Устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине

 

Союз Советских

Социалистическик

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТВУ и,922605 (6! ) Дополнительное к авт. спид-ву(22)Заявлено 25.06.80 (2!) 2946445/18-25 с присоединением заявки М— (23) Приоритет (5! )М. Кд.

G 01 !! 25/18

Р!оудоротоенный комитет

СССР ло делам изобретений н открытий (53) УДК 536.6 (088. 8) Опубликовано 23.04.82. Бюллетень p@ 15

Дата опубликования описания 26.04.82

И. И. Бевзюк, О. А. Геращенко, Т. Г. Грищенко, " Р;-И.Костас и С. ф. Михайлюк (72) Авторы изобретения

Институт геофизики им. С. И. Субботина и !нститут . технической теплофизики АН Украинской ССР "(71) Заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ

ПАРА!!ЕТРОВ 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, вентилируюцихся 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 помощью электронагре" вателя разогрев горных пород. Процесс нагрева длится от нескольких десятков до нескольких сотен минут. После отключения электронагревателя по показаниям датчика температуры определяют время восстановления температурно, го режима скважины, которое также может достигать 200-300 мин, а затем по расчетной формуле вычисляют коэффициент теплопроводности Г1).

Недостатком этого устройства является необходимость в мощных источниках электрического тока, в наборе зон10 дов ра-ных размеров для проведения из" мерений в скважинах различных диаметров, так как условие обеспечения надежного теплового контакта зонда со стенками скважины является основопо-, 15 лагающим. Кроме того, большая продолжительность эксперимента из-за необходимости сначала прогреть околоскважинное пространство, а затем ожидать восстановления температурного режима; низкая точность определения теплопроводности горной породы в массиве из-за невозможности обеспечить и проконтролировать надежный тепловой кон922605

4 такт между зондом и стенками скважины вследствие их неровностей, трещин, каверн и т,п. из-за нарушения термодинаиического состояния массива в силу длительного прогревания мощным электрическим нагревателем. Кроме того, устройство, позволяет определить, кроме коэффициента теплопроводности, еще только значение температуры (до момента включения нагревателя),, Наиболее близким к предлагаемому является устройство для определения тепловых параметров горных пород в скважине, содержащее корпус с установленным в нем датчиком температуры, подключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважине, а корпус представляет собой резиновый надувной баллон, в который завулканизированы электрический нагреватель постоянной мощности и теплочувствительный элемент. Теплочувствительный элемент представляет собой термоэлектрическую (медь-константановую) батарею, рабочие спаи которой равномерно распределены по поверхности резинового баллона, а холодные спаи, играющие роль реперных, соединены вмест=-" и вынесены за пределы корпуса на 0,$ м ниже его. Устройство опускают в скважину, обязательно необсаженную, на заданную глубину. При помощ насоса в баллон нагнетают воздух для обеспечения пр. легания поверхности устройства к стенкам скважины, включают нагреватель и одновременно начинают регистрировать показания теп лочувствительного элемента. Этим фиксируется ход изменения во времени раз ности температур поверхности зонда, т.е. температуры поверхности горного массива, и температуры скважинного наполнителя на расстоянии 0,5 м ниже зонда. Эксперимент длится 3-5 ч. По результатам измерений строится график, при помощи которого определяется темп нагрева или охлаждения горного массива, величина которого позволяет найти коэффициент теплопроводности с погрешностью не менее >2i L23

Однако устройство имеет низкую точ ность определения коэффициента теплопроводности горных пород в массиве скважины из-за нарушения термодинамического состояния массива в силу

Необсаженная скважина - это сква- жина, в которую не опущена колонна металлических обсадных труб.

25 зз

Ю

55 длительного прогревания посторонним источником тепла, большую продолжи.тельность и трудоемкость эксперимента из-за необходимости нагнетать воздух El устройство, прогревать околоскважинное пространство и ожидать восстановления стационарного теплового состояния. Кроме того, устройство неприменимо для работы в обсаженных скважинах из-за присутствия в них колонны металлических обсадных труб и в скважинах, глубина которых превышает 20 м.

Другими недостатками устройства являются.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 параметров в условиях ненарушенного термодинамического состояния горных пород в сква жине.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения коэффициента теплопроводности горных пород в скважине, содержащем корпус с укрепленным в нем датчиком температуры, подключенным к измерительной аппаратуре, расположенной вне скважины, дополнительно введены датчик температуры, датчик теплового потока с заданнои теплопроводностью и электронный блок, смонтированные в верхней части корпуса устройства, причем датчики температуры, датчик теплового потока и электронный блок расположены по оси корпуса устройства, при этом датчики температуры установлены симметрично llo разные стороны от датчика теплового потока таким образом, что отношение расстояния между датчиками температуры к длине датчика теплового потока составляет от 20 до 200.

Кроме тоГо, электронный блок содержит два идентичных автогенератора„ к входам которого подключены оба датчика температуры, опорный генератор, распределительный ключ, смеситель сигналов, блок согласования, ключ управления и коммутатор, причем выходы 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- 5 ления,к двум другим входйм которого подключены выходы датчика теплового потока, а коммутатор подсоединен к распределительному ключу и ключу управления. о

На фиг. 1 представлена конструктивная схема устройства; на фиг. 2 структурная схема электронного блока, Устройство состоит из трех основных узлов: термоградиентомера, датчика 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 в скважине, включает в себя нижний 1 и верхний 2 датчики температуры. В качестве датчиков температуры использованы малогабаритные термозависимые кварцевые резонаторы с рабочей частотой 28 МГц и температур- 30

1 ным коэффициентом частоты 1000 ГЦ/К (TKP 1 и TKP 2). Оба эти датчика помещены в выфрезерованные под их размер гнезда в металлических контейнерах 3 и 4, первый из которых распо- з ложен в охранном кожухе 5, а второй в охранном кожухе 6.

Датчик 7 теплового потока с известной теплопроводностью, предназначенный для измерения плотности теп- ео лового потока через эталонный образец, функцию которого он же исполняет, представляет собой термоэлектрическую батарею, выполненную в виде плоского диска со сквозным отвер- 4 стием по центру. Датчик 7 теплового потока укреплен в стакане 8, установленном в кожухе 9, к которому с двух торцов посредством резьбового соединения присоединены охранные кожухи 5 и 6

Электронный прибор 10 прибора, предназначенный для коммутации и обработки выходных сигналов измерительных датчиков 1, 2 и 7 помещен a герметичном кожухе 11, сочлененном со вторым торцом кожуха 6 посредством винтов. Второй торец герметичного

05 6 кожуха 11 сочленен при помощи резьбового соединения с кожухом 12 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, загерметизированы . при помощи резиновых прокладок и специальных заглушек. В 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 csoбодный 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, опэрный 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

Ъ установленной у устья скважины.

Устройство работает следующим образом.

После опускания устройства на кабель-тросе в скважину с наполнителем через некоторый промежуток времени, соответствующий восстановлению стационарного состояния в скважине, при помощи вторичной аппаратуры, установленной у устья скважины, производят регистрацию сигналов, поступающих по кабелю, и определяют указан ным способом коэффициент теплопровод" ности горных пород, и другие тепловые параметры (плотность теплового пото- ка, геотермический градиент и температуру), Электронный блок во время измерений функционирует следующим oG" разом.

При измерении температуры нижним или верхним датчиком на вход смеси« теля 21 сигналов поступают сигналы вы922605 сокой частоты (около 28 МГц) от идентичных автогенераторов 17 или 18 и высокостабильного опорного кварцевого генератора 19 с термокомпенсацией через электронный распределительный

5 ключ 20.

В смесителе 21 сигналов происходит алгебраическое вычитание частот и на его выход поступает низкочастотный сигнал, пропорциональный замерен- i0 ным температурам в двух сечениях скважины. По такой же схеме измеряется и разность этих температур, только в этом случае на вход смесителя сигналов поступают сигналы одновре- is менно от двух идентичных автогенераторов 17 и 18 и вычитаются один из другого. С выхода смесителя низкочастотный сигнал поступает на вход блока 22 согласования, который пред- щ назначен для согласования выходного сопротивления смесителя сигналов с входным сопротивлением кабеля. Выход блока 22 согласования присоединен к одному из входов ключа 23 управле- 2s ния с двумя другими входами которого соединены выходы датчика теплового потока. Сигналы с ключа 23 управления по двум жилам кабеля поступают на вход вторичной аппаратуры 25. Па з0 третьей жиле кабеля производится питание электронной схемы устройства и одновременно через блок управления осуществляется уп.реале:-:ие блоком 24 коммутации.

Термоградиентомер в устройстве выполнен на базе 1 м, т.е. датчики температуры расположены в устройстве в разных частях таким образом, что оказываются в скважине в двух сечениях, расстояние между которыми 1 м. Ввиду этого их разностный сигнал соответствует перепаду температур в скважине на длине 1 м, т.е. равен геотермическому градиенту. Выбор базы в конД кретном устройстве определен условиями измерения и конструктивными особенностями. о Взаимное расположение электронного узла, датчиков температур и датчика теплового потока в корпусе уст50 ройства, как показывают результаты теоретического расчета и моделирования, определяются энергией рассеивания электронным узлом и отношением расстояния между датчиками температур к длине датчика теплового потока.

Влияние датчиков друг на друга и неоднородностей геологического разреза в скважине на результаты измерений исключается, если указанное отношение находится в пределах от 20 до 200.

Электронный узел располагается над верхним датчиком температуры на расстоянии, при котором его влияние на локазания датчиков не сказывается.

Предлагаемое устройство для опре.деления коэффициента теплопроводности горных пород в скважинах приводит к повышению точности измерений примерно на 5-74 за счет сохранения ( термодинамического состояния горного массива скважины без нарушений и благодаря оригинальным конструктивным особенностям устройства, а именно во время измерений термодинамические условия залегания пород не нарушены, поскольку исключены искусственные нагрев и охлаждение массива и исключены погрешности из-за несоответствия диаметра скважины размерам скважинного зонда, а также несоблюдения теплового контакта вводимого образца со стенками скважины. Измерение геотермического градиента и плотности теплового потока производится с высокой точностью, что позволяет определять коэффициенты теплопроводности горных пород в скважине с погрешностью не хуже 64.

Формула изобретения

1. 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 отношение расстояния между датчиками температуры к длине датчика теплового потока составляет от 20 до 200.

2. Устройство по п.l, 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, распределительный ключ, смеситель сигналов, блок согласования, ключ управления и коммутатор, причем выходы двух идентичных автогенераторов и опорного генератора через распределительный ключ подсоединены к входу смесителя сигналов, выход которого через блок согласования присоединен к одному из входов ключа управления, к двум

922605 10 другим входам которого подключены выходы датчика теплового потока, а коммутатор подсоединен к распределительному ключу и ключу управления.

1 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Beck А.Е., Anglln Г.M., Sass J.H

Analysis of Heat Flow. Date-lnsitu

Thermal ConductIvity Neasurements.CanadIen Journal of Eart 5сlenc Is, vol 8., III 1, 1971, р. 1-19.

2. Филиппов П. И. К методике определения теплофизических свойств.. горных пород в буровых скважинах. В сб. Тепловые процессы в мерзлых породах. М., "Наука", 1964, с.178-181 (прототип).