определение только одной теплофизической характеристики - коэффициента теплопроводности.

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

Поставленная цель достигается тем, что устройство для определения тепдофизических характеристик горных пород а условиях естественного залегания, содержащее плоский нагреватель, установленный между тепяоизояятором и теплоеыравимвающей 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 зомда с возможностью его перемещения вдоль оси нагревателя позволяет датчики температуры вво/м/1ть в исследуемые области пород.

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

Выполнение цилиндрического зонда и термопары из Материала, имеющего температуропроводность ниже температуропроводностм горных пород, позволяет уменьшить погрешность при исследовании.

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 теплоизолятором 4 и тепловыравнивающей пластиной 5, температура которой фиксируется с помощыр датчика 6. Внутри нагревателя в отверстии 3 установлен подвижный зонд 7 с возможностью его перемещения вдоль продольной оси 8 нагревателя 2. Зонд снабжен датчиками 9 и 10 температуры, один из которых (9) установлен на конце зонда, а другой (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 злементом, 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 за пределы одномерного распространения темг ературного поля от нагревателя 2. Например, для круглого нагревателя это условие выполняется при Г2 1/5D, где rz - расстояние от нагревателя (забоя скважины) до датчика 9 температуры; D - диаметр нагревателя.

ближайший подвижный датчик 10 температуры устанавяивают на расстоянии rt от нагревателя (забоя) скважины между датчиком 9 и тепловыравнивающей пластиной.

Перед началом нагрева породы проверяют условие однородности и ненарушенности естественного тепло.вого поля в исследуемой породе путем сравнения температуры в датчиках 9 и 10, значения которых должны быть одинаковыми и соответствовать естественной температуре пород. 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 (температура закипания водь), так как кипе ние воды при нагреве породы не допускается из-за наличия в этом случае фазового перехода вода-пар в породе, что не позволяет применять 45асчетную схему. Далее ведут нагрев породы до момента времени Гк (фиг, 2), пока в да-тчике 9 температуры не достигает заданной температуры tK , например , 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 температуркого поля в породе опис ывается следующей системой уравнений atT Э1м , -jr- ам ---5 дх Граничные условия при этом tc const. Условие (3) означает, что нагреватель обеспечивает постоянную температуру на рабочей поверхйости в процессе оттаивания породы tr Тм to При X h Условие Стефана 1 /OtM ( (-дк) LQ 45 5Q 55 где tr - температура талых пород. К; tM - температура мерзлых пород. К; г-время, с; ат и ам - соответственно температуропроводность талых и мерзлых пород (а- - Л/Ср-/э) X - координата точки измерения, отсчитываемая от поверхности источника тепла, to - температура оттаивания порового льда в породе. К (для чистой воды принимают Юг tc - температура рабочей поверхности нагревателя на контакте с грунтом. К, h-радиус оттаивания (границы фазового перехода лед-вода) в породе от поверхности нагревателя, м: AT и Ям - соответственно теплопроводность талых и мерзлых пород, Вт/(м К); L - удельная теплота плавления льда, содержащегося в порах, Дж/кг; Q - количество льда в единице объема (льдистость), к.г/м. Решая приведенную систему уравнений (1)-(5) методом Швеца и используя при этом нулевое и первое приближение, получают уравнение, описывающее изменение температуры пород в талой части (-о) ° к.а,.е (е) ЧМ7-617)- обозначения прежние. Преобразуя (6), получаютdh (tc-to)( -х) PJ 6h2(tT-tc)(lo-tc) Результаты измерения зависимостей изменения температуры (T) в точках 9 и 10 отображают графически в системе координат, откладывая по оси абсцисс время г, а по оси ординат - температуру а датчиках 9 и 10. При атом получают кривые нагрева, общий вид которых для мерзлых пород представлен на фиг, 2, По кривым нагрева определяют следующие параметры для определения фазового состояния и температуропроводности пород:-1с - 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 нагрева, вплоть до нулевого значения а местах расположения датчиков9 и 10-участки б-в и а-е на кривых нагрева (фиг. 2); tr температуру талой породы на 10, ближайшем, датчике в момент времени ты, соответствующий окончанию Оттаивания пород в месте расположения 9 датчика (определяется по увеличению скЬрОстИ нагрева на кривой 2, точка ii. По этим параметрам определяют фазо вое состояние и темпёра1гуропроёодность пород ат по следующим условиям; 11ри породы находятся в мерзлом состоянии (присутствует лед); при to tc 0°е породы находятся в охлажденном состояний; при tc 0°С породы находятся в талом состоя НИИ. / ...; , .,-,-.:. ,: V Определяют темгюратуро проводность талых пород ат по ф рмуле(. в которую подставляют значения Параметров, полученных в процессе нагрева образца fr2-ft)){r1-fi -п) (trh2-rhi)(tr-tc)-(to-tc) :; :-./:, :;/,: м где п - расстояние от нагревателя до точки 10, м;- ::.-... ;:;::/.-: :-, . |%-расстояние от нагревателя до точки 7 (измерения, м; tc - температура стенки нагревателя, постоянная в ftpouecce нагрева. К, xht момент времени с начала нагрева, в который 6 точке 10 Заканчивается ОттаиваHtfenopoyBl (точка ё )й tii2 момент времейи с начала нагрева, в KOTOpfafft в т(йке 9 зак зичиваетСя оттаивание Пород (точка fi на «фивой нагрева а-г). Кроме Tioro, при определейии известным сг1особом, например, по керну скважины, отобранному с забоя скважины, характеристик грунтов: Ст - теплоемкости талых пород; - объемной массы пород; Lудельной теплоты плавления льда в порах породы, можно определить аффективную теплопроводность талых (т) и мерзлых (С) пород по формулам Ат ат ст Л Вт/(м К ) (9) rz-n)(L 7h2 (tc-to) L-() (Th2-Tht}(tc-to) Ч.Я,.Вт/(м;К) Формул a 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, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения достоверности определения теплофйзических характеристик, онр допол-: нительно содержит цилиндрический зонд с возможностью его перемещения по оси нагревателя, при этом внутри зонда размещен датчик температурь, перемещающийся по оси зонда, , 2.Устройство По п. 1, о т л и ч а Ю щ е е с я тем, что зонд выполнен из материала с температуропроводностью меньше температуропроводности исследуемых горных пород. 3.Устройство по п, 1, о т л и ч а ю щ е е с я Тем, что, с целью расширения области исследования, зонд дополнительно содержит датчик температуры, закрепленный на его конце.

и