Устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине

Союз СоветскихСоциалистическиеРеспублик ОП ИСАНИЕИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(Ь)М. Кд, С 0125/18 Ркудоротоенный койнтет СССР ло делай изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Институт геофизики им. С, И. Субботина и нститут .технической теплофизики АН Украинской ССР "(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПАРАИЕТРОВ ГОРНЫХ ПОРОД В СКВАЖИНЕ Изобретение относится к определению теплофизических свойств веществ и может быть использовано в практике геофизйческих 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 скЦржинах, 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 осуцествляют с помоцью электронагре" вателя разогрев горных пород, Процесс нагрева длится от нескольких десятков до нескольких сотен минут. После отключения электронагревателя по пока.заниям датчика температуры определяют время восстановления температурно., го режима скважины, которое такжеможет достигать 200-300 мин, а затемпо расчетной Формуле вычисляют коэффициент теплопроводности Г 11,Недостатком этого устройства является необходимость в мощных источниках электрического тока, в наборе зон 1 Одов разных размеров для проведения из"мерений в скважинах различных диаметров, так как условие обеспечения надежного теплового контакта зонда состенками скважины является основопо-,15лагающим. Кроме того, большая продолжительность эксперимента из-за необходимости сначала прогреть околоскважинное пространство, а затем ожидатьвосстановления температурного режима;низкая точность определения теплопроводности горной породы в массивеиз-за невозможности обеспечить и проконтролировать надежный тепловой кон 9226такт между зондом и стенками скважинывследствие их неровностей, трещин, каверн и т,п. из-за нарушения термодинаиического состояния массива в силудлительного прогревания мощным электрическим нагревателем. Кроме того,устройство, позволяет определить,кроме коэффициента теплопроводности,еще только значение температуры (домомента включения нагревателя),1 О, Наиболее близким к предлагаемомуявляется устройство для определениятепловых параметров горных пород вскважине, содержащее корпус с установленным в нем датчиком температуры, дподключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважине, акорпус представляет собой резиновыйнадувной баллон, в который завулканизированы электрический нагревательпостоянной мощности и теплочувстнительный элемент. Теплочувствительный элемент представляет собой термоэлектрическую ( медь-константановую)батарею, рабочие спаи которой равно- рмерно распределены по поверхности резинового баллона, а холодные спаи,играющие роль реперных, соединенывместе и вынесены за пределы корпусана 0,5 м ниже его. Устройство опуска- ЗОют в скважину, обязательно необсаженную , на заданную глубину. При помощи насоса в баллон нагнетают воздухдля обеспечения прилегания поверхности у.тройства к стенкам скважины,включают нагреватель и одновременноначинают регистрировать показания теплочувствительного элемента. Этим фиксируетсл ход изменения во времени разности температур поверхности зонда,т.е. температуры поверхности горногомассива, и температуры скважинногонаполнителя на расстоянии 0,5 м нижезонда. Эксперимент длится 3-5 ч. Порезультатам измерений строится график, при помощи которого определяется темп нагрева или охлажденил горного массива, величина которого позволяет найти коэффициент теплопроводности с погрешностью не менее 123 21,5 ООднако устройство имеет низкую точность определения коэффициента теплопроводности горных пород в массивескважины из-за нарушения термодинамического состояния массива в силуеИЪьююзэзэмщиыэъ яюсзаю:лают 55Необсаженная скважина - это сква-жина, в которую не опущена колонна металпических обсадных труб,05длительного прогревания постороннимисточником тепла, большую продолжи,тельность и трудоемкость эксперимента из-за необходимости нагнетать воздух в устройство, прогревать околоскважинное пространство и ожидатьвосстановления стационарного теплового состояния. Кроме того, устройство неприменимо для работы в обсаженных скважинах из-за присутствияв них колонны металлических обсадныхтруб и в скважинах, глубина которыхпревышает 20 м,Другими недостатками устройстваявляются,необходимость мощного источника,электрического тока для питания электронагревателя и компрессора с системой соединительных вакуумных шлангов для нагнетания воздуха 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 параметровв условиях ненарушенного термодинамического состояния горных пород в скважине,Поставленная цель фдостигается тем,что в устройстве для определения коэффициента теплопроводности горных пород в скважине, содержащем корпус сукрепленным в нем датчиком температуры, подключенным к измерительнойаппаратуре, расположенной вне скважины, дополнительно введены датчик температуры, датчик теплового потока сзаданной теплопроводностью и электронный блок, смонтированные в верхнейчасти корпуса устройства, причем датчики температуры, датчик теплового потока и электронный блок расположеныпо оси корпуса устройства, при этомдатчики температуры установлены симметрично по разные стороны от датчика теплового потока таким образом,что отношение расстояния между датчиками температуры к длине датчикатеплового потока составляет от 20до 200.Кроме тоГо, электронный блок содержит два идентичных автогенератора к входам которого подключены обадатчика температуры, опорный генератор, распределительный ключ, смеситель сигналов, блок согласования,ключ управления и коммутатор, причемвыходы двух идентичных автогенерато9226 ров и опорного генератора через распределительный ключ подсоединены к входу смесителя сигналов, выход которого через блок согласования присоединен к одному из входов ключа управ ления,к двум другим входИм которого подключены выходы датчика теплового потока, а коммутатор подсоединен к распределительному ключу и ключу управления.1 ОНа фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства; на фиг, 2 структурная схема электронного блока,Устройство состоит из трех основных узлов: термоградиентомера, дат" 15 чика теплового потока и электронного блока, размещенных в корпусе устройства, выполненным для удобства монтажа разборным из пяти последовательно соединенных кожухов, например, с 20 помощью винтового и резьбового соединений.Термоградиентометр, предназначенный для измерения геотермического градиента е скважине, включает в себя 25, нижний 1 и верхний 2 датчики температуры. В качестве датчиков температуры использованы малогабаритные термозависимые кварцевые резонаторы с рабочей частотой 28 МГц и температур- ЗО 1ным коэффициентом частоты 1000 ГЦ/К (ТКРи ТКР 2). Оба эти датчика помещены в выфрезерованные под их размер гнезда в металлических контейнерах 3 и 4, первый из которых распо- з 5 ложен в охранном кожухе 5, а второй в охранном кожухе 6.Датчик 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 отвер стием по центру. Датчик 7 теплового потока укреплен в стакане 8, установленном в кожухе 9, к которому с двух торцов посредством реэьбового соединения присоединены охранные кожухи 5 и 6. Электронный прибор О прибора, предназначенный для коммутации и обработки выходных сигналов измерительных датчиков 1, 2 и 7 помещен в герметичном кожухе 11, сочлененном со вторым торцом кожуха 6 посредством винтов. Второй торец герметичного 05 6кожуха 11 сочленен при помощи резьбового соединения с кожухом 2 стан" дартного кабельного наконечника 13.Металлические контейнеры 3 и 4 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 14. 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, эагерметизированы . при помощи резиновых прокладок и специальных заглушек. 8 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 24 коммутации. Электронный блок 10 через кабель соединен со вторичной аппаратурой 25 установленной у устья скважины,Устройство работает следующим образом.После опускания устройства накабель-тросе в скважину с наполнителем через некоторый промежуток времени, соответствующий восстановлениюстационарного состояния в скважине,при помощи вторичной аппаратуры, установленной у устья скважины, производят регистрацию сигналов, поступающих по кабелю, и определяют указанным способом коэффициент теплопровод"ности горных пород, и другие тепловыепараметры (плотность теплового пото- фка, геотермический градиент и температуру),Электронный блок во время измерений функционирует следующим об"разом.При измерении температуры нижнимили верхним датчиком на вход смесителя 21 сигналов поступают сигналы еы 922605сокой частоты (около 28 МГц) от идентичных автогенераторов 17 или 18 и высокостабильного опорного кварцевогогенератора 19 с термокомпенсацией через электронный распределительный5ключ 20,В смесителе 21 сигналов происходиталгебраическое вычитание частот ина его выход поступает низкочастотный сигнал, пропорциональный замерен Оным температурам в двух сеченияхскважины. По такой же схеме измеряется и разность этих температур, только в этом случае на вход смесителясигналов поступают сигналы одновременно от двух идентичных автогенераторов 17 и 18 и вычитаются один издругого. С выхода смесителя низкочастотный сигнал поступает на вход блока 22 согласования, который предназначен для согласования выходногосопротивления смесителя сигналов свходным сопротивлением кабеля, Выходблока 22 согласования присоединен кодному из входов ключа 23 управления с двумя другими входами которого соединены выходы датчика теплового потока. Сигналы с ключа 23 управления по двум жилам кабеля поступаютна вход вторичной аппаратуры 25. Па 50третьей жиле кабеля производится питание электронной схемы устройстваи одновременно через блок управленияосуществляется уп,реале,ие блоком 24коммутации.Термоградиентомер в устройстве выполнен на базе 1 м, т.е. датчики температуры расположены в устройстве вразных частях таким образом, что оказываются в скважине в двух сечениях,расстояние между которыми 1 м. Ввидуэтого их разностный сигнал соответствует перепаду температур в скважине на длине 1 м, т.е. равен геотермическому градиенту. Выбор базы в конкретном устоойстве определен условиями измерения и конструктивными осо 5 енностями.о Взаимное расположение электронного узла, датчиков температур и датчика теплового потока в корпусе уст 50ройства, как показывают результатытеоретического расчета и моделирования, определяются энергией рассеивания электронным узлом и отношениемрасстояния между датчиками температур к длине датчика теплового потока.Влияние датчиков друг на друга и неоднородностей геологического разреза в скважине на результаты измеренийисключается, если указанное отношениенаходится в пределах от 20 до 200.Электронный узел располагается надверхним датчиком температуры на расстоянии, при котором его влияние налоказания датчиков не сказывается.Предлагаемое устройство для опре"деления коэффициента теплопроводности горных пород в скважинах приводитк повышению точности измерений примерно на 5-7 Ф за счет сохранениятермодинамического состояния горногомассива скважины без нарушений и благодаря оригинальным конструктивнымособенностям устройства, а именно вовремя измерений термодинамические условия залегания пород не нарушены,поскольку исключены искусственные нагрев и охлаждение массива и исключены погрешности из-за несоответствиядиаметра скважины размерам скважинного зонда, а также несоблюдения теплового контакта вводимого образца состенками скважины. Измерение геотермического градиента и плотности теплового потока производится с высокойточностью, что позволяет определятькоэффициенты теплопроводности горныхпород в скважине с погрешностью нехуже б,Формула изобретения1. Устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине, содержащем Корпус с установленным в нем датчиком температуры, подключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважины, о т л и ч а ю щ е е с я 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 заданиой 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 "таким образом, что отношениерасстояния между датчиками температуры к длине датчика теплового потока составляет от 20 до 200,2, Устройство по п.1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что электронный блок содержит два идентичных ав"тогенератора к входам которого подключены оба датчика температуры,опорный генератор, распределительныйключ, смеситель сигналов, блок согласования, ключ управления и ком"мутатор, причем выходы двух идентичных автогенераторов и опорногогенератора через распределительныйключ подсоединены к входу смесителясигналов, выход которого через блоксогласования присоединен к одномуиз входов ключа управления, к двум 92260510другим входам которого подключенывыходы датчика теплового потока, акоммутатор подсоединен к распределительному ключу и ключу управления.5Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Вес 3 с А.Е., Ап 913 п Г.М., 5 авв 3.НАпа 3 у 3 з оГ Неай Г 1 ои. Овйапв 3 йоТЬегва Сопдцсй 3 ч 3 йу Меазцгепепйв."Сапад 3 еп Зоцгпа 1 оГ Еагй 5 с 3 епс 3 в,чо 1, 8., и 1, 1971, р. 1-19.2. Филиппов П. И, К методике определения теплофизических свойств,15 горных пород в буровых скважинах. Всб. Тепловые процессы в мерзлых породах. М., "Наука", 1964, с, 178-181