Способ измерения температуры горных пород в шпурах или скважинах
Изобретение относится к исследованию скважин. Цель - повышение быстродействия и точности измерения температуры горных пород. Способ включает спуск термопреобразователя (ТП) в скважину, обеспечение его контакта со стенкой, изменение температуры ТП и измерение температуры после выдержки во времени. При этом после контакта определяют направление теплового потока через контактную поверхность и формируют встречный поток ТП с заданной плотностью, определяемой по приведенной в изобретении формуле. При наличии последнего фиксируют момент переполюсовки градиента температуры между центром и периферией контактной площадки Исключают тепловой поток через ТП, производят регистрацию температуры через заданное время Последнее зависит от конструкции преобразователя и диамет ра скважины Применение способа позволяет измерить температуру горных пород с любыми теплофизпчв хими характеристиками . 7 ил
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕ CKVIX
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ ПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4451266/03 (22) 18,04.88 (46) 07,03,91. Бюл. N 9 (71) Институт технической теплофиэики АН УССР (72) Л.В, Гурьянов, 3.Я. Монастырский и В.Н, 4еринько (53) 622.241(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР М 1488455, кл, Е 21 В 47/06, 1987, (54) СПОСОБ ИЭМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРНЫХ ПОРОД В ШПУРАХ ИЛИ СКВАЖИНАХ (57) Изобретение относится к исследованию скважин. Цель — повышение быстродействия и точности измерения температуры горных пород. Способ включает спуск термопреобразователя (ТП) в скважину, Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения температуры горных пород в шпурах или скважинах, пробуренных, например, из подземных сооружений. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения. На фиг. 1 представлена конструкция термопреобразователя; на фиг. 2 — структурная схема устройства, поясняющая способ, на фиг. 3 — график зависимости безразмерной температуры термопреобразователя от времени его контакта с каменным углем; на фиг. 4 — возмущенное температурное поле горных пород из-за контакта с термопреобраэователем; на фиг. 5 — распределение по радиусу площади диаметром D значения отклонения температуры ЖО термопреобра. Ж» 1633105 А1 обеспечение его контакта со стенкой, изменение температуры ТП и измерение температуры после выдержки во времени. При этом после контакта определяют направление теплового потока через контактную поверхность и формируют встречный поток ТП с заданной плотностью, определяемой по приведенной в изобретении формуле, При наличии последнего фиксируют момент переполюсовки градиента температуры между центром и перифериеи контактной площадки. Исключают тепловой поток через ТП, производят регистра гию температуры через заданное время. Последнe;. ".àâèñèò от конструкции преобразователя и диаметра скважины. Применение способа позволяет измерить темпера уру горных пород с любыми теплофизиче.:кими характеристиками. 7 ил. зователя от искомого значения тел1пературы Т горных пород; на фиг. 6 — рафик определения коэффициента влияния диал1етрг LI термопреобраэователя; на фиг. 7 -- график определения коэффициента влияния диаметра шпура или скважины. Способ основан на теплометрическом методе нулевого теплово о потока, подогреве (или охлаждении) термопреобразователя и закомерностях искаже»ия температурного поля объекта иэмеренич (;орные породы) контактом с термопреобразователем. Способ измерения температуры горных пород осуществляется следующим обраэол1. В процессе введения дат ика в шпур термопреобраэователь своей тепловоспринимающей поверхнос1ью участвует в теплообмене излучением с горныл ll городами B 1633105 г2 т= rz — f (1 — ехрх С1 С1 Х zz — 2) А vzг — 2 С1 à Л гд Л v t2 + 1 — ехр — — — — erfc а С1 С1> а 55 (2) шпуре. При этом исключение теплового потока через термопреобразователь ограничивает объем термопреобразователя, участвует в этом теплообмене, исключает теплоотвод по арматуре термопреобразова- 5 теля, В то же время теплота, идущая на изменение теплосодержания этого объема термопреобразователя, отбирается со значительной поверхности горных пород в шпуре, что исключает локальные нарушения 10 температурного поля горных пород, окружающих шпур. Температура ЧЭ может быть найдена из формулы C* 15 71 — X 12 e u S Ж (1) он — р н — р 20 где т1 — продолжительность введения датчика в шпур (время теплообмена излучением термопреобразователя с горными породами в шпуре); С* — произведение обьемной эффективной теплоемкости на обьем термопреобразователя, участвующего в теплообмене излучением с горными породами; S, e — поверхность теплообмена термопреобразователя и степень черноты этой поверхности: о- постоянная Стефана-Больцмана: Oc — температура горных пород по Кельвину; 35 01Н, 01 — начальная и текущая температура термопреобразователя. После приведения термопреобразователя в контакт с горными породами начинается теплообмен теплопроводностью 40 между термопреобразователем и горными породами. При этом направление теплового потока зависит от нагретости термопреобразователя относительно горных пород. Поэтому после контакта определяют 45 направление теплового потока, проходящего через контактную поверхность термопреобраэователя. Формируют подведение к термопреобразователю встречного теплового потока q. При этом безразмерная тем- 50 пература термопреобразователя Т может быть представлена: тт — t1 г де Т 1о т1 to — температура горных пород, t7, t1 — текущая и начальная (предконтактная) температура термопреобраэователя; Л, а — коэффициенты теплопроводности и температуропроводности горных пород; т2 — продолжительность (время) контакта термопреобразователя с горными породами при проведении встречного теплового IlOTOKB Ц; С1 — произведение эффективной обьемной теплоемкости термопреобразователя на толщину части термопреобразователя, участвующей в теплообмене теплопроводностью с горными породами. После приобретения термопреобразователем температуры горных пород (Т = 1, т = 1,) тепловой поток р нагревает контактную с термопреобразователем поверхность горных пород, Таким образом, в процессе реализации способа безразмерная температура меняется от Т < 1 до Т =- 1 и далее Т > 1. В начале, например (Т < 1), имеет место охлаждение контактной с термопреобраэователе 1 поверхности горных пород, а затем (i 1) — перегрев этой контактной поверхности. Перегрев (или погрешность искажения) контактной поверхности горных пород «ад игкомой их температурой обусловлен теftë0выM потоком и связан с этим тепловим потоком зависимостью 4.q D (3) 3 Л А Формула (3) дает среднее по площади кон1акта диаметром отклонение температуры Л (1 контактной с термопреобразователем lloBOpxHOcTl1 горных пород над искомой температурой. Распределение значений (Л ттрн) этого отклонения (Л t1 ) по радиусу площа,,ки контак1а диаметром D пропорционально А, q, D. Таким образом, при переходе через границу Т = 1 имеет место переполюсовка градиента температуры между центром и периферией контактной с термопреобразователем поверхности горних пород, Наступление такой переполюсовки при любых теплофизических характеристиках горных пород обеспечивает плотность встречного теплового потока, которую определяют по формуле >(2 5 3 ) =- Л„(4) G где Лд- абсолютное значение допустимой погрешности измерения. Q>« — максимальное энл ение теплопроводности горных пород Нс Tðz;÷ þùèõcÿ в регионе. 1633105 Момент переполюсовки фиксируют, после чего исключают тепловой поток через термопреобразователь. В течение времени т термопреобразователь принимает температуру горных пород (Т = 1). Это время может быть оценено по формуле (2), приняв р = О. Формула (2) получена в результате решения задачи об изменении температуры бесконечной пластины (термопреобразователь), приведенной в контакт с полуограниченным массивом горных пород и потому дает завышенные над т значения для гз . В предлагаемом способе время тз корректируют экспериментально полученными коэффициентами на влияние диаметров термопреобразователя и шпура (скважины), т,е. < = k2 кз ТЗ ° (5) После истечения времени т регистрируют температуру термопреобразователя. При этом зарегистрированное значение температуры термопреобразователя равно искомому значению температуры горных пород в шпуре или скважине, а продолжительность измерения менее суммы т1, т2, из формул (1), (2), (5) ввиду обеспечения реализацией заявляемого способа выбора значения т2 в независимости от конкретных значений теплофизических характеристик горных пород в зоне контакта с термопреобразователем, Устройство содержит терморе:. 1с1орный чувствительный элемент 1, (термоме р сопротивления), преобразователь 2 теплового потока, установленные на гермоэлектрическом тепловом насосе 3 посредством тепловыравнивающей пластины 1. В преобразователе 2 теплового потока установлена дифференциальная термопара 5 с расположением спаев в центре и на периферии контактной поверхности преобразователя 2. Тепловой насос 3 смонтирован на теплоотводящем теле 6 из теплоемкого материала. Устройство включает стабилизатор 7 тока, измерительный усилитель 8, управляемый индикатор 9, первый усилитель 10, двухполярный компаратор 11, логический элемент ИЛИ-НЕ 12, блок 13 ключей, блок 14 питания, второй усилитель 15, компаратор 16, дифференциальный элемент 17, инвертор 18, логический элемент ИЛИ 19, D-три;гер 20, кнопку 21 запуска, датчик 22 конта та и ключ 23. Кнопку 21 запуска включают при введении датчика в шпур, при этом на выходе D-триггера 20 0 = О, Ключ 23 замы кает опору нулевого уровня двухполярного компаратора 11, который, сравнивая выходной сигнал усилителя 10 с нулем на уровне - Up< и 45 г. 0 55 подводя к тепловому насосу 3 через блок 13 ключей от блока 14 питания ток соответствующей полярности, обеспечивает выходной сигнал преобразователя 2 теплового потока нулевого уровня, Через тепловоспринимающую поверхность термопреобразователь 2 участвует в теплообмене излучением с горными породами в шпуре. Этот теплообмен описывается уравнением (2) и идет на изменение теплосодержания половины объема преобразователя 2 теплового потока, так как поддержание на его выходе сигнала нулевого уровня свидетельствует о равенстве нулю теплового потока через термопреобразователь на половине толщины преобразователя 2 тепловбго потока. После прижатия термопреобразователя к по верхности массива рабочие спаи термопары 5 преобразователя 2 теплового потока измеряют температуру, на выходе преобразователя 2 теплового потока появляется выходной сигнал, отличный от нуля. При этом срабатывает датчик 22 контакта и воздействует на S-вход D-триггера 20, на выходе которого устанавливается 0 = 1, Это обеспечивает подключение ключом 23 к двухполярному компаратору 11 опоры напряжением Åpp. Это напряжение тождественно усиленному в усилителе 10 выходному сигналу преобразователя 2 теплового потока, пропорционального тепловому п»o y, определенному по формуле (4). Двухполярный компаратор 11, сравнивая выходной сигнал усилителя 10 с напряжением Епп е пределах Upq, воздействуя блоком 14 питания «cpa: блок 13 ключей на тепловой насос 3, обеспечивает прохождение через преобразователь 2 теплового потока плотностью q. направляющие которого противоположны теплîpoму noòîêó в момент контакта термопреобразователя 2 с горными породами. Этот тепловой поток идет на изменение температуры термометра 1 сопротивления преобразователя 2 теплового потока и восстанов1ение температурного поля горных пород, искаженного контактом с термопреобразователем 2. ,алее наступает момент искажения температурного поля горны < пород противоположного направления, ведущий к изменению в противо: —,оложную сторону градиента температуры между центром и периферией контактной с термопреобразователем 2 площадки горного массива. Это приводит к переполюсовке выходного сигнала дифференциальной термопаоы (или батареи термопар) 5. Выходной сигнал термопары 5 через усилитель 15 направляется в компаратор 16, где сравнивается по по1633105 (6) 50 55 лярности, При переполюсовке выходного сигнала термопары 5 дифференциальный элемент 17 формирует импульс соответствующей полярности, в инверторе 18 импульс меняется на противоположный. Выходы элементов 17 и 18, поданные на входы логического элемента ИЛИ 19, открывают его выход, который воздействует на С-вход Dтриггера 20, на выходе которого Q = = 0 (т,е. О), Ключ 23 вновь подключает к двухполярному компаратору 11 опору нулевого уровня, На вход двухполярного компаратора 11 поступает через усилитель 10 выходной сигнал преобразователя 2 теплового потока, где сравнивается со значениями опор. При выходе сигнала усилителя 10 за пределы опор (+0 т...-0т „) двухполярный компаратор 11 через блок 13 обеспечивает подключение к термоэлектрическому тепловому насосу 3 тока соответствующей полярности от блока 14 питания. При этом выход логического элемента 12 заперт, тепловой насос 3 обеспечивает отвод (или подъем) теплоты от преобразователя 2 теплового потока и термометра 1 сопротивления к теплоотводящетлу телу (от тепттоогводящето тела) 6. При достижении на преобразователе 2 теплового потока сигнала нулевого уровня блок 13 ключей отключает источник 14 пита ния от теплового насоса 3, логи тескии элемент 12 обеспечивает индикацию выходного сигнала термометра 1 сопротивления, поданного через измерительныи усилитель 8 на вход управляемото индикатора 9, воздействуя на второй вход последнего. Время приобретения термометром 1 сопротивления (чувствительный элемент термопреобраэователя) температуры горных пород определяют по формуле T = K1 k2 кЗ т Ц (Л С р)мин где (Л С р) мин — минимальное значение теплоусвоения (произведение теплопроводности на обьемную теплоемкость) горных пород, встречающихся в регионе, ki — постоянный для термопреобразователя коэффициент; kz, kç — коэффициенть: влияния диаметров термопреобразователя и шпура (скважины), Формула (6) получена в результате решения задачи об изменении температуры бесконечной пластины, приведенной в контакт сполуограниченным телом,,и скорректирована экспериментально полученными коэффициентами. В формуле (6) д)(05дт Ст рт +д2 Cz р2 ) 4 Лт Лл где дт — толщина преобразователя 2 теплового потока; Сь рт, i.т — обьемная теплоемкость и теплопроводность преобразователя 2 теплового потока; А2, С2 p2 — толщина и обьемная теплоемкость слоя между преобразователем теплового потока и контактной с горными породами поверхностью термопреобраэователя 2. При расчете постоянного коэффициента термопреобраэователя в (7) д2 = О. так как тепловоспринимающей поверхностью является поверхность преобразователя 2 теплового потока. В течение времени (6) поддерживают на выходе преобразователя 2 теплового потока сигнал нулевого уровня и затем регистрируют показания индикатора 9, соответствующие температуре термометра 1 сопротивления и искомой температуре горных пород. Из графика, представленного на фиг. 6, определяют Vz в зависимости от критерия а т — —, где а — температуропроводность гор0 ных пород, встречающихся е регионе: т продолжительность поддержания на выходе т реобразонателя 2 теплового потока сигнала нулевого уровня D диаметр термопреобразователя. Из графика. представленного на фиг. 7, определяют kg в зависитлгтсти от критерия Лт . — . где R радиус шпура (скважины), р2 Применение предлагаемого способа сокращает продолжительность изменения гемпературы горных пород в шпурах (сква:.".инах), позволяет кон к ре тизировать насту; ление момента корректного измерения температуры после осуществления контакта термопреобразователя с горными породами, имеющими любые теплофизические характеристики. Повышение быстродеистви» изменения температуры достигается в основном за счет снижения возмущения температурного поля горных пород контакгом с термопреобразователем и конкретизации момента корректного измерения температуры горных пород. Формула изобретг чия Способ измерения теtлпер:1т уры горных пород в шпурах или скважина включающий осуществление конта тл термопреобразователя с ппверхнотсть торных пород, изменение тетлпературы т«рг пттреобразователя. выдержку термопр i: oíàòåëÿ во 16:33105 времени и регистрацию температуры, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, после осуществления контакта определяют направление теплового потока 5 через контактную поверхность, формируют подведение к термопреобразователю встречного теплового потока, плотность q которого определяют по формуле =25 — 3 " Л 10 р л где Ямз„— максимальное значение теплопроводности горных пород в регионе; D — диаметр термопреобразователя; Лд — допустимая абсолютная погреш- 15 ность измерения, при этом отслеживают градиент температуры между центром и периферийной контакгной поверхностью, фиксируют момент переполюсовки этого градиента и исключают тепловой поток через преобразвоатель, а регистрацию температуры осуществляют через время г, определяемое по формуле k1 "2 кз р мин где k1 — постоянный для термопреобразователя коэффициент; k2 — коэффициент влияния диаметра термопреобразователя; 1з — коэффициент влияния диаметра шпура или скважины; ц — плотность встречного теплового потока: (г1 р ) was минимальное значение тепловой активности горных пород региона. 1633105 08 07 0,7 <0 <00 (OOO t,c 1633105 2 06 0,1 Фиг. Составитель А.Рыбаков Техред М.Моргентал Редактор А,Шандор Корректор М.Шароши Заказ 603 Тираж 370 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при i KHT СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 К 8 01 008 ц06 а7 О f95 Og ф5 02 Щ 03
