Способ определения теплопроводности горных пород Советский патент 1980 года по МПК G01N25/18 

1

Изобретение относится к области определения теплофизических средств и может быть использовано в практике, геофизических работ для определения коэффициента теплопроводности горны; 5 пород в условиях их естественного залегания.

В настоящее время известно много способов определения теплопроводности горных пород в лабораторных условиях,О сущность которых сводится к тому, что предварительно из скважины отбирается .порода(керн),из нее готовится образец определенных размеров и геометрии,ко-, торый затем подвергается испытаниям 15 на лабораторной установке ij . При этом происходит нарушение структуры породы, ее влажности, термодинамических условий. Значительные искажения вносятся также при механической обра-20 ботке образцов и введения в них измерительных датчиков.

Ближайшим к изобретению является способ измерения теплопроводности горных пород -в скважине, в условиях 25 естественного залегания, который заключается в том, что в скважину, плотно прижимая ее к стенкам, внедряют цилиндрический зонд, представляющий .собой электрический нагреватель с 30

2..

вмонтированным датчиком температуры 2. После внедрения зонда в скважину включают электронагреватель и осуществляют, таким образом, разогрев массива горных пород. Процесс нагрева околоскважинного пространства длится от . нескольких десятков до нескольких сотен минут. После отключения нагревателя фиксируют время восстановления температурного режима скважины, которое также может длиться 250-300 минут, и определяют по расчетной формуле коэффициент теплопроводности породы.

Основным недостатком этого способа является: низкая точность определения теплопроводности горной породы в массиве из-за невозможности обеспечить и проконтролировать надежный :Тепловой контакт между зондом и стенками скважины из-за их неровностей, трещин, каверн и т.п., из-за нарушения термодинамического состояния массива в силу длительного прогревания мощным электрическим нагревателем; большая продолжительность эксперимента из-за необходимос:ти сначала прогреть околоскважинное пространство, а затем ожидать восстановления температурного режима. К другим недостаткам указанного способа относятся необходимость в мощных источниках электрического тока, а также в наборе зондов разных размеров для проведения измерений в скважинах различных диаметров. Целью изобретения является повыйение точности определения теплопроводности горной породы в условиях ес тественного залегания без нарушения термодинамического состояния массива с одновременным сокращением времени измерений. Поставленная цель достигается тем что измеряют естественный геометрический градиент в скважине, а затем опускают в скважину эталон с известной теплопроводностью, являющийся од новременно тепломером, которым измеряют плотность теплового потока, по величине последнего вычисляют значе ние градиента температуры вдоль тепл мера, и далее по отношению полученных значений естественного геометрического градиента и градиента температуры вдоль тепломера, используя градуировочную кривую, определяют ве личину отношения теплопроводности горной породы в кважине к теплопроводности тепломера, а далее по полученным данным рассчитывают искомую величину теплопроводности горной породы . При введении в скважину тела конечных размеров, которым является тепломер, поле изотерм в скважине перестраивается в зависимости от соотношения теплопроводностей породы околоскважинного пространства и введенного в скважину образца. На фиг. 1 представлены температур ные поля: а - до введения в скважину образца, б, в, г - после введения; на фиг. 2 - график отношения N градиентов (естественного геотермическо го и вдоль тепломера ) для различных значений отношения L теплопроводностей (горной породы f и тепломера А-) Случай а характеризуется определенным уста 1овившемся температурным полем, которое при внедрений в сква жину постороннего тела изменяется, при этом, если теплопроводность внед ренного образца равна теплопроводно ти породы скважины, температурное п ле скважины в стационарном состояни сохраняется прежним (фиг. 1б), то есть геотермический градиент и темп ратурный градиент вдоль образца оди наковы, В противном случае поле изо терм перестраивается: изотермы разр жаются в образце, если его теплопро водность больше,чем в окружающем массиве горных пород (фиг. 1в), и, наоборот, сгущаются, если теплопроводность его меньше (фиг. 1г). Таки образом, присутствие в скважине тел конечных размеров, не изменяя геоте мического градиента в окружающем массиве горных пород (.фиг. 1в,г, зона 1) изменяет градиент температуры в месте расположения введенного образца (фиг. 1в,г, зона II). При этом отноше-. ние градиентов обратно пропорционально отношению теплопроводностей обеих зон. Значит, измерение естественного геотермического градиента и температурного градиента вдоль введенного в скважину тепломера, являющегося одновременно образцом с известной теплопроводностью приводит к новому способу определения теплопроводности горных пород в условиях их естественного залегания без нарушения термодинамического состояния. Дпя практического осуществления этого способа предварительно (аналитически или по результатам моделирования) строится график (фиг. 2) изменения отношения N указанных градиентов (естественного геотермического f, и вдоль тепломера J-r) для различных значений отношения L теплопроводностей (горной породы Л V-п. и тепломера Д.) . В исследуемую скважину на одну и ту же глубину последовательно поме- . щают градиентомер, которым измеряют естественный геотермический градиент jiT и тепломер, которым измеряют плотность теплового потока q в скважине. Эффективная теплопроводность тепломера Д определяется заранее, что позволяет использовать его в качестве эталона. По найденному значению плотности теплового потока и известному значению теплопроводности тепломера вычисляют градиент температуры вдоль тепломера Ст по формуле УТ Далее при помощи градуировочной кривой, представленной на фиг.2 по величине отношения значений градиентов (естественного геометрического и вдоль тепломера) N Jfr/ST находят соответствующее значение L отношения теплопроводностей и, наконец, искомую величину теплопроводности горной породы в скважине я г.п рассчитывают по формуле Я г.п. HT L Предлагаемый способ определения теплопроводности горных пород приводит к увеличению точности и сокращению времени измерений. Формула изобретения Способ определения теплопроводности горных пород в условиях естественного залегания, основанный на применении опускаемого в скважину зонда с последующим измерением параметров теплового стационарного состояния в скважине и вычислением теплопроводности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и сокращения времени измерений, измеряют естественный геометрический градиент в скважине, а затем

Опускают в скважину эталон с известной теплопроводностью, являющийся одновременно тепломером, которым измеряют плотность теплового потока, по величине последнего вычисляют значение градиента температуры вдоль тепломера и далее по отношению полученных значений естественного геотермического градиента и градиента температуры вдоль тепломера, используя градуировочную кривую, определяют отношение теплопроводности горной породы в скважине к теплопроводности тепломера, а по полученным данным

рассчитывают искомуто величину теплопроводности горной породы.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе - 1. Дзидзигури А.А, и др. Теплофизические характеристики горных пород и методы их определения. Тбилиси, еи,ниереьа, 1966, с. 1-228.

2.Beck А-.Е, ГЛА..6аз5 J.H. Analysis o Q{ Heat {Bou DQta- n situ Therrnat Conductivity Measupements-Canadian Journat o{ Earf 5cinees,vQE,9.N«i,i97,(прототип).

У / /

/7/

7/

HU I

-ZZI

/ //

/ //

/ //

/

/ //

/ / /

//7

TTV

////

zzz