Способ определения теплопроводности горных пород

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

{ii> 771 520 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 160579 (21) 2758851/18-25 (51)М. Кл.з с присоединением заявки ¹

G, 01 N 25/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 151080. Бюллетень ¹ 38

Дата опубликования описания 15.1080 (53) УДК 536. 2 (088.8) (72) Авторы изобретения

P.È.Êóòàñ, М.И.Бевзюк; О.A.Ãåðàùåíêo и Т.Г. Грищенко

Институт технической теплофизики АН Украинской ССР и Институт геофизики им. С. И. Субботина (71) Заявители (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

ГОРНЫХ ПОРОД

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 залегания.

В настоящее время известно много способов определения теплопроводности горных пород в лабораторных условиях,1() 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 обра-20 ботке образцов и введения в них измерительных датчиков.

Ближайшим 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 ЗО вмонтированным датчиком температуры (2) . 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.

77152п

К другим недостаткам указанного способа относятся необходимость в мощных источниках электрического тока, а также в наборе зондов разных размеров для проведения измерений в скважинах различных диаметров.

Целью изобретения является повышение точности определения теплопроводности горной породы в условиях естественного залегания без нарушения термодинамического состояния массива с одновременным сокращением времени измерений.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют естественный геометрический градиент в скважине, а затем опускают в скважину эталон с извест- 15 ной теплопроводностью, являющийся одновременно тепломером, которым измеряют плотность теплового потока, по величине последнего вычисляют значе ние градиента температуры вдоль тепло- мера, и далее по отношению полученных значений естественного геометрического градиента и градиента температуры вдоль тепломера, используя градуировочную кривую, определяют величину отношения теплопроводности горной породы в кважине к теплопроводности тепломера, а далее по полученным данным рассчитывают искомую величину теплопроводности горной породы.

При введении в скважину тела конечных размеров, которым является тепломер, поле изотерм в скважине перестраивается в зависимости от соотношения теплопроводностей породы 35 околоскважинного пространства и введенного в скважину образца.

На фиг. 1 представлены температурные поля: а — до введения в скважин образца, б, в, г — после введения, 4О на Фиг. 2 — график отношения и градиентов (естественного геотермического $ и вдоль тепломера g ) для раэг личных значений отношения L теплопроводностей (горной породы 3 г и тепломера Ъг).

Случай а характеризуется определенным установившемся температурным полем, которое при внедрении в скважину постороннего тела изменяется, при этом, если теплопроводность внедренного образца равна теплопроводности породы скважины, температурное поле скважины в стационарном состоянии сохраняется прежним (фиг. 1б), 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. 1в), и, наоборот, сгущаются, если теплопроводность его меньше (фиг. 1г). Таким образом, присутствие в скважине тела конечных размеров, не изменяя геотер- 65 мического градиента в окружающем массиве горных пород (фиг. 1в,г, эона 1) изменяет градиент температуры в месте расположения введенного образца (Фиг. 1в,г, зона II). При этом отноше-, ние градиентов обратно пропорционально отношению теплопроводностей обеих зон. Эначит, измерение естественного геотермического градиента и температурного градиента вдоль введенного в скважину тепломера, являющегося одновременно образцом с известной теплопроводностью приводит к новому способу определения теплопроводности горных пород в условиях их естественного залегания без нарушения термодинамического состояния.

Лля практического осуществления этого способа предварительно (аналитически или по результатам моделирования) строится график (Фиг. 2) изменения отношения и указанных градиентов (естественного геотермического и вдоль тепломера g ) для различных значений отношения L теплопроводностей (горной породы „„ и тепломера 3.„).

В исследуемую скважину на одну и ту же глубину последовательно помещают градиентомер, которым измеряют естественный геотермический градиент и тепломер, которым измеряют плотность теплового потока q в скважине. Эффективная теплопроводность тепломера А.„ 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 )I"y по Формуле у = q/a . Далее при помощи градуировочной кривой, представленной на фиг.2 по величине отношения значений градиентов (естественного геометрического

< и вдоль тепломера) и = г/g находят

Ф соответствующее значение L отношения теплопроводностей и, наконец, искомую величину теплопроводности горной породы в скважине гп рассчитывают по Формуле 3ã.n, = 3T. L

Предлагаемый способ определения теплопроводности горных пород приводит к увеличению точности и сокращению времени измерений.

Формула изобретения

Способ 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, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и сокращения времени измерений, измеряют естественный геометрический градиент в скважине, а затем

771520

ВНИИПИ Заказ 6684/54 Тираж 1019 Подписное

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 опускают в скважину эталон с известной теплопроводностью, являющийся одновременно тепломером, которым измеряют плотность теплового потока, по величине последнего вычисляют значение градиента температуры вдоль тепломера и далее по отношению полученных значений естественного геотермического градиента и градиента температуры вдоль тепломера, используя градуировочную 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 экспертизе

1. Дзидзигури А.А. и др. Теплофизические характеристики горных пород и методы их определения. Тбилиси, "Мщнкереьа" 1966 с. 1-228.

2.8eck A;E,Ап бп hA, &ass J.È. Anafjsis

af Heat frau Data-

Га f Scineее, vaE 3,ИМ, i9P,р И9 (прото и nI.