RU2334977C2 - Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores - Google Patents

Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores Download PDF

Info

Publication number
RU2334977C2
RU2334977C2 RU2006121332/28A RU2006121332A RU2334977C2 RU 2334977 C2 RU2334977 C2 RU 2334977C2 RU 2006121332/28 A RU2006121332/28 A RU 2006121332/28A RU 2006121332 A RU2006121332 A RU 2006121332A RU 2334977 C2 RU2334977 C2 RU 2334977C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sample
temperature
time
heat source
dependence
Prior art date
Application number
RU2006121332/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2006121332A (en
Inventor
Рев Иванович Гаврильев (RU)
Рев Иванович Гаврильев
Original Assignee
Институт мерзлотоведения СО РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт мерзлотоведения СО РАН filed Critical Институт мерзлотоведения СО РАН
Priority to RU2006121332/28A priority Critical patent/RU2334977C2/en
Publication of RU2006121332A publication Critical patent/RU2006121332A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2334977C2 publication Critical patent/RU2334977C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention is related to the field of thermalphysic measurements. Substance of invention consists in the fact that rock sample from well core with smoothly polished end surface and sufficiently large length is exposed to local heating with permanent power source in the form of circle and values of its average integral excessive temperature that change in time are registered. As soon as permanent rate of temperature change is achieved depending on time in degree "plus 0.5", thermalphysic properties of sample are determined.
EFFECT: exclusion of measurement errors, which are provided by distortion of sample temperature field due to finiteness of its diameter.
3 dwg

Description

Изобретение относится к тепловым испытаниям, а именно к способам неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов.The invention relates to thermal testing, and in particular to methods of non-destructive testing of the thermophysical properties of materials.

Известен способ определения теплопроводности и температуропроводности, состоящий в том, что подводят постоянный тепловой поток к поверхности образца, полубесконечного в тепловом отношении, в виде пятна контакта в форме круга определенного диаметра и регистрируют изменение температуры во времени в начальной стадии нагрева (А.с. СССР N458753, G01N 25/18, 1975, БИ N4, 1975). Однако при этом возникают погрешности из-за неучета теплоемкости нагревателя.A known method for determining thermal conductivity and thermal diffusivity is that a constant heat flux is brought to the surface of a sample that is semi-infinite in heat terms in the form of a contact spot in the form of a circle of a certain diameter and a temperature change is recorded over time in the initial stage of heating (A.S. USSR N458753, G01N 25/18, 1975, BI N4, 1975). However, errors arise due to the neglect of the heat capacity of the heater.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения теплофизических свойств при подобной схеме расположения источника тепла на поверхности образца, в котором используются закономерности установившегося режима линейной зависимости температуры от времени в степени минус 0,5, наступающего через промежуток времени

Figure 00000002
(r0 - радиус источника мощности, α - температуропроводность испытуемого тела) после начала действия источника тепла, что существенно уменьшает погрешность за счет теплоемкости источника тепла (Гаврильев Р.И., Никифоров И.Д. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушения естественной структуры. ИФЖ, 1983, т.45, №6, с.1023-1024).The closest technical solution, selected as a prototype, is a method for determining the thermophysical properties with a similar arrangement of the heat source on the surface of the sample, which uses the laws of the steady state linear dependence of temperature on time to the degree of minus 0.5, occurring after a period of time
Figure 00000002
(r 0 is the radius of the power source, α is the thermal diffusivity of the test body) after the onset of the action of the heat source, which significantly reduces the error due to the heat capacity of the heat source (Gavriliev R.I., Nikiforov I.D. Method for determining the thermophysical properties of a rock mass without disturbing the natural structure.IFZh, 1983, t.45, No. 6, p.1023-1024).

Однако применение вышеизложенного способа неразрушающего контроля теплофизических свойств к образцам горных пород из скважинных кернов связано с большими погрешностями вследствие температурного поля образца от теоретически предполагаемого температурного поля полубесконечного пространства из-за ограниченности радиальных размеров образцов.However, the application of the above method of non-destructive testing of thermophysical properties to rock samples from well cores is associated with large errors due to the temperature field of the sample from the theoretically assumed temperature field of the semi-infinite space due to the limited radial dimensions of the samples.

Сущность предлагаемого неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах заключается в том, что на гладкую торцевую поверхность теплоизолированного образца в форме полуограниченного цилиндра радиуса R (1 на фиг.1) воздействуют по кругу радиуса r0 (r0<R) источником тепла равнораспределенной и постоянной во времени мощности q=const и регистрируют изменяющиеся во времени τ значения его среднеинтегральной избыточной температуры.The essence of the proposed non-destructive measurement of the thermophysical properties of rocks on boreholes is that the smooth end surface of a thermally insulated sample in the form of a half-bounded cylinder of radius R (1 in FIG. 1) is acted on by a circle of radius r 0 (r 0 <R) with a heat source equally distributed and a constant power in time q = const and register the values of its average integral excess temperature that vary with time τ.

По прохождению некоторого промежутка времени τ1 после действия источника тепла избыточная (относительно начальной температуры образца) среднеинтегральная температура контактной зоны разогрева описывается следующим соотношением:After passing a certain period of time τ 1 after the action of the heat source, the excess (relative to the initial temperature of the sample) average integral temperature of the contact zone of heating is described by the following relation:

Figure 00000003
Figure 00000003

где

Figure 00000004
- среднеинтегральная избыточная температура источника тепла, отсчитываемая от начальной температуры образца tc, q - тепловой поток; λ и α - теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца соответственно; r0 и R - радиусы источника тепла и исследуемого образца соответственно; K - функция соотношения радиусов источника тепла r0 и образца R, равнаяWhere
Figure 00000004
- the average integral excess temperature of the heat source, measured from the initial temperature of the sample t c , q is the heat flux; λ and α are the thermal conductivity and thermal diffusivity of the test sample, respectively; r 0 and R are the radii of the heat source and the test sample, respectively; K is the function of the ratio of the radii of the heat source r 0 and sample R, equal to

Figure 00000005
Figure 00000005

где J0 и J1 - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков соответственно; μn - корни характеристического уравнения J1(μ)=0.where J 0 and J 1 - Bessel functions of the first kind of zero and first orders, respectively; μ n are the roots of the characteristic equation J 1 (μ) = 0.

Из соотношения (1) вытекает принципиальная возможность определения коэффициента теплопроводности и температуропроводности по измеряемой в опыте избыточной среднеинтегральной температуре источник тепла во времени.From relation (1), it follows in principle that the coefficient of thermal conductivity and thermal diffusivity can be determined from the excess average integral temperature measured in the experiment as the heat source in time.

Если данные опыта обработать в виде графика зависимости

Figure 00000006
(фиг.2), то последняя, начиная с некоторого момента времени τ1, становится линейной, причем пересечение прямой с осью ординат
Figure 00000007
дает значение среднеинтегральной избыточной температуры
Figure 00000008
, по которому рассчитывается теплопроводность исследуемого образца по следующей формуле:If the experience data is processed in the form of a dependency graph
Figure 00000006
(figure 2), the latter, starting from a certain point in time τ 1 , becomes linear, and the intersection of the straight line with the ordinate
Figure 00000007
gives the value of the average integral excess temperature
Figure 00000008
, by which the thermal conductivity of the test sample is calculated by the following formula:

Figure 00000009
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- протабулированная функция, зависящая от соотношения радиусов источника мощности r0 и образца R (фиг.3).Where
Figure 00000010
- tabulated function, depending on the ratio of the radii of the power source r 0 and sample R (figure 3).

Температуропроводность образца находится по углу наклона φ линейного участка графика зависимости

Figure 00000011
The thermal diffusivity of the sample is found by the angle of inclination φ of the linear portion of the plot
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Объемная теплоемкость рассчитывается по формуле связиVolumetric heat capacity is calculated using the coupling formula

Figure 00000013
Figure 00000013

На фиг.1 изображена физическая модель исследуемой системы и принципиальная схема устройства; на фиг.2 представлен график зависимости среднеинтегральной избыточной температуры пятна контакта разогрева от параметра

Figure 00000014
на фиг.3 - график зависимости функции ψq от параметра r0/R.Figure 1 shows the physical model of the studied system and the circuit diagram of the device; figure 2 presents a graph of the dependence of the average integral excess temperature of the contact spot of heating from the parameter
Figure 00000014
figure 3 is a graph of the dependence of the function ψ q on the parameter r 0 / R.

Принципиальными элементами устройства на фиг.1 служат нагревательный элемент круговой формы (3) с металлическим корпусом для эффективного осреднения температуры и дифференциальная термопара (4), непосредственно регистрирующая среднеинтегральную избыточную температуру контактной зоны разогрева (источника тепла).The fundamental elements of the device in Fig. 1 are a circular heating element (3) with a metal casing for effective averaging of temperature and a differential thermocouple (4) that directly records the average integral excess temperature of the contact zone of heating (heat source).

Предлагаемый «Способ неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах» осуществляют следующим образом.The proposed "Method of non-destructive measurement of the thermophysical properties of rocks on well cores" is as follows.

1. Гладко отшлифованная торцевая поверхность испытуемого образца смазывается тонким слоем технического вазелина, на нее устанавливается устройство, собранное на пенопластовом теплоизоляторе, и для устранения контактного сопротивления между нагревательным элементом и поверхностью образца устройство придавливается грузом или плотно прижимается механическим средством. Образец сбоку теплоизолирован.1. The smoothly sanded end surface of the test sample is lubricated with a thin layer of technical petroleum jelly, a device assembled on a foam heat insulator is installed on it, and to eliminate contact resistance between the heating element and the sample surface, the device is pressed down by weight or tightly pressed by mechanical means. The sample is insulated from the side.

2. Система выстаивается до принятия образцом и устройством одинаковой постоянной температуры tc.2. The system stands until the sample and device have the same constant temperature t c .

3. С помощью электрического нагревателя в зоне разогрева части контакта в виде круга радиусом r0 создается тепловой ток постоянной мощности q.3. Using an electric heater in the heating zone of the part of the contact in the form of a circle of radius r 0 creates a thermal current of constant power q.

4. Производится с помощью дифференциальной термопары регистрация среднеинтегральной избыточной температуры зоны разогрева контакта

Figure 00000015
в течение некоторого промежутка времени.4. Using a differential thermocouple, the average integral excess temperature of the contact heating zone is recorded
Figure 00000015
for a period of time.

5. По данным температурных замеров строится график зависимости

Figure 00000016
от параметра
Figure 00000017
(фиг.2) и по пересечению прямой, проведенной по линейной части указанной зависимости, с осью ординат
Figure 00000018
находят значение
Figure 00000019
и угол наклона прямой φ.5. According to temperature measurements, a dependency graph is constructed
Figure 00000016
from parameter
Figure 00000017
(figure 2) and at the intersection of a straight line drawn along the linear part of the indicated dependence with the ordinate
Figure 00000018
find value
Figure 00000019
and the slope of the straight line φ.

6. По формулам (3) - (5) рассчитывают теплофизические свойства исследуемого образца.6. Using the formulas (3) - (5), the thermophysical properties of the test sample are calculated.

Использование предлагаемого способа неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород для скважинных кернов обеспечивает по сравнению с известным способом более точное определение указанных характеристик, так как нежелательный для предыдущего способа фактор ограниченности размеров образца по диаметру заложен в саму теоретическую основу предлагаемого способа, сводя к минимуму погрешности за счет отклонения реально регистрируемого температурного поля образца от теоретически принимаемого.Using the proposed method of non-destructive measurement of the thermophysical properties of rocks for borehole cores provides a more accurate determination of these characteristics in comparison with the known method, since the factor of sample size limitation undesirable for the previous method is laid down in the theoretical basis of the proposed method itself, minimizing errors due to deviations of the actually recorded temperature field of the sample from theoretically accepted.

Claims (1)

Способ неразрушающего измерения теплофизических свойств горных пород на скважинных кернах, заключающийся в том, что на торцевую поверхность теплоизолированного образца в форме полуограниченного цилиндра воздействуют по кругу радиуса r0, меньшего, чем радиус образца R, источником тепла равнораспределенной и постоянной во времени мощности, отличающийся тем, что воздействие осуществляют при устранении контактного сопротивления между нагревательным элементом и поверхностью образца и регистрируют изменяющиеся во времени значения среднеинтегральной избыточной температуры источника тепла, используют зависимость указанной температуры от времени τ в степени «плюс 0,5» и после того, как эта зависимость становится линейной, определяют значение среднеинтегральной избыточной температуры
Figure 00000020
, по которому, с учетом соотношения радиусов r0/R, определяют теплопроводность и температуропроводность образца по формуламA non-destructive method for measuring the thermophysical properties of rocks on borehole cores, namely, that the end surface of a thermally insulated sample in the form of a half-bounded cylinder is affected by a circle of radius r 0 smaller than the radius of the sample R, a heat source of uniformly distributed and constant power over time, characterized in that the effect is carried out when removing contact resistance between the heating element and the surface of the sample and register the time-varying average values the integral excess temperature of the heat source, use the dependence of the indicated temperature on time τ to the degree of "plus 0.5" and after this dependence becomes linear, determine the value of the average integral excess temperature
Figure 00000020
according to which, taking into account the ratio of radii r 0 / R, determine the thermal conductivity and thermal diffusivity of the sample according to the formulas
Figure 00000021
Figure 00000021
Figure 00000022
Figure 00000022
 где λ и α - теплопроводность и температуропроводность исследуемого образца, соответственно; q - плотность мощности источника тепла; r0 и R - радиусы источника тепла и исследуемого образца, соответственно;
Figure 00000020
- среднеинтегральная избыточная температура источника тепла, отсчитываемая от начальной температуры исследуемого образца по пересечению линейного участка графика зависимости
Figure 00000023
от времени в степени «плюс 0,5» с осью ординат; φ - угол наклона линейного участка графика зависимости температуры источника мощности
Figure 00000023
от времени в степени «плюс 0,5»;
Figure 00000024
- протабулированная функция, зависящая от соотношения радиусов источника мощности и образца; J0 и J1 - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядков; μn - корни характеристического уравнения J1(μ)=0.where λ and α are the thermal conductivity and thermal diffusivity of the test sample, respectively; q is the power density of the heat source; r 0 and R are the radii of the heat source and the test sample, respectively;
Figure 00000020
- the average integral excess temperature of the heat source, measured from the initial temperature of the test sample at the intersection of the linear portion of the dependence graph
Figure 00000023
from time to the degree of "plus 0.5" with the ordinate axis; φ is the angle of the linear portion of the graph of the temperature dependence of the power source
Figure 00000023
from time to the degree of "plus 0.5";
Figure 00000024
- a tabulated function depending on the ratio of the radii of the power source and the sample; J 0 and J 1 - Bessel functions of the first kind of zero and first orders; μ n are the roots of the characteristic equation J 1 (μ) = 0.
RU2006121332/28A 2006-06-15 2006-06-15 Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores RU2334977C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006121332/28A RU2334977C2 (en) 2006-06-15 2006-06-15 Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006121332/28A RU2334977C2 (en) 2006-06-15 2006-06-15 Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2006121332A RU2006121332A (en) 2007-12-27
RU2334977C2 true RU2334977C2 (en) 2008-09-27

Family

ID=39018646

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006121332/28A RU2334977C2 (en) 2006-06-15 2006-06-15 Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2334977C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102156145A (en) * 2009-12-30 2011-08-17 普拉德研究及开发股份有限公司 Method of studying rock mass properties and apparatus for the implementation thereof
RU2492456C1 (en) * 2012-04-13 2013-09-10 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method of determining characteristics of pore volume and thermal conductivity of matrix of porous materials
WO2014003597A1 (en) * 2012-06-26 2014-01-03 Schlumberger, Holding Limited A method for determining pore volume characteristics and porous materials' matrix thermal conductivity

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГАВРИЛЬЕВ Р.И., НИКИФОРОВ И.Д. Метод определения теплофизических свойств горного массива без нарушения естественной структуры. ИФЖ, 1983, т.45, №6, с.1023-1024. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102156145A (en) * 2009-12-30 2011-08-17 普拉德研究及开发股份有限公司 Method of studying rock mass properties and apparatus for the implementation thereof
CN102156145B (en) * 2009-12-30 2015-07-08 普拉德研究及开发股份有限公司 Method of studying rock mass properties and apparatus for the implementation thereof
RU2492456C1 (en) * 2012-04-13 2013-09-10 Шлюмберже Текнолоджи Б.В. Method of determining characteristics of pore volume and thermal conductivity of matrix of porous materials
WO2013154469A2 (en) * 2012-04-13 2013-10-17 Шлюмберже Холдингс Лимитед Method for determining the pore-volume and thermal-conductivity characteristics of a matrix of porous materials
WO2013154469A3 (en) * 2012-04-13 2014-03-13 Шлюмберже Холдингс Лимитед Method for determining the thermal physical characteristics of porous materials
US9835537B2 (en) 2012-04-13 2017-12-05 Schlumberger Technology Corporation Method for determining pore space parameters and a thermal conductivity of a matrix of porous materials
WO2014003597A1 (en) * 2012-06-26 2014-01-03 Schlumberger, Holding Limited A method for determining pore volume characteristics and porous materials' matrix thermal conductivity
US9989485B2 (en) 2012-06-26 2018-06-05 Schlumberger Technology Corporation Method for determining pore volume characteristics and porous materials' matrix thermal conductivity

Also Published As

Publication number Publication date
RU2006121332A (en) 2007-12-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Al-Ajlan Measurements of thermal properties of insulation materials by using transient plane source technique
Franco An apparatus for the routine measurement of thermal conductivity of materials for building application based on a transient hot-wire method
Mitchell et al. Measurement of soil thermal resistivity
Ewen et al. The thermal probe—a new method and its use on an unsaturated sand
Nusier et al. Laboratory techniques to evaluate thermal conductivity for some soils
Manohar et al. Measurement of apparent thermal conductivity by the thermal probe method
RU2334977C2 (en) Method of nondestructive measurement of thermalphysic properties of rocks at well cores
Christodoulides et al. A practical method for computing the thermal properties of a Ground Heat Exchanger
Chari et al. Dependence of thermal conductivity in micro to nano silica
Castillo et al. Identification of insulating materials thermal properties by inverse method using reduced order model
Faouel et al. Thermal conductivity and thermal diffusivity measurements of wood in the three anatomic directions using the transient hot-bridge method
RU2419782C2 (en) Method of determining temperature dependence of heat conductivity factor of solid, isotropic electrically conducting materials
Boumaza et al. Use of the transient plane source technique for rapid multiple thermal property measurements
Dang et al. Thermal conductivity probe–Part II–An experimental analysis
Somerton et al. Ring heat source probe for rapid determination of thermal conductivity of rocks
Bohac et al. New planar disc transient method for the measurement of thermal properties of materials
RU2421711C2 (en) Method for nondestructive inspection of system of thermal and physical characteristics of solid construction materials
RU186025U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING THERMAL PROPERTIES OF MATERIALS
Low Thermal Conductivity of soils for energy foundation applications
Bezuidenhout et al. Heat flux determination using surface and backface temperature histories and inverse methods
Longo A steady-state apparatus to measure the thermal conductivity of solids
Štofanik et al. RT-Lab-the Equipment for measuring thermophysical properties by transient methods
Giaretto et al. Two-wire solution for measurement of the thermal conductivity and specific heat capacity of liquids: Experimental design
SU1163232A1 (en) Method of determining thermal diffusivity of material
Jadhav et al. Influence of substrate roughness on calibration parameters and thermal performance of thin film gauge

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20120616