Метод исследования теплопроводности флюидонасыщенных пород при пластовых термобарических условиях и его аппаратурное оформление

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ ПОРОД ПРИ ПЛАСТОВЫХ ТЕРМОБАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ И ЕГО АППАРАТУРНОЕ ОФОРМЛЕНИЕ

М.А. Кузнецов, А.В. Богданов, П.О. Овсянников (ФГБОУ ВПО «ТамГТУ»),

Е.Б. Григорьев

Выполненный в [1] анализ методов и оборудования для исследования теплопроводности сухих и флюидонасыщенных горных пород показал, что наиболее приемлемыми для поставленных целей являются стационарные методы. Они предназначены для определения теплопроводности породы с погрешностью до 3 % в интервале температур 200^500 К при давлениях более 100 МПа, что позволяет моделировать термобарические условия естественного залегания углеводородонасыщенных пластов на глубинах до 4000 м [2]. Описанное в [3] устройство реализует стационарный метод плоского слоя. Давление до 150 МПа на исследуемый образец создается в термостатированном автоклаве, заполненном передающей давление жидкостью. При этом в автоклав помещается также электрический нагреватель, создающий тепловой поток, холодильник, термопары для измерения разности температур нагревателя и холодильника и абсолютной температуры опыта, система компенсации и измерения потерь тепла нагревателя. Это требует использования сложных устройств герметизации входящих в автоклав измерительных коммуникаций, приводит к возникновению дополнительных погрешностей из-за неконтролируемого теплопе-реноса через коммуникации и механического воздействия давления на материал термоэлектродов измерительных термопар.

Также стационарный метод плоского слоя используется авторами [2, 4]. Примененное ими устройство отличается тем, что давление до 350 МПа на образец создается газом (аргоном). Использована более совершенная методика учета погрешностей измерения теплопроводности, но основные недостатки [3] сохранились. Кроме того, такой вариант требует использования сложного компрессорного оборудования и взрывоопасен.

В работе [5] для измерения коэффициента теплопроводности использовалось устройство, работающее по стационарному методу коаксиальных цилиндров. Устройство имеет недостатки двух предыдущих и, кроме того, предъявляет повышенные требования к точности изготовления контактирующих с цилиндрической поверхностью образца деталей для обеспечения хорошего теплового контакта. При несоблюдении этого условия существенно снижается точность измерения теплопроводности.

Все описанные устройства труднореализуемы из-за необходимости поддержания высокого давления в достаточно большом объеме, трудностей учета тепловых потоков и большого количества измерительных коммуникаций, требующих их герметизации.

Предлагаемое устройство (рис. 1) предназначено для измерения теплопроводности флюидонасыщенных горных пород при по-ровом давлении до 100 МПа и температуре 200^500 К с погрешностью до 3 % . Оно реализует метод стационарного плоского слоя и отличается от описанных выше тем, что нагреватель 2 и холодильник 3 одновременно являются конструктивными силовыми элементами измерительного автоклава, а измерительные термопары 6, 7 и электрический нагреватель 5 оказываются разгруженными от давления, что значительно упрощает аппаратурное оформление опыта и повышает точность определения теплопроводности флюидонасыщенного под давлением пористого образца за счет снижения неконтролируемых переносов тепла и исключения влияния давления на термоЭДС измерительных термопар. При этом давление создается только в объеме цилиндрического образца 1.

Устройство состоит из цилиндрической обечайки 4, изготовленной из нержавеющей хромоникелевой стали. Днища 2 и 3 изготавливаются из прокатной неотожженой меди и являются одновременно нагревателем и холодильником образца 1. При такой конструкции измерительной ячейки важно подобрать материалы с определенным сочетанием механических и теплофизических свойств. Обечайка 4 должна иметь низкую теплопроводность, сопоставимую с теплопроводностью флюидонасыщенной горной породы (3-12 Вт/(мК), чтобы как можно большая часть теплового потока от электронагревателя 5 шла не через обечайку, а через образец 1. Днища 2 и 3 должны иметь возможно большую

Рис. 1. Принципиальная схема устройства: 1 - образец; 2 - днище (нагреватель);

3 - днище (холодильник); 4 - цилиндрическая обечайка; 5 - электрический нагреватель; 6 - термопара холодильника; 7 - термопара нагревателя; 8 - прокладки из пластичного материала; 9 - трубка для вакуумирования и создания порового давления в образце; 10 - шпильки

теплопроводность, чтобы точно измерять температуру на торцевых поверхностях образца 1. Механические и теплофизические свойства используемых материалов представлены в таблице.

В одно из днищ в радиальное сквозное отверстие помещается электрический нагреватель 5. Для измерения температуры днища 2 (нагревателя) и днища 3 (холодильника) используются термопары 7 и 6, помещенные в радиальные глухие отверстия. В обечайку 4 вварена трубка 9, через которую образец 1 вакуумируется, а затем насыщается исследуемым флюидом под давлением Р.

Устройство работает следующим образом. Между днищем и обечайками помещаются прокладки 8 из пластичного материала (отожженная медь, фторопласт и т.д.), что обеспечивает надежный тепловой контакт нагревателя 2 и холодильника 3 с образцом

1. Конструкция стягивается шпильками 10 и помещается в термостат. Теплота Q, выделяемая электрическим нагревателем 5, создает тепловые потоки:

2 = и = й + ^2 + Япаші + Япаш 2 + ЯпотЗ’

где и - напряжение; J- сила тока; Q1 - тепловой поток через образец 1; Q2 - тепловой поток через обечайку 4; Qrюml - осевой поток

неконтролируемых потерь тепла от нагревателя; 2пот2 - радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от нагревателя; 2пот3 -радиальный поток неконтролируемых потерь тепла от обечайки.

Механические и теплофизические свойства используемых материалов при і = 20 °С

Материал Свойство Сталь12Х18Н10Т (закалка 10201100 °С, охлаждение - воздух) [6] Деформированная медь М3 [7] Отожженная медь М3 (отжиг 850900 °С, охлаждение - воздух) [7]

Предел прочности ав, МПа 510 340-450 220-245

Предел текучести МПа 196 380 70

Модуль упругости Е, ГПа 198 115 115

Твердость НВ 10-1, МПа 179 120 40

Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м  К) 15 390 390

Удельная теплоемкость С, Дж/(кг  К) 462 (при t = 100 °С) 385 385

Температурный коэфициент линейного разшире-ния а  106 , К-1 16,6 16,8 16,8

Ударная вязкость КСи, Дж/ см2 286 - 500-550

Коэффициент Пуассона 0,28 0,32-0,35 0,32-0,35

Для учета тепловых потоков б2 , дпот1 , дпот2 и дпот3 ^едшри-тельно выполняют тарировку устройства без образца 1 при температуре от 200 до 500 К и фиксированной разности температур нагревателя и холодильника Т - Т2. При этом полость для образца 1 вакуумируется через трубку 9, а ее внутренние поверхности предварительно полируются. Таким образом, тепло в полости

1 не передается ни теплопроводностью, ни конвекцией, ни излучением, т.е. = 0, и характер зависимости = F(T) определяет-

ся только изменением теплопроводностей материала обечайки 4

и теплоизолирующего материала вокруг устройства в рабочем температурном интервале от 200 до 500 К.

Температура опыта:

Т - Т

Т = т +-^------2

терм. 2 5 ^'

где бс = ^0^0 = 02 + бпот1 + бпот2 + бпот3 - количество тепла, нео^

ходимого в опыте без образца для поддержания фиксированной разности Т - Т2 для текущей Т; Ттерм - температура в термостате; Т - температура нагревателя, измеренная термопарой 7; Т2 - температура холодильника, измеренная термопарой 6.

После определения зависимости б0 = F(T) в устройство помещается образец 1, через который устанавливается тепловой поток

б. Это приводит к охлаждению нагревателя 2 и нагреву холодильника 3. Следовательно, для поддержания фиксированной разности Т - Т2 к электрическому нагревателю 5 необходимо подвести дополнительно:

а=б - о, = и - щ0.

Тогда для текущей Т и порового давления Р получаем рабочую формулу:

Я =

где I - длина образца 1, м; S - площадь поперечного сечения образца, м2; X - теплопроводность образца, Вт/м  К.

Устройство рассчитано на прочность для образца породы диаметром й = 30 мм и длиной I = 20 мм, изготовленного из бурового керна.

Аппаратурное оформление рассмотренного метода и реализующего его устройства представлено на рис. 2.

Рис. 2. Схема экспериментальной установки: 1 - измерительная ячейка;

2 - жидкостной термостат с температурой Т; 3, 7, 12, 14 - вентили; 4 - регулятор величины Т1 - Т2; 5 - источник питания градиентного нагревателя; 6 - сосуд Дьюара с тающим льдом; 8 - персональный компьютер; 9 - сосуд для заполнения измерительной ячейки флюидом, жидким при НУ; 10 - аналогоцифровой преобразователь сигнала термопар; 11 - пресс грузопоршневого манометра;

13 - вакуумный насос; 15 - отвод для заполнения измерительной ячейки флюидом, газообразным при НУ; 16 - разделитель давления; 17 - термопары измерительной ячейки; 18 - градиентный нагреватель измерительной ячейки

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 11-08-00094-а).

Список литературы

1. Кузнецов М. А. Состояние теплофизических исследований пластовых систем / М.А. Кузнецов, П.О. Овсянников, Е.Б. Григорьев // Вести газовой науки. Актуальные вопросы исследования пластовых систем месторождений углеводородов: сб. науч. ст. - Ч. 2. - М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. - С. 69-82.

2. Эмиров С.Н. Теплопроводность песчаников в условиях высоких давлений и температур / С.Н. Эмиров, Э.Н. Рамазанова // Теплофизика высоких температур. - 2007. - Т. 45. - № 2. - С. 1-4.

3. Курбанов А.А. Теплопроводность газо-, водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях моделирующих глубинные залегания пластов // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1988. - С. 107-112.

4. Эмиров С.Н. Экспериментальное исследование теплопроводности полупроводников и горных пород при высоких давлениях и температурах: дис. д-ра техн. наук / С.Н Эмиров. - Махачкала. 1997. - 306 с.

5. Масленников А.И. Исследование влияния давления и температуры на теплопроводность горных пород (сухих. водо и нефтенасыщенных): дис. канд. тех. наук / А.И. Масленников. - М. 1977. - 127 с.

6. ООО Инженерный союз. Электронный ресурс. http:// www.12821-80.ru/style12X18H10T.php

7. ООО «Мелита». Электронный ресурс. http://melita.com.ua/ spravochnik_med.html