CC BY
10
УДК 550.361+550.362
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ОТКЛИКА ГЕОТЕРМИЧЕСКОГО ЗОНДА НА ВНЕДРЕНИЕ В ДОННЫЕ ОСАДКИ
Ирина Игоревна Фадеева
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 54, научный сотрудник, тел. (953)763-95-28, e-mail: fadeevaiine@gmail.com
В работе описано численное моделирование разогрева трёхмерной конструкции геотермического зонда, внедряющейся в донные в осадки. Работа направлена на создание теории, которая учитывает конструктивные особенности геотермического зонда, его тепловые свойства и позволяет эффективно определять тепловой поток в исследуемых донных осадках.
Ключевые слова: геотермический зонд, численное моделирование, геотермические исследования осадков, тепловой поток, теплопроводность.
STUDY OF THE TEMPERATURE RESPONSE
ON INSERTION GEOTHERMAL PROBE IN BOTTOM SEDIMENTS
Irina I. Fadeeva
Chinakal Institute of Mining, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny prospect, research associate, tel. (953)763-95-28, e-mail: fadeevaiine@gmail.com
The paper describes the numerical three-dimensional modeling of heating of geothermal probe design which insertion into bottom sediments. The aim of this work is to create a theory which takes into account the structural features and the thermal properties of the geothermal probe and can effectively determine the heat flow in the bottom sediments.
Key words: geothermal probe, numerical modeling, geothermal study, heat flux, thermal conductivity.
Температурные измерения составляют основу метода теплового потока в разведке месторождений с аномальным, превышающим средние значения, потоком тепла. В морских исследованиях приборы для проведения температурных измерений представляют собой свободно падающие в воде зонды (рис. 1), снабженные мощными металлическими несущими штангами или трубами, к которым крепятся тонкие металлические трубки с датчиками температуры и нагревательными элементами для измерения теплопроводности. При внедрении зонда в осадки происходит разогрев его температурных датчиков, близких к зонду слоев осадков. Вероятно, есть осадки, в которых зонд практически не прогревается, в этом случае теплопроводность измеряется, например, по методу линейного нагревателя [1]. В осадках, где зонд достаточно сильно прогревается, после остановки зонда температурные датчики начинают остывать и теплопроводность можно определить либо по измеренным кривым остывания датчиков либо по методу линейного нагрева [1] после того как тепло рассеется.
Рис. 1. Схема механических конструкций геотермических зондов для измерений теплового потока в донных осадках водоемов
При определении теплопроводности по кривым остывания требуется оценить мощность тепла, выделенную в процессе внедрения зонда в осадок. В данной работе предложено оценить эту мощность с помощью измеренной скорости падения зонда в воде (его кинетической энергии), глубины погружения зонда в осадок и подбора коэффициента определяемого свойствами среды.
Численно моделировалась прямая задача со следующими условиями: падающий в воде с постоянной скоростью у0 =4 м/с зонд, массой т -250 кг,
проникает в осадки на глубину Ирг = 3 м, при этом часть кинетической энергии
ш у2
зонда переходит в тепло: Еъ=м>- ^ '' , где 0<м?< 1 - коэффициент определяемый свойствами среды в которую проникает зонд. В тех случаях, когда осадки мягкие, основная часть этой энергии рассеивается при ударе о дно трубы контейнера, зонд прогревается незначительно. Если осадки твердые, величина энергии трения может составлять 100% от механической (примем м? = \). Сила
т Уо - / 2
сопротивления — = трга, откуда а = у;)2Ирг = 8/3 м/с - ускорение
зонда при внедрении в осадки, время внедрения зонда tim = v(t а = 3/2 с. Мощность теплового источника на границе зонда со средой рассчитывается по формуле: Pfnc = -m v{t)a{t), где v(t) - скорость погружения зонда в осадки от
времени, a(t ) - ускорение зонда при внедрении.
Распределения температуры в зонде и осадках и его изменение во времени находится с помощью уравнения теплопроводности:
дТ
с с u.vr ,VT л (1)
/ pr p,pr v ' pr p,pr pr \ pr pr s V s
ot
= (2)
ot
где t - время, с; Tpr (Ts)~ абсолютная температура зонда (осадков), К; ppr (pj-
-5
плотность зонда (осадков), кг/м ; Cppr ( С J - удельная теплоемкость зонда
(осадков) при постоянном давлении, Дж/кг/К; и - вектор скорости зонда, м/с; Лрг (Às) - теплопроводность зонда (осадков), Вт/м/К.
Начальные условия. В донных осадках задается вертикальный градиент температуры (ось z направлена вертикально вверх): Tint s{z) = Tw - H -z!Às, где
Л
Tw =3.4°C - температуре воды вблизи дна, H = 0.07 Вт/м - тепловой поток в осадках, Às= \ Вт/м/К. Температура зонда перед моментом внедрения равняется температуре воды вблизи дна: Timt рг = У'и .
Граничные условия. Тепловые потоки на границе зонда со средой зависят от разности температур на этих поверхностях согласно уравнениям:
-n -(-ЛУТ) = -к(Т -T) + rQfn (3)
S V S S У V pr S y ^ fric V /
^ pr С ^pr ^ ^1 pr ^ ^1 pr C^)
где n - нормаль к поверхности, Qfnc = Pfiic S - тепло, выделяющееся при трении,
2 2 Вт/м ; S - площадь поверхности трения, м ; на контактирующей поверхности
/ \р с КГ
_ . „ л л , \ ! pr p.pr рг
тепло разделяется на два потока: rOJhc и (1 - г ) 0/пс, где г = 1/1+ -,
} р С Л
/ \ \ * s p,s s
соотношение Чарона [2], зависит от теплофизических свойств контактирующих зонда и осадков /? =1400кг/м3 и = 2095Дж/кг/К; h = 500000 Вт/м2/К -
коэффициент теплообмена (контактное сопротивление, определено опытным путем).
Моделирование проводилось для трёх зондов (D, E, F рис. 1), применяемых в морских геотермических работах, с учётом известных конструктивных особенностей взаимного расположения датчиков и несущей штанги, а также
рассматривался прогрев и остывание зонда типа Булларда из стеклопластика (А, рис. 2), предложенного сотрудниками ТОИ ДВО РАН [3].
Результаты моделирования разогрева зондов в осадках представлены на рис. 2 и 3.
О «ГЕОС-Зм» Е «ГЕОТЕРМ»
Время, с Время, с
Рис. 2. В первой строке представлено одномерное распределение температуры вдоль горизонтального профиля, лежащего на глубине 250 см
и пересекающего ось несущего стержня и оси цилиндрических трубок с температурными датчиками, в разные моменты времени; во второй строке изменение во времени температуры датчиков при внедрении, расположенных на разных глубинах ^ - вертикальная ось, направленная вверх), для зондов ГЕОС и ГЕОТЕРМ ф и Е, соответственно)
Результаты моделирования показывают, что несущая стальная штанга зонда ГЕОС диаметром 3,6 см в течение 5 мин не влияет на стальные измерительные косы диаметром 6 мм с температурными датчиками и нагревателями, расположенные на расстоянии 3 см от несущей штанги (см. рис. 1). Время определения фактической температуры осадков такой косой составляет 3 - 5 мин (вы-
ход на асимптоту, температура датчиков обратно пропорциональна времени их остывания [4]). Для зонда ГЕОТЕРМ с несущей стальной трубой внешним и внутренним диаметром 6 и 5 см соответственно. Труба начинает влиять на датчики, закреплённые в стальных цилиндрических трубках на расстоянии 3см, спустя 2,5 мин, время выхода температуры датчиков на асимптоту составляет 2,5 - 4 мин. Грунтовая труба внешним и внутренним диаметром 160 и 146 см соответственно, в силу своей большой инертности в течение 4 мин не влияет на датчики, закрепленные на расстоянии 6 см от нее, а время определения фактической температуры осадков этими датчиками составляет 2,5 - 4 мин.
Рис. 3. Графики распределения температуры вдоль профиля, описанного в подписи к рис. 2, для грунтовой трубы в разные моменты времени (слева)
и изменение во времени температуры закрепленных на грунтовой трубе датчиков, расположенных на разных глубинах при внедрении зонда (справа)
Аппаратура, представленная на рис. 1, в целом не приспособлена для оперативных многократных измерений градиента температуры в силу того, что зонд (грунтовую трубку) требуется поднимать на поверхность для проверки состояния зонда (извлечения осадков). Важное достоинство зонда из стеклопластика - возможность проведения многократных измерений без подъема прибора на поверхность, его механические свойства могут избавить прибор от повреждения при извлечении его из осадков. Однако, как и все конструкции типа зонда Булларда, зонд из стеклопластика диаметром 4 см создает большое тепловое возмущение и требует много времени для наступления равновесия. Для определения теплопроводности осадков и их фактической температуры необходимо создание теории, подобной теории [5], учитывающей при этом тепловые свойства зонда из стеклопластика.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Von Herzen, R. and Maxwell A.E. The measurement of thermal conductivity of deep sea sediments by a needle probe method // Journal of Geophysical Research - 1959. V. 64, No.10. -P.1557-1563.
2. F. Charron, Partage de la chaleur entre deux corps frottants, Publication Scientifique et Technique du Ministère de l'Air, no. 182, 1943.
3. http://poleznayamodel.ru/model/7/78578.html
4. Wright J. A., Louden K. E.. CRC Handbook of Seafloor Heat Flow. Boca Raton, Fla: CRC Press, 1989.
5. Tien-Chang Lee, A. D. Duchkov, S. G. Morozov, Determination of thermal conductivity and formation temperature from cooling history of friction-heated probes, Geophysical Journal International, Volume 152, Issue 2, pp. 433-442, 2003.
© H. H.&aàeeea, 2016
