СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ДАВЛЕНИЯ ДО 100 МПА НА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ ПОРИСТЫХ ТЕЛ
METHOD TO MEASURE IMPACT OF PRESSURE OF UP TO 100 MPA AT HEAT CONDUCTIVITY OF FLUID-SATURATED POROUS BODIES

Изобретение относится к способам измерения теплофизических свойств веществ и может быть использовано в геофизике для оценки глубинных тепловых полей. Особенно эффективно способ может быть использован для исследования термобарических условий образования и разрушения гидратов углеводородных газов в флюидонасыщенных породах пластовых резервуаров месторождений углеводородов, т.к. теплопроводность газовых гидратов аномально высока. Также предлагаемым способом можно исследовать анизотропию теплопроводности насыщенных горных пород.
Аналогом предлагаемого способа является стационарный способ плоского слоя из работы Курбанова А.А. Теплопроводность газо-, водо- и нефтенасыщенных горных пород в условиях, моделирующих глубинные залегания пластов // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1988. С. 107-112. Всестороннее давление до 150 МПа на исследуемый образец создается в термостатированном автоклаве, заполненном передающей давление жидкостью (минеральным маслом). Способ сложен для технической реализации, т.к. 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 теплопереноса через коммуникации и механического воздействия давления на материал термоэлектродов. Из-за необходимости поддержания высокого давления в достаточно большом объеме прототип способа взрывоопасен.
Кроме того, измерительный эксперимент трудоемок, длителен по времени.
Прототип предлагаемого способа описан в Патенте Российской Федерации на изобретение №2492455: Устройство для измерения теплопроводности флюидонасышенных под давлением пористых тел // Дата приоритета 17.02.2012. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 10 сентября 2013 г. Способ может использоваться для заявленных целей, но требует удвоенного объема эксперимента, т.к. вначале исследуется теплопроводность образца, насыщенного при атмосферном давлении, а затем при пластовом. При исследовании анизотропии теплопроводности требуются отдельные исследования радиально и тангенциально изготовленных образцов горных пород.
Техническая задача изобретения - измерение влияния давления на теплопроводность пористых тел при температурах от 200 до 500 К и давлении до 100 МПа.
Для решения технической задачи изобретения одинаковые цилиндрические пористые образцы 1 и 2 симметрично располагаются относительно нагревателя 3 (фиг. 1). На образцы надеваются обечайки 20 и холодильники 8 и 9. Вся конструкция стягивается шпильками 10 через теплоизолирующие эластичные прокладки 19, которые также обеспечивают герметическую изоляцию образцов друг от друга и тепловой контакт между образцами и нагревателем с холодильниками. Холодильники 8, 9 и нагреватель 3 изготовлены из материала с большой теплопроводностью (неотожженная медь), обечайки 20 из материала с малой теплопроводностью (хромоникелевая сталь), для прокладок 19 можно использовать фторопласт. При использовании этих материалов в образцах можно создавать гидростатическое давление до 100 МПа при температурах от 200 до 500 К.
Технический результат изобретения - возможность в одном опыте измерять влияние гидростатического давления на теплопроводность насыщенного пористого образца относительно теплопроводности такого же образца, находящегося при атмосферном давлении.
1
2
1
2
оn
атм.
2
Для осуществления изобретения одинаковые цилиндрические пористые образцы 1 и 2 (диаметр 20÷60 мм, высота 5÷20 мм) помещаются симметрично с обеих сторон медного нагревателя 3. Через фторопластовые прокладки 19 на образцы надеваются обечайки из хромоникелевой стали 20 и медные холодильники 8 и 9. Вся конструкция стягивается болтами 10. Для измерения температуры нагревателя Τ он оснащен термопарами 5. Измерение температур холодильников Т и Т осуществляется термопарами 6 и 7. Тепловые потоки Q и Q в обоих образцах создаются электрическим нагревателем 4. Собранная измерительная ячейка помещается в термостат при Т=const. В полостях образцов 1 и 2 создается вакуум (вентили 13 и 17 - открыты, 14, 15 и 16 - закрыты). Затем оба образца насыщаются исследуемым флюидом при атмосферном давлении Р через вентили 13 и 15 (все остальные - закрыты). Далее все вентили закрываются, а через вентиль 16 в образце 2 создается гидростатическое давление Р. Для изоляции гидравлических систем пресса и измерительной ячейки служит разделитель давления 18 (например, U-образный сосуд с несмешивающейся с углеводородами жидкостью).
атм.
Если исследуемый флюид при Р находится в газовой фазе, насыщение образцов 1, 2 и создание предварительного давления в образце 2 осуществляется с помощью газового баллона с редуктором через вентиль 14 (остальные вентили - закрыты).
1
2
Давление Р и Р в полостях образцов 1 и 2 контролируется мановакуумметрами 11 и 12.
1
2
оn
1
2
1(2)
После стабилизации Р, Р и Т включают нагреватель 4 и измеряют установившиеся при этом температуры Т, Т и Т. Теплопроводность при термобарических условиях образцов 1 и 2 λ рассчитываются по формуле стационарного способа плоского слоя:
Q - количество тепла, выделяемое нагревателем 3;
nom
Q - потери тепла нагревателя 3 (по методике прототипа);
l - толщина образца;
S - площадь круглого сечения образца;
Т - температура нагревателя 3;
1(2)
T - температура холодильника.
Индекс 1 относит параметр к полости образца 1, а индекс 2 - к полости образца 2.
1
2
Т. к. все величины в формуле (1) одинаковы, то влияние давления на теплопроводность флюидонасыщенного образца пористой горной породы пропорционально отношению температур Т и Т.
1
2
Анизотропию теплопроводности насыщенных горных пород исследуют аналогично, но в обеих полостях создают одинаковое гидростатическое (пластовое) давление, для радиально (1) и тангенциально (2) изготовленных образцов горных пород. Количественно анизотропия также пропорционально отношению температур Т и Т.