Устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине Советский патент 1982 года по МПК G01N25/18 

I

Изобретение относится к определению теплофизических свойств веществ и может быть использовано в практике геофиз1Ических работ для определения теплопроводности и других тепловых параметров горных пород (температуры разреза, геотермического градиента, плотности теплового потока) непосредственно в скважине, а также при решении задач по расчету условий теплообмена в эксплуатирующихся нефтегазовых и водных ск жинах, вентилирующихся шахтах по расчленению разрезов скважин и т.п.

Известно устройство для определения теплопроводности горных пород, представляющее собой электрический нагреватель с вмонтированным датчиком температуры. Устройство опускают в скважину на требуемую глубина и осуществляют с помощью электронагревателя разогрев горных пород. Процесс нагрева длится от нескольких десятков до нескольких сотен минут. После отключения электронагревателя по показаниям датчика температуры определяют время восстановления температурного режима скважины, которое также может достигать 200-300 мин, а затем по расчетной формуле вычисляют коэффициент теплопроводности П1.

Недостатком этого устройства является необходимость в мощных источниках электрического тока, в наборе зон10дов разных размеров для проведения измерений в скважинах различных диам тров, так как условие обеспечения надежного тепл ового контакта зонда со стенками скважины является основопо15лагающим. Кроме того, большая продолжительность эксперимента из-за необходимости сначала прогреть околоскважинное пространство, а затем ожидать восстановления температурного режима;

20 низкая точность определения теплопроводности горной породы в массиве из-за невозможности обеспечить и проконтролировать надежный тепловой контакт между зондом и стенками скважины вследствие их неровностей,.трещин, ка верн и т,По из-за нарушения термодинамического состояния массива в силу длительного прогревания мощным электрическим нагревателем. Кроме того, устройство, позволяет определить, кроме коэффициента теплопроводности, еще только значение температуры (до момента включения нагревателя). , Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине, содержащее корпус с установленным в нем датчиком температуры подключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважине, а корпус представляет собой резиновый надувной баллон, в который завулканизированы электрический нагреватель постоянной мощности и теплочувствительный элемент. Теплочувствительный элемент представляет собой термоэлектрическую ( медь-константановую) батарею, рабочие спаи которой равномерно распределены по поверхности резинового баллона, а холодные спаи, играющие роль реперных, соединены вместе и вынесены за пределы корпуса на 0,5 м ниже его. Устройство опускают Q скважину, обязательно необсаженную , на заданную глубину При помощи насоса в баллон нагиетаю-t воздух для обеспечения прилегания поверхнос ти устройства к стенкам скважины, включают нагреватель и одновременно начинают регистрировать показания теп лочувствительного элемента. Этим фик сируется ход изменения во времени раз ности температур поверхности зонда, т.е. температуры поверхности горного массива, и температуры скважинного наполнителя на расстоянии 0,5 м ниже зонда. Эксперимент длится 3-5 ч. По результатам измерений строится график, при помощи которого определяется темп нагрева или охлаждения горного массива, величина которого позволяет найти коэффициент теплопровод ности с погрешностью не менее }2% 2 Однако устройство имеет низкую то ность определения коэффициента тепло проводности горных пород в массиве скважины нарушения термодинамического состояния массива в силу Необсаженная скважина - это скважина, в KOTOpjiTO не опущена колонна металлических обсадных труб. длительного прогревания посторонним источником тепла, большую продолжи.тельность и трудоемкость эксперимента из-за необходимости нагнетать воздух в устройство прогревать околоскважинное пространство и ожидать восстановления стационарного теплового состояния. Кроме того, устройство неприменимо для работы в обсаиенных скважинах из-за присутствия в них колонны металлических обсадных труб и в скважинах, глубина которых превышает 20 м. Другими недостатками устройства яются.необходимость мощного источника .электрического тока для питания электронагревателя и компрессора с системой соединительных вакуумных шлангов для нагнетания возДУ а в резиновый баллон, а также неприменимость устройства для определения каких-либо еще тепловых параметров горного массива. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет одновременного измерения нескольких парамет ров в условиях ненарушенного термодинамического состояния горных пород в сква жине. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента теплопроводности горных пород в скважине, содержащем корпус с укрепленным в нем датчиком температуры, подключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважины, дополнительно введены датчик температуры, датчик теплового потока с заданной теплопроводностью и электронный блок, смонтированные в верхней части корпуса устройства , причем датчики температуры, датчик теплового потока и электронный блок расположены по оси корпуса устройства, при этом датчики температуры установлены симметрично по разные стороны от датчика теплового потока таким образом, что отношение расстояния между датчиками температуры к длине датчика теплового потока составляет от 20 до 200. Кроме того, электронный блок содержит два идентичных автогенератора , к входам которого подключены оба датчика температуры, опорный генератор, распределительный ключ, смеситель сигналов, блок согласования, ключ управления и коммутатор, причем выходы двух идентичных автогенераторов и опорного генератора через распределительный ключ подсоединены к входу смесителя сигналов, выход которого через блок согласования присоединен к одному из входов ключа управ- 5 ления,к двум другим входам которого подключены выходы датчика теплового потока, а коммутатор подсоединен к распределительному ключу и ключу управления. На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства; на фиг. 2 структурная схема электронного блока Устройство состоит из трех основных узлов: термоградиентомера, датчика теплового потока и электронного блока, размещенных в корпусе устройства, выполненным дЛя удобства монта жа разборным из пяти последовательно соединенных кожухов, например, с помощью винтового и резьбового соединений. Термоградиентометр, предназначенный дЛя измерения геотермического гр диента в скважине, включает в себя нижний 1 и верхний 2 датчики температуры. В кйчестве датчиков температуры использованы малогабаритные тер мозависимые кварцевые резонаторы с рабочей частотой 28 МГц и температур ным коэффициентом частоты 1000 ГЦ/К (ТКР 1 и ТКР г. Оба эти датчика по мещены в выфрезерованные под их размер гнезда в металлических контейнерах 3 и 4, первый из которых расположен в охранном кожухе 5, а второй в охранном кожухе 6. Дatчик 7 теплового потока с известной теплопроводностью, предназначенный для измерения плотности теп лового потока через эталонный образец, функцию которого он же исполняет, представляет собой термоэлектрическую батарею, выполненную в виде плоского диска со сквозным отверстием по центру. Датчик 7 теплового потока укреплен в стакане 8, установ ленном в кожухе 9, к которому с двух торцов посредством резьбового соединения присоединены охранные кожухи 5 и 6. Электронный прибор 10 прибора, предназначенный для коммутации и обработки выходных сигналов измеритель ных датчиков 1, 2 и 7 помещен в гер метичном кожухе 11, сочлененном со вторым торцом кожуха 6 посредством винтов. Второй торец герметичного кожуха 11 сочленен при помощи резьбового соединения с кожухом 12 стандартного кабельного наконечника 13. Металлические контейнеры 3 и с датчиками 1 и 2 температуры стакан 8 С датчиком 7 теплового потока и электронный блок, 10 установлены по оси корпуса устройства и закреплены каждый в своем кожухе при помощи тонких трубок It. Через полость этих трубок выведены провода от измерительных датчиков 1, 2 и 7 к вилке 15 разъема, предназначенного для соединения их с электронным узлом 10. Контейнеры 3 и 4, стакан 8 и герметичный кожух 12, где размещен электронный узел 10, загерметизированы . при помощи резиновых прокладок и специальных заглушек. В охранных кожухах 5 и 6 выфрезерованы окна 16 для свободного доступа наполнителя скважины к металлическим контейнерам с датчиками 1 и 2. С той же целью свободный торец охранного кожуха 5 выполнен в виде полого конусного наконечника с отверстием. Электронный узел 10 (см.фиг.2) включает два идентичных автогенератора 17 и 18, опорный генератор 19 с термокомпенсацией, электронный распределительный ключ 20, смеситель 21 сигналов, согласующий выходной блок 22 ключ 23 управления и блок коммутз ции. Электронный блок 10 через кабель соединен со вторичной аппаратурой 25 установленной у устья скважины. Устройство работает следующим образом. После опускания устройства на кабель-тросе в скважину с наполнителем через некоторый промежуток времени, соответствующий восстановлению стационарного состояния в скважине, при помощи вторичной аппаратуры, установленной у устья скважины, производят регистрацию сигналов, поступающих по кабелю, и определяют указанным способом коэффициент теплопроводности горных пород, и другие тепловые параметры (плотность теплового пото- КЗ, геотермический градиент и температуру) . Электронный блок во время измерений функционирует следующим образом. При измерении температуры нижним или верхним датчиком на вход смесителя 21 сигналов поступают сигналы вы79соксй частоты (около 28 МГц) от иден автогенераторов 17 или 18 и вы сокостабильного опорного кварцевого генератора 19 с термокомпенсацией че рез электронный распределительный ключ 20. В смесителе 21 сигналов происходит алгебраическое вычитание частот и на его выход поступает низкочастотный сигнал пропорциональный замеренным температурам в двух скважины. По такой же схеме измеряется и разность этих температур, тол ко в этом случае на вход смесителя сигналов поступают сигналы одновременно от двух идентичных автогенераторов 17 и 18 и вычитаются один из другого, с выхода смесителя низкочас тотный сигнал поступает на вход блока 22 согласования, который предназначен для согласования выходного сопротивле ния смесителя сигналов с входным сопротивлением кабеля. Выход блока 22 согласования присоединен к одному из входов ключа 23 управления с двумя другими входами которого соединены выходы датчика теплового потока. Сигналы с ключа 23 управления по двум жилам кабеля поступают на вход вторичной аппаратуры 25. По третьей жиле кабеля производится питание электронной схемы устройства и одновременно через блок управления осуществляется уп.рй вле;:ие блоком 2k коммутации. Термоградиентомерв устройстве выполнен на базе 1 м, т.е. датчики тем пературы расположены в устройстве в разных частях таким образом, что ока зываются в скважине в двух сечениях, расстояние между которыми 1 м. Ввиду этого их разностный сигнал соответствует перепаду температур в скважи не на длине 1 м, т.е. равен геотермическому градиенту. Выбор базы в ко кретном устройстве определен условиями измерения и конструктивными осоэенностями. о Взаимное расположение электронного узла, датчиков температур и дат чика теплового потока в корпусе устройства, как показывают результаты теоретического расчета и моделирования, определяются энергией рассеивания электронным узлом и отношением расстояния между датчиками температур к длине датчика теплового потока Влияние датчиков друг на друга и неоднородностей геологического разреза 5 : 8 в скважине на результаты измерений исключается, если указанное отношение находится в пределах от 20 до 200. Электронный узел располагается над верхним датчиком температуры на расстоянии, при котором его влияние на .показания датчиков не сказывается. Предлагаемое устройство для определения коэффициента теплопроводности горных пород в скважинах приводит к повышению точности измерений примерно на 5-7 за счет сохранения термодинамического состояния горного массива скважины без нарушений и благодаря оригинальным конструктивным особенностям устройства, а именно во время измерений термодинамические условия залегания пород не нарушены, поскольку исключены искусственные нагрев и охлаждение массива и исключены погрешности из-за несоответствия диаметра скважины размерам скважинного зонда, а также несоблюдения теплового контакта вводимого образца со стенками скважины. Измерение геотермического градиента и плотности теплового потока производится с высокой точностью, что позволяет определять коэффициенты теплопроводности горных пород в скважине с погрешностью не хуже 6%. Формула изобретения 1. Устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине, содержащем Корпус с установленным в нем датчиком температуры, подключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважины, отличающееся тем, что с целью повышения точности за счет одновременного измерения нескольких параметров в условиях ненарушенного термодинамического состояния горных пород в скважине, в устройство дополнительно введены датчик температуры, датчик теплового потока с заданной теплопроводностью и электронный блок, смонтированные в верхней части корпуса устройства, причем датчики температуры, датчик теплового потока и электтронный блок расположены по оси корпуса устройства, при этом датчики температуры установлены симметрично по разные стороны от датчика теплового потока аким образом, что отношение

расстояния между датчиками температуры к длине датчика теплового потока составляет от 20 до 200.

2. Устройство по п.1, о т л и чающееся тем, что электронный блок содержит два идентичных автогенератора, к входам которого подключены оба датчика температуры, опорный генератор,распределительный ключ, смеситель сигналов, блок coi- ласования, ключ управления и коммутатор, причем выходы двух идентичных автогенераторов и опорного генератора через распределительный ключ подсоединены к входу смесителя сигналов, выход которого через блок согласования присоединен к одному из входов ключа управления, к двум

другим входам которого подключены выходы датчика теплового потока, а коммутатор подсоединен к распределительному ключу и ключу управления.

I Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Beck А.Е., Anglln F.H., Sass J.H Analysis of Heat Flow. Data-lnsitu

Thermal Conductjvlty Measurements.CanadJen Journal of Eart Sclencfs, vol. 8., Ы i; 1971, p.1-19.

2.Филиппов П. И. К методике опред,еления теплофизических свойств.

горных пород в буровых скважинах. В сб. Тепловые процессы в мерзлых породах. М., Наука, 196, с. 178-181 (прототип).