ГЕОТЕРМИЧЕСКИЙ ЗОНД ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Полезная модель относится к геофизической аппаратуре и может быть использована для измерения профилей температуры, распределения теплопроводности по глубине и теплового потока в слое воды, в донных отложениях и скважинах.
Теплофизические измерения составляют основу метода теплового потока в разведке таких полезных ископаемых как нефть, газогидраты, радиоактивные элементы, месторождения которых создают аномальные (превышающие средние значения) потоки тепла, направленные из глубины осадочных пород к поверхности Земли или поверхности донных осадков в океане.
Большинство известных на сегодня устройств для измерения таких теплофизических величин как тепловой поток, температура или теплопроводность в донных осадках акваторий представляют собой свободно падающие зонды, снабженные мощными металлическими несущими штангами, трубами или иглами, к которым крепятся тонкие металлические трубки с первичными преобразователями-термисторами или проволочными сопротивлениями для измерения температуры и нагревательными элементами для измерения теплопроводности. К верхнему основанию несущей штанги крепится массивный груз, благодаря которому штанга внедряется в донные осадки.
Известно устройство для измерения геотермического потока через дно акваторий, содержащее датчики температуры, установленные на трубе зонда, и, по крайней мере, один дистанционно управляемый нагреватель датчика. Труба зонда прикреплена к герметичному контейнеру, внутри которого находится устройство для определения разности температур (а.с. СССР №408254).
Известно устройство для проведения теплофизических исследований в донных илах акваторий (а.с. СССР №1520465). Устройство содержит герметичный контейнер с аппаратурой и механизмом перемещения, состоящим из электродвигателя и выведенных наружу барабанов, несущую трубу-пробоотборник, игольчатые зонды с термочувствительными элементами и нагревателями, жестко закрепленные острием вверх кронштейнами из теплоизолирующего материала на втулке. Втулка, выполненная в виде полого цилиндра, установлена на трубе-пробоотборнике с возможностью вертикального перемещения и соединена с барабанами посредством гибких связей. Контейнер подсоединен к кабель-тросу, с помощью которого устройство опускается на дно водоема. Под действием собственного веса или с помощью грузов-утяжелителей
труба пробоотборника углубляется в донный илистый грунт, который при этом ее заполняет. Замер теплофизических характеристик производится непрерывно по всей высоте погружения в донные осадки трубы пробоотборника. Устройство позволяет регистрировать температуру и теплопроводность осадков, не нарушенных при внедрении в них зонда.
Известен геотермический зонд «ГЕОС-3М» (разработан Самарским политехническим университетом, изготовитель - НПЦ "ПАЛС", г.Самара;
http://geotherm.ginras.ru/06_03_aqua_rus.htm:
http://geotherm.ginras.ru/Pdf/image06_03_G1.pdf). Система ГЕОС-3М предназначена для автоматического измерения температуры донных осадков; градиента температур на измерительных горизонтах; теплопроводности осадков на тех же горизонтах; гидростатического давления (глубины); температуры воды; угла внедрения зонда в осадки (угла отклонения от вертикали) и определения на основе полученных данных глубинного теплового потока Земли через дно акваторий. Кроме того, зонд позволяет осуществлять вертикальное температурное зондирование водной толщи до глубины, определяемой длинной кабель-троса. Результаты измерений заносятся в память бортового компьютера и отображаются на экране дисплея.
Устройство представляет собой геотермический зонд, погружаемый в измеряемую среду, и бортовой блок, соединенные между собой кабель-тросом.
Зонд представляет собой герметичный контейнер, в котором расположен электронный измерительный блок с термистором для измерения температуры придонного слоя воды, датчиком давления и уклономером. Нижняя часть контейнера присоединена к несущему стальному стержню, вдоль которого закреплены две тонкие металлические трубки, образующие измерительные «косы». В одну из них помещены термисторы для измерения профиля температуры осадков, а в другую - нагревательные элементы, используемые в качестве источников тепла при измерении теплопроводности, и термисторы, используемые для контроля температуры нагревательных элементов.
Использование двух разных измерительных «кос» для измерения градиента температур и определения теплопроводности, каждая из которых снабжена своим набором датчиков температуры, приводит к снижению точности измерений теплового потока, так как ошибки измерений температуры при определении градиента температуры и определении теплопроводности в этом случае складываются
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является модификация вышеописанного геотермического зонда ГЕОС-3М. Принципиальная схема
модифицированной версии зонда описана в аннотированном отчете «Исследование геотермической специфики структурно-тектонических элементов Российской Арктики» за 2007 год Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Российского Университета Дружбы Народов, опубликованного на сайте www.rad.pfu.edu.ru/info/sc/otc_templan.doc.
Зонд также состоит из несущего стержня и герметичного контейнера, в котором расположен электронный измерительный блок с термистором для измерения температуры придонного слоя воды, датчиком давления и уклономером. Нижняя часть контейнера присоединена к несущему стальному стержню, вдоль которого закреплены две тонкие металлические трубки, образующие измерительные «косы». Но, измерительные «косы» зонда-прототипа выполнены идентичными по конструкции и взаимозаменяемы. Каждая из «кос» содержит блок измерения теплофизических величин, состоящий и из датчиков температуры, и нагревателя, который представляет собой линейный нагреватель, равномерно распределенный по длине «косы».
Посредством кабель-троса зонд соединен с бортовым блоком, предназначенным для работы с персональным компьютером через стандартный порт USB. Бортовой блок обеспечивает электрическое питание зонда и передачу получаемой с зонда измерительной информации в персональный компьютер. В персональном компьютере осуществляется вычисление всех прямо или косвенно измеряемых параметров и их представление в виде таблиц и графиков.
В качестве датчиков температуры применены миниатюрные термисторы. В «косе» для измерения теплопроводности по команде оператора включается ток нагрева.
Контейнер зонда содержит датчики гидростатического давления, температуры воды и угла внедрения зонда, а также электронный измерительный блок, включающий микроконвертор, преобразующий сигналы датчиков в цифровые коды, и микропроцессор, обеспечивающий передачу всех цифровых данных по кабелю в бортовой блок.
Первичный измерительный преобразователь давления представляет собой тензопреобразователь давления.
Датчик угла внедрения зонда в донные отложения представляет собой миниатюрный акселерометр.
Отметим, что для всех вышеописанных известных зондов, в том числе и прототипа, использование металлического несущего стержня для проникновения вглубь донных осадков приводит к искажению получаемых данных из-за высокой
теплопроводности металла, что снижает вероятность обнаружения температурных аномалий в верхнем слое осадков, а случайная глубина погружения датчиков в осадки с неизвестной и изменяющейся с глубиной плотностью при свободном падении делает практически невозможным использование зондов для оценки пространственных масштабов локальных микромасштабных температурных аномалий, вызванных, например, приливными вариациями температуры верхнего слоя донных осадков или пространственными смещениями течений, которые приводят к искажению результатов измерений глубинного теплового потока. Процедура измерения температур сильно удлиняется, так как требует длительного процесса термостатирования датчиков вначале из-за взаимного разогрева за счет трения проникающих частей зонда и окружающего их осадка, а затем из-за перераспределения температур в осадках вызванного более высокой теплопроводностью металлических деталей зонда.
Кроме того, принципиальным ограничением возможностей измерения теплофизических величин, в том числе и теплового потока, зондом-прототипом является конструктивная сложность устройства, снижение точности измерения из-за использования в «косе» измерения теплопроводности в качестве нагревателя - линейного нагревателя, равномерно распределенного по длине «косы», что, в сочетании с длинной металлической трубкой, в которую помещен блок измерения теплофизических величин в виде линейного нагревателя и термисторов приводит к влиянию удаленных участков нагревателя на температуру, измеряемую каждым термистором, а это существенно снижает возможности разделения горизонтальных слоев осадков с разной теплопроводностью, что особенно важно для верхнего слоя донных осадков, теплопроводность которого значительно изменяется с глубиной из-за уменьшения влажности.
Задачей полезной модели является повышение точности измерения теплофизических характеристик, увеличение глубины измерений в донных осадках и контролируемое изменение на заданную величину горизонтов измерения теплофизических характеристик при одновременном упрощении конструкции зонда.
Поставленная задача решается геотермическим зондом для измерения теплофизических величин, состоящим из несущего стержня, в верхней части которого установлены содержащий электронный измерительный блок герметичный контейнер и устройство заглубления, при этом несущий стержень выполнен из материала, теплопроводность которого ниже теплопроводности измеряемых отложений, и снабжен желобом с установленными в нем как минимум одним блоком измерения
теплофизических величин, содержащим температурный датчик, совмещенный с нагревательным элементом.
Для расширения функциональных возможностей зонда и повышения точности измерений зонд может быть оборудован датчиками гидростатического давления и/или угла внедрения зонда, которые устанавливают в контейнере.
Зонд может быть снабжен телекамерой для контролирования места его внедрения.
Электронный измерительный блок зонда предназначен для преобразования сигналов датчиков в цифровые коды, и может быть выполнен, например, на базе микроконтроллера с АЦП. Полученные цифровые коды могут затем передаваться по кабелю в бортовой блок регистрации в режиме реального времени или храниться в памяти электронного измерительного блока при условии оборудования его автономной системой сбора и хранения информации, например, в виде контроллера с флэш-памятью и/или других устройств для сбора информации
Несущий стержень зонда может быть выполнен в форме иглы.
Устройство заглубления может быть расположено в контейнере с электронным измерительным блоком или располагаться в отдельном контейнере последовательно или параллельно первому.
На фиг. представлена схема заявляемого зонда, где 1 - несущий стержень, 2 - блоки измерения теплофизических величин, включающие датчик температуры и совмещенный с ним нагревательный элемент, 3 - электронный измерительный блок, 4 - устройство заглубления, 5 - система регистрации, 6 - кабель - трос, 7 - блок питания устройства заглубления и нагревательного элемента.
Блоки (2) измерения теплофизических величин, содержат датчик температуры и совмещенный с ним нагревательный элемент. Как правило, датчик температуры представляет собой цилиндрический термистор, снабженный изолирующей оболочкой, а нагревательный элемент может быть выполнен, например, в виде проволоки из высокоомного материала, намотанной на изолирующую оболочку термистора. Полученный блок (2) установлен в желобе (на фиг не показан), выфрезерованном по направляющей стержня (1) вдоль всей его длины.
Совмещение датчика температуры и нагревательного элемента в одном блоке (2) измерения теплофизических величин позволяет повысить точность измерения теплового потока за счет уменьшения ошибок измерения градиента температуры в осадках и определения теплопроводности, так как в этом случае температура каждого
горизонта, на котором располагается блок (2), измеряется одним и тем же термистором.
Количество блоков (2), располагаемых в желобе несущего стержня (1), может быть произвольным и определяется задачей исследования и геометрическими размерами датчиков. Блоки (2) соединяются с электронным измерительным блоком (3) проводами, уложенными в желоб несущего стержня (1).
2
Для изготовления несущего стержня используют материал, теплопроводность которого ниже теплопроводности донных осадков, то есть как правило, не выше 0,92 Вт/м для морских осадков (Справочник физических констант горных пород. Под ред. С.Кларка мл. М.: Мир, 1969, 544 с.). Такую теплопроводность имеют, например, дерево, пластмасса и другие подобные материалы. Использование этих материалов позволяет исключить перераспределение (выравнивание) температуры между слоями осадков и тем самым существенно снизить погрешности измерений, вызванные влиянием измерительного устройства на результаты измерений. Использование для изготовления несущего стержня материалов с более низкой теплопроводностью, чем теплопроводность осадков, позволяет также устанавливать температурные датчики непосредственно на несущем стержне, что существенно упрощает механическую конструкцию устройства и повышает его надежность.
Устройство (4) для заглубления зонда может быть выполнено, например, в виде электромеханического или пневматического вибратора, установленного в верхней части несущего стержня (1). Это устройство (4) обеспечивает заглубление на заданную глубину в осадки несущего стержня (1) по команде, передаваемой на него либо по кабель-тросу (6) либо по акустическому каналу. Питание устройства (4) может быть как автономным, так и через питающий кабель-трос.
Устройство (4) заглубления позволяет изменять горизонты измерения температуры на заданную величину, что при одновременном использовании несущего стержня (1), выполненного из материала с соответствующей теплопроводностью и конструкцией блока (2) измерения теплофизических величин, состоящим из датчика температуры, совмещенного с нагревательным элементом, позволяет обнаружить мелкомасштабные температурные аномалии и неоднородности теплопроводности в верхнем слое донных осадков, и учесть их влияние на результаты измерений глубинного геотермального потока, что приводит к уменьшению ошибок обнаружения аномальных тепловых потоков, вызванных месторождениями полезных ископаемых, например, углеводородов.
Размещение электронного измерительного блока (3) и устройства (4) заглубления в контейнеры обтекаемой, вытянутой по вертикали вдоль оси зонда, формы позволяет облегчить погружение зонда в осадки на глубину, превышающую собственную длину зонда вплоть до глубины, на которой мощность устройства заглубления оказывается недостаточной для дальнейшего продвижения вглубь, повысить гидродинамические характеристики зонда, а следовательно снизить энергоемкость погружения и увеличить глубину исследования.
Геотермический зонд работает следующим образом.
В случае использования геотермического зонда для измерения теплового потока через дно акваторий зонд опускается на кабель-тросе (6) сначала в слой воды с постоянной по глубине температурой, предварительно измеренной высокоточным термометром, и в этом слое выдерживается в течение времени, необходимого для выхода на постоянный уровень показаний (сигналов) всех датчиков температуры блоков (2). Уровень сигнала каждого датчика температуры, соответствующий температуре воды в слое, фиксируется в измерительном блоке (3) и системе (5) регистрации и таким образом осуществляется калибровка зонда. Затем зонд опускается до касания дна острием несущего стержня (1) и глубина погружения до касания дна принимается за нулевую глубину в осадках. Дальнейшее заглубление несущего стержня (1) с блоками (2) в осадки осуществляется сначала под собственным весом (до момента отсутствия натяжения кабель-троса (6)), а затем путем включения устройства (4) заглубления на время, необходимое для продвижения вглубь осадков на заданное расстояние. Включение устройства (4) заглубления осуществляется с борта судна путем подачи на него напряжения с блока питания (8). После выполнения очередного заглубления зонд фиксируется на достигнутой глубине на время, необходимое для выхода на постоянный уровень сигналов от всех температурных датчиков блока (2). Затем включаются нагревательные элементы блока (2), которые нагревают металлические корпуса термисторов до температуры приблизительно на 3-4°С превышающей температуру среды, измеренную на предыдущем шаге. Температура, до которой разогревается корпус каждого термистора, измеряется самим этим термистором с точностью ±0.01°С. После выключения нагревательных элементов корпуса термисторов остывают. Скорость остывания зависит от теплопроводности грунта в точке расположения термистора. Таким образом, при разной скорости остывания термисторов, расположенных на разных глубинах, удается получить профиль теплопроводности в осадках, что при неоднородности (слоистой структуре) осадков позволяет существенно повысить точность измерения теплового потока.
Температурные постоянные термисторов, установленных в несущем стержне, корректируются по отношению к температурным постоянным свободных термисторов путем калибровки в среде с известной теплопроводностью, например, воде.
После завершения измерений градиентов температуры и теплопроводности на исследуемых уровнях, на которых установлены блоки (2) измерения температуры-теплопроводности, вновь включается устройство (4) заглубления и зонд заглубляется на очередной горизонт, на котором повторяется цикл измерений. Оптимальной глубиной очередного горизонта является глубина, при которой положение верхнего блока (2) зонда совпадает с положением нижнего блока (2) на предыдущем горизонте.
Конкретная аппаратурная реализация электронного измерительного блока (3), устройства заглубления (4), датчиков температуры и нагревателей является стандартной, известной среднему специалисту и зависит от поставленной задачи измерения, требуемой точности, разрешающей способности, быстродействия.
Таким образом, предложенное конструктивное решение заявляемого геотермического зонда для измерения теплофизических характеристик, таких как температура, теплопроводность и тепловой поток, позволяет производить измерения до глубины, определяемой главным образом мощностью устройства заглубления. Точность измерения определяется характеристиками используемых датчиков температуры и точностью их калибровки перед погружением. Кроме того, зонд делает возможным обнаружение и оценку пространственных мелкомасштабных температурных аномалий, которые являются помехой при измерениях геотермального теплового потока, и таким образом позволяет уменьшить ошибки обнаружения аномальных тепловых потоков, вызванных месторождениями полезных ископаемых, например, углеводородов.