Способ определения теплопроводности горных пород

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и 771520(51) М с присоединением заявки Мо 6,01 й 25/18 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытиИ(72) Авторы изобретения Р.И.Кутас, М,И,Бевзюк; О.А,Геращенко и Т.Г. Грищенко Институт технической теплофизики АН Украинской ССР и Институт геофизики им. С. И. Субботина(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ГОРНЫХ ПОРОД2 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 за. легания.В настоящее время известно много способов определения теплопроводности горных пород в лабораторных условиях,10 сущность которых сводится к тому, что предварительно из скважины отбирается ,порода(керн),из нее готовится образец определенных размеров и геометрии,который затем подвергается испытаниям 15 на лабораторной установке 11 . При этом происходит нарушение структуры породы, ее влажности, термодинамических условий. Значительные искажения вносятся также при механической обработке образцов и введения в них измерительных датчиковБлижайшим 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 3 О вмонтированным датчиком температуры(21 . 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 необходимости сначала прогреть околоскважинное пространство, а затем ожидать восстановления температурного режима.К другим недостаткам указанногоспособа относятся необходимость вмощных источниках электрического тока, а также в наборе зондов разныхразмеров для проведения измерений вскважинах различных диаметров.Целью изобретения является повышение точности определения теплопроводности горной породы в условиях естественного залегания без нарушениятермодинамического состояния массивас одновременным сокращением времениизмерений.Поставленная цель достигается тем,что измеряют естественный геометрический градиент в скважине, а затемопускают в скважину эталон с известной теплопроводностью, являющийся одновременно тепломером, которым измеряют плотность теплового потока, повеличине последнего вычисляют значение градиента температуры вдоль тепло-мера, и далее по отношению полученных значений естественного геометрического градиента и градиента температуры вдоль тепломера, используяградуировочную кривую, определяют величину отношения теплопроводностигорной породы в кважине к теплопроводности тепломера, а далее по полученным данным рассчитывают искомуювеличину теплопроводности горной породы.30При введении в скважину тела конечных размеров, которым являетсятепломер, поле изотерм в скважинеперестраивается в зависимости от соотношения те лопроводностей породы 35околоскважинного пространства и введенного в скважину образца,На фиг. 1 представлены температурные поля: а - до введения в скважинобразца, б, в, г - после введения, 4 Она Фиг. 2 - график отношения М градиентов (естественного геотермическогов вдоль тепломера) для раэгличных значений отношениятеплопроводностей (горной породы 1 г итепломера Ъг).Случай а характеризуется определенным установившемся температурным полем, которое при внедрении в скважину постороннего тела изменяется, 5 О при этом, если теплопроводность внедренного образца равна теплопроводности породы скважины, температурное поле скважины в стационарном состоянии сохраняется прежним (фиг. 1 б), то есть геотермический градиент и температурный градиент вдоль образца одинаковы. В противном случае поле изотерм перестраивается: изотермы разрежаются в образце, если его теплопроводность больше, чем в окружающем массиве горных пород (Фиг. 1 в), и, наоборот, сгущаются, если теплопроводность его меньше (Фиг. 1 г), Таким образом, присутствие в скважине тела конечных размеров, не изменяя геотер мического градиента в окружающем массиве горных пород (фиг. 1 в,г, эона 1)изменяет градиент температуры в местерасположения введенного образца(фиг, 1 в,г, зона 1), При этом отноше-,ние градиентов обратно пропорционально отношению теплопроводностей обеихзон. Эначит, измерение естественногогеотермического градиента и температурного градиента вдоль введенного вскважину тепломера, являющегося одновременно образцом с известной теплопроводностью приводит к новому способу определения теплопроводности горных пород в условиях их естественного залегания без нарушения термодинамического состояния,Для практического осуществленияэтого способа предварительно (аналитически или по результатам моделирования) строится график (фиг. 2) изменения отношения й указанных градиентов (естественного геотермическогои вдоль тепломера) для различныхзначений отношениятеплопроводностей (горной породы З и тепломера 3.),В исследуемую скважину на одну и ту же глубину последовательно помещают градиентомер, которым измеряют естественный геотермический градиент т и тепломер, которым измеряют плотность теплового потока ц в скважине. ЭФФективная теплопроводность тепломера . 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 )"т о Формуле т = Ч/5, Далее при помощи градуировочной кривой, представленной на фиг,2 по величине отношения значений градиентов (естественного геометрического и вдоль тепломера) й = г/т находят соответствующее значениеотношения теплопроводностей и, наконец, искомую величину теплопроводности горной породы в скважине гп рассчитывают по формуле 3 г,п, = Зт "Предлагаемый способ определения теплопроводности горных пород приводит к увеличению точности и сокращению времени измерений.Формула изобретенияСпособ 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, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения и сокращения времени измерений, измеряют естественный геометрический градиент в скважине, а затем771520 ираж 1019 Подписн 684/5 1 ИИП ак Филиал ППП Патентфф, г. Ужгород, ул, Проектная, 4 опускают в скважину эталон с известной теплопроводностью, являющийсяодновременно тепломером, которым измеряют плотность теплового потока,по величине последнего вычисляют значение градиента температуры вдольтепломера и далее по отношению полученных значений естественного геотермического градиента и градиента температуры вдоль тепломера, используяградуировочную кривую, определяют отношение теплопроводности горной породы в скважине к теплопроводности тепломера, а затем по полученным данным рассчитывают искомую величину теплопроводности горной породы. Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Дзидзигури А.А. и др. Теплофизические характеристики горных породи методы их определения. Тбилиси,"Мвцнкереьа", 1966, с. 1-228.2.оес А;Е,Апбп ГМ.Бова Л,и.дпаьа0 о 1 Неа Иоо Па 1 а-и елоРИепчай Сопдисб.ч 1 у МеабооещепСв-Сападап Лоогпаб о 1Еа 1 5 спеее, ъаб З,Ив 1, 9 Р,р И 9 протои и).