Спосіб визначення теплопровідності гірських порід свердловин

Реферат: Спосіб визначення теплопровідності гірських порід в свердловині, при якому бурять свердловину, в яку опускають зонд з датчиками температури, вимірюють температуру зонду, після чого визначають коефіцієнт теплопровідності. Свердловину наповнюють нагрітою або охолодженою по відношенню до гірського масиву водою, розміщують датчики температури по всій довжині обсадної труби до вибою свердловини, після чого визначають коефіцієнт теплопровідності гірських порід свердловин за допомогою формули: 2 2 2 4R c 1 2 Tв (  2 )   2 ( 1 )Tв ( 1 )  T0  вR c  1  , 2 м   2 2Tв ( 1 )  21 8 2  R c  2 Tв (  2 )  (  2 )Tв ( 1 )  1 2 1   де  - час, с;  в - коефіцієнт теплопровідності води, Вт/м·K;     To , Tв - початкова та поточна температура теплоносія, яка вимірюється, K;  - експериментальний коефіцієнт, який характеризує відношення 2 середовища до його інерційних властивостей, м /с; R c - внутрішній радіус масиву, м. теплопровідності UA 118349 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ТЕПЛОПРОВІДНОСТІ ГІРСЬКИХ ПОРІД СВЕРДЛОВИН UA 118349 U UA 118349 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області геотермальної енергетики, а саме до способів визначення теплофізичних властивостей і може бути використана при проведенні геофізичних робіт для визначення коефіцієнта теплопровідності гірських порід в умовах їх природного залягання. Спосіб визначення теплопровідності гірських порід свердловин може бути використаний на геотермальних родовищах незалежно від мінералізації термальних вод. На даний час відомо багато способів визначання теплопровідності гірських порід в лабораторних умовах, які полягають в тому, що попередньо зі свердловини відбирається порода, з неї готується зразок необхідних розмірів, який після цього піддається випробуванням в лабораторних умовах [1]. Відомий прилад для виміру теплопровідності гірських порід в свердловинах, [А.с. № SU 732515, Е21 47/06, від 05.05.1980 р], в основу роботи якого покладено дослідження характеру змін температури лінійного джерела в часі при постійній потужності нагрівача, який включає циліндричний мідний корпус, в осьовій частині якого просвердлений отвір з розташованим в ньому лінійним нагрівачем з ізольованого ніхромового дроту, залитого сплавом Вуда, теплоізолятори для виключення конвективного виносу тепла в свердловину на нижній і верхній частинах корпусу. Недоліком даної корисної моделі є складність процесу заміру температури, який полягає в тому, що для досягнення ідентичності замірів необхідно розташувати прилад суворо по центру свердловини зі встановленими пласкими пружинами в його торцевих частинах. Відомий також, спосіб визначення теплопровідності гірських порід [А.с. № SU 771520, G01N 25/18 від 15.10.1980 р], що базується на застосуванні зонду, який опускають до свердловини з подальшим вимірюванням параметрів теплового стаціонарного стану в свердловині та розрахунком теплопровідності, в якому з метою підвищення точності замірів та зменшення часу вимірів, вимірюють природний геометричний градієнт в свердловині, а після цього опускають в свердловину еталон з відомою теплопровідністю, який є одночасно тепломіром, яким вимірюють густину теплового потоку, за величиною останнього вираховують значення градієнта температури вздовж тепломіра і далі по відношенню отриманих значень природного геотермічного градієнта та градієнта температури вздовж тепломіра, використовуючи градуйовану криву, визначають відношення теплопровідності гірської породи в свердловині до теплопровідності тепломіру, а потім за отриманими даними розраховують шукану величину теплопровідності гірської породи. Недоліком зазначеного способу є складність процесу вимірювання природного геометричного градієнта в свердловині та використання еталону з відомою теплопровідністю. Найбільш близьким є спосіб вимірювання теплопровідності гірських порід в свердловині, в умовах їх природного залягання [2], який полягає в тому, що в свердловину, щільно притискаючи її до стінок, занурюють циліндричний зонд, який представляє собою електричний нагрівач з вмонтованим датчиком температури. Після зануряння зонда в свердловину включають електронагрівач і здійснюють розігрів масиву гірських порід. Після відключення нагрівача фіксують час відновлення температурного режиму свердловини і визначають за розрахунковою формулою коефіцієнт теплопровідності породи. Основним недоліком даного способу є - низка точність визначення теплопровідності гірської породи в масиві через неможливість забезпечити і проконтролювати надійний тепловий контакт між зондом і стінками свердловини через їх нерівності, тріщини, тощо, через порушення термодинамічної стану масиву в силу тривалого стану прогрівання потужним електричним нагрівачем; велика тривалість експерименту через необхідність прогрівання близько свердловинного простору і очікування відновлення температурного режиму. До інших недоліків зазначеного способу належить необхідність в потужних джерелах електричного струму, а також в наборі зондів різних розмірів для проведення вимірювання в свердловинах різних діаметрів. Задачею даної корисної моделі є розробка способу визначення теплопровідності гірських порід свердловин глибиною понад 50 м, який дозволяє спростити процес цього визначення, скоротити час проведення вимірів та зменшити витрати коштів на його проведення. В основу корисної моделі поставлено аналітичне вирішення задачі охолодження або нагріву теплоносія в свердловині, яке вирішується застосуванням способу визначення теплопровідності гірських порід свердловин, що дозволяє проводити вимірювання без порушення природного стану порід, який включає свердловину, систему заміру температури води та систему збору і реєстрації даних заміряної температури. Поставлена задача вирішується тим, що буряться одна або декількох свердловин, які обладнуються засобами виміру температури, заповнюються нагрітою або охолодженою по 1 UA 118349 U 5 10 15 20 відношенню до гірського масиву водою, проводяться заміри зміни температури води в часі, обчислюються значення коефіцієнта теплопровідності. Спосіб визначення теплопровідності гірських порід, що пропонується, пояснюється кресленням, де зображено поперечний розріз свердловини (схематично). Заявлений спосіб здійснюється таким чином: свердловину 1 наповнюють нагрітою або охолодженою по відношенню до гірського масиву водою 2, розміщують датчики температури 3 по всій довжині обсадної труби 4 до вибою свердловини 5, після чого за допомогою формули визначають коефіцієнт теплопровідності гірських порід. Запропонований спосіб визначення теплопровідності гірських порід свердловин проводиться на основі аналітичного вирішення задачі охолодження або нагріву теплоносія в свердловині і полягає в наступному. Масив з внутрішнім радіусом R c наповнюється "гарячим" теплоносієм з початковою температурою T0 . Зовнішній радіус масиву з початковою температурою Ti t  0  0 прямує до нескінченності, вираховується радіальний розподіл температури в суцільному 0  R  Rc та порожнинному Rc 0  R   масивах залежно від часу. Таким чином, аналітичне вирішення задачі враховує процес теплообміну між заповненою водою свердловиною та гірським масивом, який її оточує, і має вигляд: В першій області маємо теплоносій 1  Tв 1 Tв R   0, 0  R  Rc R R R   T (R, ) Tв (R,0)  T0 , в R0  0, 0  R  Rc R та на межі R  Rc умови спряжіння Tв (R, ) T в (R, ) R 0  м R  Rc , Tв (R, ) R Rc  Ti (R, )R Rc , R R де  - експериментальний коефіцієнт, який характеризує відношення теплопровідності 2 середовища до його інерційних властивостей, м /с;  в - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт/м·K; м 25 30  м - коефіцієнт теплопровідності гірського масиву, Вт/м·K. В другій області маємо масив 1  Ti 1 Ti R   0, Rc 0  R   , R R R   Ti (R,0)  0, Ti (, )  0. ˆ де O ˆ , T - температури теплоносія та гірського масиву, К; a i R c - внутрішній радіус масиву, м. Аналітичне вирішення задачі має вигляд 2T Ti (R, )  0   ru  N0  R  c 35   e u2 2 Rc 0    ru J0    Rc    du  [uJ 0 (u)  J1(u)] ,    (u)   (u)  [uJ 0 (u)  J1(u)]2  [uN 0 (u)  N1(u)]2 , та Tв ( )  4T0 2   e u2 2 Rc du . (u)  0 Наближене вирішення 2 2 4R c 1 2 Tв (  2 )   2 ( 1 )Tв ( 1 )  T  R2  1 , 2 Tв ( )  0 в c   2 2 i  2 8 2  R c   2 Tв (  2 )  (  2 )Tв ( 1 )  1 2 1   яке поставлено в основу визначення коефіцієнта залежністю:  40  [uN 0 (u)  N1(u)]       2 теплопровідності за наступною UA 118349 U  5 10   2 2 2 4R c 1 2 Tв (  2 )   2 ( 1 )Tв ( 1 )  T0  вR c  1  , 2  2 2Tв ( 1 )  21 8 2  R c   2 Tв (  2 )  (  2 )Tв ( 1 )  1 2 1   де  - час, с;  в - коефіцієнт теплопровідності води, Вт/м·K; To , Tв - початкова та поточна температура теплоносія, яка вимірюється, K. Було проведено порівняння результатів розрахунків за формулою та результатів визначення коефіцієнта теплопровідності за натурними експериментами в свердловинах і даними лабораторних досліджень, які наведено в таблиці. Розбіжності у визначенні теплопровідності гірських порід за натурними експериментами і лабораторними становлять 12 % в інтервалі їх визначення від 2 до 5 годин. Порівняння експериментальних даних з розрахунками, Rc=0,05 м м  τ(год.) Тексп. Tрозр. λексп. λрозр. 0,5 44,6 1,4 1,0 33,2 35,1 1,3 1.4 1,5 27,7 31,0 1,3 1,6  2,0 24,3 28,0 1,3 1,6 2,5 22,3 24,1 1,3 1,5 3,0 20,8 22,1 1,3 1,41 3,5 19,7 20,1 1,3 1,33 4,0 18,8 18,6 1,3 1,26 4,5 18,1 16,8 1,3 1,2 5,0 17,5 15,6 1,3 1,18 5,5 16,9 15,0 1,3 1,2 6.0 16,5 14,9 1,3 1,1 Формула для визначення коефіцієнта теплопровідності містить параметри, які можуть бути визначені на підставі безпосередніх вимірів в свердловині, а саме: радіус свердловини R c , 15 20 25 початкова температура гірського масиву T0 , значення температури води, яка заповнює порожнину свердловини. Ця температура води може бути заміряна за допомогою термометра, або термопарою і зафіксована відповідними приладами. Час відповідає реальному часу проведення вимірів. Коефіцієнт теплопровідності води - відома величина, яка наведена в довідковій літературі, χ - експериментальний коефіцієнт, який характеризує відношення теплопровідності середовища до його інерційних властивостей. Таким чином, у запропонованому способі досягається спрощення визначення теплофізичних (а відповідно - й експлуатаційних) властивостей гірських порід у порівнянні з існуючими методами завдяки відсутності потреби в занадто точному розміщення приладів по об'єму свердловини та відмови від використання еталонів для уточнення результату вимірів. Джерела інформації: 1. Дзидзигури А.А. и др. Теплофизические характеристики горнах пород и методы их определения. - Тбилиси, Мецниереба. 1966. - С. 1-228. 2. Beck A.E., Anglin F.M., Soss J.H. Analysis of Heat flow Data-in situ Thermal Conductivity Measurements-Canadian Journal of Earf Scinees, 1971. - Vol. 8, № 1. - Р. 1-19 (прототип) 30 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 Спосіб визначення теплопровідності гірських порід в свердловині, при якому бурять свердловину, в яку опускають зонд з датчиками температури, вимірюють температуру зонду, після чого визначають коефіцієнт теплопровідності, який відрізняється тим, що свердловину наповнюють нагрітою або охолодженою по відношенню до гірського масиву водою, розміщують датчики температури по всій довжині обсадної труби до вибою свердловини, після чого визначають коефіцієнт теплопровідності гірських порід свердловин за допомогою формули: 2 2 4R c 1 2 Tв (  2 )   2 ( 1 )Tв ( 1 )  T  R2  1 , 2 м  0 в c   2 2Tв ( 1 )  21 8 2  R c  2 Tв (  2 )  (  2 )Tв ( 1 )  1 2 1   де  - час, с;  в - коефіцієнт теплопровідності води, Вт/м·K;  40 45    To , Tв - початкова та поточна температура теплоносія, яка вимірюється, K;  - експериментальний коефіцієнт, який характеризує відношення 2 середовища до його інерційних властивостей, м /с; R c - внутрішній радіус масиву, м. 3 теплопровідності UA 118349 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4