УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ НЕКОНСОЛИДИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ

Полезная модель относится к нефтяной промышленности, в частности касается тепловых методов разработки месторождений вязкой нефти и может быть использована для повышения точности определения тепловых характеристик неконсолидированных веществ, в том числе горных пород, а также в строительной и пищевой промышленности.
Прогноз развития событий, связанных с переносом тепла, на которых основываются технологические процессы указанных отраслей промышленности, невозможен без достоверной информации о тепловых свойствах (тепло-, температуропроводности и теплоемкости) веществ. Так, отмеченные выше характеристики необходимы для проектирования тепловых методов разработки месторождений сверхвязких нефтей.
Известна установка для измерений тепловых свойств диэлектриков и горных пород в диапазоне температур 600-1000 K (Юрчак Р.П., «Установка для комплексных измерений теплофизических свойств диэлектриков» Заводская лаборатория, М., Металлургия, 1971, т. 37, №128, стр. 1514-1516). В ней используются два одинаковых плоских образца, между которыми зажимается малоинерционный нагреватель в виде плоской проволочной спирали. В исследуемый образец зачеканиваются или приклеиваются высокотемпературной замазкой две термопары.
В эксперименте из сигнала термопар с помощью потенциометра выделяется переменная составляющая, которая после усиления регистрируется на шлейфовом осциллографе, на последнем также фиксируются сигналы включения и выключения нагревателя. Нагрев осуществляется П-образно с помощью низкочастотного генератора и реле.
Температуропроводность и теплоемкость определяются исходя из амплитуд колебаний удельной мощности и температуры, а также сдвига фаз между ними.
К недостаткам этой установки относится необходимость использования двух исследуемых образцов, которые, даже будучи выпиленными из одного куска пробы, отличаются по составу и структуре ввиду существенной неоднородности горных пород. Кроме того, в установке не моделируется горное и внутрипоровое давление в пористом образце.
В отличие от вышеописанного устройства установка (Васильев К.В., «Исследования влияния термодинамических параметров состояния на теплофизические свойства горных пород при термическом воздействии на пласт», Автореф. дис. канд. техн. наук, М., 1979, стр. 22) позволяет изучать теплопроводность и объемную теплоемкость горных пород при воздействии на образец всестороннего и внутрипорового давлений, а также температуры. В этой установке исследуемый образец - пластина изолирован резиной от попадания в его поры жидкости, создающей всестороннее давление, а насыщающей образец флюид подводится к нему независимо.
К недостаткам этого устройства следует отнести длительное время проведения эксперимента, необходимого для установления стационарного теплового потока, а также невозможность исследовать неконсолидированные или сыпучие вещества.
Наиболее близкой по существу к предлагаемому устройству является установка, в которой исследуемый образец (в том числе в виде рассыпчатой массы) помещают в матрицу цилиндрической формы, изготовленную из металла. (Липаев А.А., Чугунов В.А., Липаев С.А. и др. «Определение тепловых свойств неконсолидированных материалов» Измерительная техника, №3, 2012, стр. 47-50). На внешней поверхности цилиндра располагается нагреватель, который теплоизолирован от окружающей среды, датчики температуры размещаются в теле матрицы и в теле образца. Методика измерений тепло- и температуропроводности основана на регулярном режиме теплообмена II рода, когда температурное поле материала линейно меняется со временем.
К недостаткам установки относятся потери тепла с боковой поверхности матрицы, которые реально обнаруживаются в эксперименте, а также наличие воздушного зазора при контакте образца с внутренней поверхностью содержащей его камеры. Это приводит к значительным погрешностям измерений.
Кроме того, отсутствие в прототипе систем задания всестороннего и внутрипорового давлений не позволяет моделировать условия залегания горных пород в пласте. Это, в конечном результате, не позволяет получать достоверные данные о тепловых параметрах пласта.
Целью полезной модели является расширение функциональных возможностей измерений, а также повышение точности определения искомых характеристик исследуемых веществ.
Устройство для определения тепловых свойств неконсолидированных веществ в зависимости от их температуры содержит цилиндрическую камеру (матрицу), в которую помещен исследуемый образец, на внешней поверхности камеры расположен электронагреватель, изолированный от внешней среды, а датчики температуры размещены в центре образца и теле матрицы.
Расширение функциональных возможностей измерений достигается тем, что в полость с исследуемым образцом для обеспечения изменения действия на него всестороннего давления помещен подвижный поршень, соединенный с гидравлическим прессом и манометром, поровое пространство образца заполняется жидкостью, а для задания и контроля внутрипорового давления в образце полость сообщена с другим гидравлическим прессом и манометром.
Повышение точности определения тепловых свойств исследуемого образца достигается учетом потерь тепла с внешней поверхности электронагревателя в окружающую среду, а также плотного контакта образца с внутренней поверхностью содержащей его камеры (матрицы) за счет создания всестороннего давления на образец и использования жидкой смазки в зазоре, а электронагреватель окружен теплоизолятором с кожухом, для учета потерь тепла с внешней поверхности кожуха в окружающую среду.
Предполагаемая полезная модель для определения тепловых свойств неконсолидированных веществ поясняется чертежами.
Устройство для определения тепловых свойств неконсолидированных веществ изображено на фиг. 1.
Сравнение расчетных и экспериментальных показаний датчиков температуры в матрице и образце представлено на фиг. 2.
Устройство включает цилиндрическую камеру (матрицу) (далее камеру) 1 с размещенным в ней исследуемым образцом 2. Между внутренней стенкой камеры 1 и образца 2 имеется зазор 3. Камера 1 сверху закрыта затвором 4 с уплотнительным кольцом 5. Внутрь камеры 1 входит подвижный поршень 6, соединенный с гидравлическим прессом 7 и манометром 8. Снизу в камеру 1 входит штуцер 9 с уплотнительным кольцом 10, закрепленный гайкой 11. Трубка 12, закрепленная в штуцере 9 служит для подвода в камеру 1 внутрипоровой жидкости. Трубка 12 соединена с гидравлическим прессом 13 и манометром 14.
На внешней поверхности камеры 1 размещен электронагреватель 15, изолированный от внешней среды слоем теплоизоляции 16 и закрытый кожухом 17. При данном расположении электронагревателя 15 обеспечивается равномерное распределение тепла по высоте камеры 1. Камера 1 находится внутри корпуса 18. Датчики температуры (термопары) 19 помещены в стенку камеры 1 и по оси исследуемого образца 2. В электрическую цепь электронагревателя 15 включен лабораторный автотрансформатор ЛАТР. Рабочие концы термопар 19 подсоединены к персональному компьютеру ПК.
Устройство для определения тепловых свойств неконсолидированных веществ работает следующим образом.
Образец исследуемого вещества 2 с неизвестными теплопроводностью и теплоемкостью, зависящими от температуры и давления, засыпается во внутреннюю полость цилиндрической камеры 1. С помощью гидравлического пресса 7 и подвижного поршня 6 в камере 1 устанавливается требуемое всестороннее давление, при этом поровое пространство исследуемого образца 2 гидропрессом 13 через трубку 12 заполняется соответствующей жидкостью (водой или нефтью). Внутрипоровое давление контролируется с помощью манометра 14. В эксперименте электрическое питание электронагревателя 15 задается лабораторным автотрансформатором ЛАТР, при этом напряжение питания электронагревателя 15 постоянно увеличивается. Термоэдс, снимаемая с двух датчиков температуры 19, подается в компьютер, где происходит обработка экспериментальных данных и вычисление теплоемкости и теплопроводности исследуемого образца 2 в зависимости от температуры.
Алгоритм определения теплоемкости и теплопроводности исследуемого образца 2 предполагает итерационное сравнение экспериментальных замеров температуры с двух датчиков температуры 19 с численным решением задачи нагрева в цилиндрической камере 1 устройства.
Пример проведения эксперимента
1
1
1
2
2
2
1
2
0
w
0
d1
d2
1
1
p
3
3
*
В качестве исследуемого образца 2 для проведения эксперимента использовался речной песок с параметрами ρ=1485 кг/м, c=925 Дж/(кг×K), λ=0.3984 Вт/(м×K). Размер зерен песка мал и составляет 0.2÷0.3 мм, поэтому не будем учитывать зазор 3 между исследуемым образцом 2 и камерой 1 устройства. Параметры алюминиевой камеры 1: λ=220 Вт/(м×K), ρ=2700 кг/м, c=930 Дж/(кг×K), r=0.025 м, r=0.01 м, L=0.15 м. Характерная мощность электронагревателя 15 w=106.86 Вт, время выхода на полную мощность τ=0.1968 с, начальная температура θ=23.9°C, время эксперимента τ=30 мин, координаты расположения датчиков температуры 19 r=0 и r=0.02 м. В качестве предполагаемой области изменения теплопроводности и теплоемкости были использованы 0.25≤λ≤0.65 Вт/(м×K) и 900≤c≤1000 Дж/(кг×K) при атмосферном давлении. Параметризация функций теплопроводности и теплоемкости осуществляется с помощью N=4 узлов сплайна.
Для проверки работоспособности предложенного алгоритма проведен вычислительный эксперимент (фиг. 2).
Расхождение полученных результатов с вычислительным экспериментом объясняется ошибками в замерах температуры с датчиков температуры 19, которые обусловлены конструкционными особенностями полезной модели, а также чувствительностью датчиков температуры 19. Максимальная абсолютная погрешность между точным и вычисленным значением составляет 2.52%, при этом предлагаемый алгоритм устойчив при ошибках в измерениях не более 0.2-0.3%. С учетом высокой погрешности предложенный алгоритм можно использовать для оценки тепловых свойств исследуемых горных пород.
В заключении необходимо отметить, что предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности эксперимента и повышает точность определения тепловых характеристик неконсолидированных веществ, в том числе горных пород. Последнее обусловлено обеспечением плотного контакта между исследуемым образцом и внутренней стенкой цилиндрической камеры, а также учетом потерь тепла с наружной поверхности нагревателя.
Таким образом, полезная модель позволяет исследовать тепловые свойства неконсолидированных образцов при моделировании воздействия на них всестороннего и внутрипорового давлений и температуры при одновременном повышении точности измерений.
Данное техническое решение дает возможность получать достоверные данные по теплоемкости, теплопроводности и температуропроводности пород в условиях их залегания в пласте, т.е. по сути определять тепловые свойства самого продуктивного пласта. Отмеченное особенно важно при расчетах тепловых методов воздействия на нефтяные пласты и позволяет оптимизировать параметры их разработки и повысить коэффициент нефтеизвлечения.