SU1712847A1 - Устройство дл определени теплофизических характеристик горных пород в услови х естественного залегани - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к устройствам дл  определени  теплофизических характеристик пород, преимущественно в скважинах и горных выработках и может быть использовано в геологии, инженерных изыскани х , бурении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому  вл етс  устройство дл  определени  теплофизических характеристик горных пород в услови х их естестeeHHord залегани  с помощью плоского зонда посто нной мощности нагрева.

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

Известное устройство имеет р д недостатков , ограничивающих возможность его широкогр использовани . Так, одним из основнмхтре бований работы устройства  вл етс  нэрбхадимость обеспечени  Идеального термического контакта между нагревате|лем и исследуемым образцом. Такое условие трудно выполнимо при определении теплофизических характеристик горных пород в услови х естественного залеганц  (например, при определении в бур 1р1хс  скважинах). Кроме того, данное устройство возможно использовать дл  определени  теплофизических характеристик

пород при условии посто нства температуры исследуемого образца. Это условие трудно выполнимо, так как исследование характеристик пород в естественном залегании производ т с помощью скважин, шурфов и т. п., температурное поле которых а процессе бурени  нарушаетс . Известное устройство не обеспечивает возможности контрол  посто нства температуры исследуемой области пород, подвергающейс  нагреву от плоского зонда, например, в случае установки его в скважине, шурфе и т. д. из-за невозможности измерени  температуры в исследуемой области. Еще одним недостатко  вл етс  ограничение диапазона исследований за один цикл измерений (нагреаа пород), так как в процессе измерений возможно определение только одной теплофизической характеристики - коэффициента теплопроводности.

Цель изобретени  - повышение достоверности определени  теплофизических характеристик и расширение области исследовани .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  определени  тепдофизических характеристик горных пород а услови х естественного залегани , содержащее плоский нагреватель, установленный между теп оизо  тором и теплоеыравимвающей пластиной, а также датчик температуры, закрепленный на этой пластине, дополнительно содержит Цилиндрический зонд с возможностью его перемещени  вдоль оси нагревател , при этом внутри зонда размещен датчик температуры, перемещающийс  вдоль оси самого зонда.

Цель достигаетс  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 перемещени  вдоль оси нагревател  позвол ет датчики температуры вво/м/1ть в исследуемые области пород.

Установка на цилиндрическом зонде двух датчиков температуры, один из которых может перемещатьс  вдоль оси зонда, а другой закреплен неподвижно на его конце , позвол ет контролировать условие посто нства температур исследуемой области перед началом нагреаа. обеспечива  этим достоверность результатов измерений.

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

искажающее вли ние 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 изменени  температуры грунтов во времени в точках измерени  в процессе нагрева.

Устройство содержит корпус 1, в нижней части которого установлен плоский нагреватель 2 с осевым отверстием 3. Нагреватель 2 размещен между теплоизол тором 4 и тепловыравнивающей пластиной 5, температура которой фиксируетс  с помощыр датчика 6. Внутри нагревател  в отверстии 3 установлен подвижный зонд 7 с возможностью его перемещени  вдоль продольной оси 8 нагревател  2. Зонд снабжен датчиками 9 и 10 температуры, один из которых (9) установлен на конце зонда, а другой (10) выполнен подвижным с возможностью его перемещени  вдоль продольной оси зонда. В верхней части зонда установлен блок 11 его погружени , например электродвигатель с зубчатой передачей . Устройство соединено кабелем 12,  вл ющимс  одновременно несущим злементом , с наземной станцией 13, включающей системы управлени  работой нагревател , блока погружени  зонда, систему измерени  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 внедр ют зонд 7 с датчиками 9 и 10 температуры на глубину, при которой датчик 9 не выходит за пределы одномерного распространени  темг ературного пол  от нагревател  2. Например, дл  круглого нагревател  это условие выполн етс  при Г2 1/5D, где rz - рассто ние от нагревател  (забо  скважины ) до датчика 9 температуры; D - диаметр нагревател .

ближайший подвижный датчик 10 температуры устанав ивают на рассто нии rt от нагревател  (забо ) скважины между датчиком 9 и тепловыравнивающей пластиной.

Перед началом нагрева породы провер ют условие однородности и ненарушенности естественного тепло.вого пол  в исследуемой породе путем сравнени  температуры в датчиках 9 и 10, значени  которых должны быть одинаковыми и соответствовать естественной температуре пород. Если это условие не выполн етс , то в зависимости от предполагаемых причин, например, растепление породы при бурении , неоднородность естественного температурного пол , либо замеры повтор ют через заданное врем , необходимое дл  восстановлени  естественной температуры , либо производ т указанные операции после бурени  скважины на большую глубину , При выполнении равенства температур в датчиках 9 и 10 включают нагреватель 2, обеспечивающий с помощью управл ющего блока 13 посто нную заданную температуру на забое скважины tc не выше (температура закипани  водь), так как кипе ние воды при нагреве породы не допускаетс  из-за наличи  в этом случае фазового перехода вода-пар в породе, что не позвол ет примен ть 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 измер   температуру в датчиках 9 и 10 по координате времени. При воздействии плоского источника тепла на поверхности забо  скважины с посто нной температурой на контакте с породой изменение одномерного температуркого пол  в породе опис ываетс  следующей системой уравнений atT Э1м , -jr- ам ---5 дх Граничные услови  при этом tc const. Условие (3) означает, что нагреватель обеспечивает посто нную температуру на рабочей поверхйости в процессе оттаивани  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-врем , с; ат и ам - соответственно температуропроводность талых и мерзлых пород (а- - Л/Ср-/э) X - координата точки измерени , отсчитываема  от поверхности источника тепла, to - температура оттаивани  порового льда в породе. К (дл  чистой воды принимают Юг tc - температура рабочей поверхности нагревател  на контакте с грунтом. К, h-радиус оттаивани  (границы фазового перехода лед-вода) в породе от поверхности нагревател , м: AT и Ям - соответственно теплопроводность талых и мерзлых пород, Вт/(м К); L - удельна  теплота плавлени  льда, содержащегос  в порах, Дж/кг; Q - количество льда в единице объема (льдистость), к.г/м. Реша  приведенную систему уравнений (1)-(5) методом Швеца и использу  при этом нулевое и первое приближение, получают уравнение, описывающее изменение температуры пород в талой части (-о) ° к.а,.е (е) ЧМ7-617)- обозначени  прежние. Преобразу  (6), получают dh (tc-to)( -х) PJ 6h2(tT-tc)(lo-tc) Результаты измерени  зависимостей изменени  температуры (T) в точках 9 и 10 отображают графически в системе координат , откладыва  по оси абсцисс врем  г, а по оси ординат - температуру а датчиках 9 и 10. При атом получают кривые нагрева, общий вид которых дл  мерзлых пород представлен на фиг, 2, По кривым нагрева определ ют следующие параметры дл  определени  фазового состо ни  и температуропроводности пород:-1с - естественную температуру пород как минимальную температуру в точках 9 и 10 после погружени  зонда; to - температуру оттаивани  льда в порах породы, что соответствует резкому уменьшению скорости нагрева, вплоть до нулевого значени  а местах расположени  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 Оттаивани  пород в месте расположени  9 датчика (определ етс  по увеличению скЬрОстИ нагрева на кривой 2, точка ii. По этим параметрам определ ют фазо вое состо ние и темпёра1гуропроёодность пород ат по следующим услови м; 11ри породы наход тс  в мерзлом состо нии (присутствует лед); при to tc 0°е породы наход тс  в охлажденном состо ний; при tc 0°С породы наход тс  в талом состо  НИИ. / ...; , .,-,-.:. ,: V Определ ют темгюратуро проводность талых пород ат по ф рмуле(. в которую подставл ют значени  Параметров, полученных в процессе нагрева образца fr2-ft)){r1-fi -п) ( trh2-rhi)(tr-tc)-(to-tc) :; :-./:, :;/,: м где п - рассто ние от нагревател  до точки 10, м;- ::.-... ;:;::/.-: :-, . |%-рассто ние от нагревател  до точки 7 (измерени , м; tc - температура стенки нагревател , посто нна  в ftpouecce нагрева. К, xht момент времени с начала нагрева, в который 6 точке 10 Заканчиваетс  ОттаиваHtfenopoyBl (точка ё )й tii2 момент времейи с начала нагрева, в KOTOpfafft в т(йке 9 зак зичиваетС  оттаивание Пород (точка fi на «фивой нагрева а-г). Кроме Tioro, при определейии известным сг1особом, например, по керну скважины , отобранному с забо  скважины, характеристик грунтов: Ст - теплоемкости талых пород; - объемной массы пород; Lудельной теплоты плавлени  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 дл  определени  теплофизичесКих характеристик горных пород в услови х естественного залегани , содержащее плоский нагреватель, установленный между теплоизол тором и тепловыравнивающей пластиной; а также датчик температуры, закрепленный на этой пластине , о т л и ч а ю щ ее с   тем, что, с целью повышени  достоверности определени  теплофйзических характеристик, онр допол-: нительно содержит цилиндрический зонд с возможностью его перемещени  по оси нагревател , при этом внутри зонда размещен датчик температурь, перемещающийс  по оси зонда, , 2.Устройство По п. 1, о т л и ч а Ю щ е е с   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   Тем, что, с целью расширени  области исследовани , зонд дополнительно содержит датчик температуры, закрепленный на его конце.

и

Claims (3)

1. Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

   1. Устройство для определения теплофизических характеристик горных пород в условиях естественного залегания, содер25 жащее плоский нагреватель, установленный между теплоизолятором и тепловыравнивающей пластиной, а также датчик ' температуры, закрепленный на этой пластине, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности определения теплрфйзических характеристик, оно дополнительно содержит цилиндрический зонд с возможностью его перемещения по оси нагревателя, при этом внутри зон да размещен датчик, температуры, перемещающийся по оси зонда,
2. 2·. Устройство по п. 1.0 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. 3. Устройство по п. 1. о тли ч а ю щ е ес я тем. что, с целью расширения области исследования, зонд дополнительно содержит датчик температуры, закрепленный на его конце.

   Фиг1