CC BY
26
УДК 550.36; 551.24
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИГОЛЬЧАТОГО ЗОНДА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНЫХ ПОРОД
Ирина Игоревна Фадеева
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, инженер; Институт горного дела им. Н. А. Чина-кала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник, тел. (953)763-95-28, e-mail: fadeevaii@ipgg.sbras.ru
В докладе приводится описание разработанного зондового устройства для оперативного измерения температуропроводности и теплопроводности разного рода сред. С помощью устройства проведены тестовые измерения температуропроводности льда и соли.
Ключевые слова: игольчатый зонд, прибор для измерения температуропроводности и теплопроводности, лабораторный эксперимент.
STRUCTURAL FEATURES OF NEEDLE PROBE, WHICH USED TO DETERMINE THE THERMAL PROPERTIES OF ROCKS
Irina I. Fadeeva
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Engineer; Chinackal Institute of Mining SB RAS, 630091, Russia, Novosibirsk, 54 Krasny Prospect, Research Scientist, tel. (953)763-95-28, e-mail: fadeevaii@ipgg.sbras.ru
The description of the thermal probe construction and performance of a device for measuring thermal properties of different sorts of media is given. The results of measurements of the thermal diffusivity of ice and salt are given.
Key words: needle probe, thermal conductivity, thermal diffusivity.
Большинство горных пород, являясь сложными многокомпонентными системами, характеризуются эффективными теплофизическими свойствами. В методах определения теплофизических свойств горных пород можно выделить два направления: экспериментальный и теоретический. Экспериментальные исследования остаются основными в силу большого разнообразия исследуемых пород. Их можно осуществлять как непосредственно в естественно залегающем массиве пород (полевые исследования), так и в лабораторных условиях. Полевые исследования тепловых свойств играют немаловажную роль как в экспедиционных работах, так и в производственных условиях. Такие исследования могут проводиться на основе анализа данных наблюдений естественного температурного поля массива пород или зондовыми методами. В первом случае недостатком является трудоемкость проведения температурных наблюдений и значительная погрешность в определении коэффициента температуропроводности пород. Зондовые методы более удобны в практической реализации, основаны на искусственном нарушении температурного поля массива породы и измере-
нии скорости его изменения. По форме зонды бывают плоские, сферические и цилиндрические. По тепловому режиму работы различают зонды с постоянной мощность теплового потока, с импульсным нагревом и другие варианты [1].
Широкое применение получил метод длинного игольчатого зонда (с соотношением диаметра Б и длины Ь зонда ЬЮ > 30). Теория метода была разработана Блэквеллом [2, 3] и Хупером [4]. Несмотря на то, что теория Блэквелла предполагает определение двух параметров тепло- и температуропроводности среды, реализованные зонды, как правило, с хорошей точностью позволяют измерять один параметр теплопроводности исследуемой породы [5, 6]. Теория метода определения теплопроводности состоит в интерпретации термограмм зонда на больших временах при постоянной мощности линейного источника. Методика определения температуропроводности также была описана в работе Вэйта [7], она опирается на математические выкладки, сделанные Блэквеллом [2], и заключается в описании термограммы как на больших, так и на малых временах (начало прогрева среды зондом постоянной мощности). В работе Вэй-та [7] нами были отмечены несоответствия в размерностях уравнений. После корректировки этих несоответствий теория была опробована, но в силу того, что решения оказались неустойчивыми, рассчитанные параметры имели существенную погрешность. Позже выяснилось, что связано это с особенностью конструкции игольчатого зонда. В ходе выполнения очередного эксперимента был выявлен серьезный конструктивный недостаток игольчатых зондов, изготавливаемых с применением трансформаторного масла в качестве наполнителя. Если герметизация зонда оказывалась недостаточно плотной, происходило неконтролируемое вытекание масла, что уменьшало собственную теплопроводность зонда и увеличивало его инерцию. Исследования зонда, заполняемого эпоксидной смолой, также показали его несостоятельность в измерении температуропроводности исследуемой среды описанным методом [2, 7].
Математическая модель метода игольчатого зонда в качестве источника рассматривает тонкую бесконечно длинную нить. Таким образом, используемое для описания экспериментальных термограмм аналитическое решение одномерного уравнения теплопроводности в цилиндрических координатах с линейным источником тепла постоянной мощности (1) справедливо в случае, когда длина зонда превосходила его диаметр в 25-30 раз [2, 3]. Ранее при изготовлении зондов мы уделяли внимание соблюдению только этого параметра геометрии.
Т (г0,X) = Т + -0- • Ех 4 пА2
Г0
V У
(1)
где Т [К] - температура исследуемой среды в начальный момент времени (? = 0), 0 [Вт/м] - удельная мощность источника, Х2 [Вт/м/К] - теплопроводность среды, а2 [м2/с] - температуропроводность среды, г0 - радиус зонда [8].
В 2015 году был изготовлен новый измерительный зонд, в котором, помимо соотношения длины нагревателя и диаметра зонда, особое внимание было уделено центровке нагревательной проволоки, расположению температурного датчика, его инертности и инерции зонда в целом, что позволило приблизить зонд к его модельному представлению. Регистрирующая система при этом осталась прежней, ее схема приведена в работе [9].
Основная проблема контактных методов измерения тепловых свойств различных сред состоит в определении теплового контактного сопротивления на границе источник-среда, которое необходимо учитывать при определении температуропроводности исследуемой среды. При создании достаточно хорошего теплового контакта на границе игольчатый зонд-среда, такого, что температура стенки зонда отличается от температуры среды менее чем на величину погрешности измерения температуры, можно выявить конструктивные недостатки зонда в процессе его исследования. Хороший тепловой контакт, как известно, наблюдается при вмораживании игольчатого зонда в лед.
В данной работе проведены измерения тепловых свойств льда, полученные с помощью двух одноигольчатых зондов, вмороженных в лед (рис. 1). Зонд 1 был изготовлен по старой технологии, зонд 2 - по новой. Представлены термограммы, полученные при постоянной мощности линейного нагревателя (рис. 1, а) и при заданной зависимости от времени тепловой мощности нагревателя (рис. 1, б).
Т, °С т. °с % Вт
Рис. 1. Экспериментальные термограммы двух игольчатых зондов (зонд 1 и зонд 2), полученные при постоянной мощности нагревателя (а) и заданной зависимости мощности, подаваемой на линейный нагреватель зонда, от времени (б)
На рис. 1, а хорошо виден начальный нелинейный прогрев температурного датчика зонда 1 (температура датчика отличается от температуры среды вблизи зонда на некоторое постоянное в течение всего времени нагрева значение [10]), в то время как для температурного датчика зонда 2 начальная стадия прогрева
практически отсутствует (температура датчика соответствует температуре окружающей среды). Таким образом, температурный скачок может быть следствием конструктивного недочета - плохого контакта температурного датчика со стенкой игольчатого зонда.
Теплопроводность льда определялась при аппроксимации термограмм (рис. 1, а) аналитическим решением (1), представленным штриховой пунктирной линией, и составила 2,5 Вт/м/К для термограммы зонда 1 и 2,4 Вт/м/К для термограммы зонда 2.
В силу хорошего теплового контакта зондов и льда (коэффициент теплообмена Н > 104 Вт/м2/К) скачком температуры на границе зонд-лед можно пренебречь, тогда температуропроводность может быть определена при аппроксимации термограммы зонда 2 (рис. 1, а) решением (1) [8] и составляет 6,7-10-7 м2/с. Также температуропроводность можно определить по методу, предложенному в работе [11], используя для этого тепловой сигнал и соответствующие ему термограммы, представленные на рис. 1, б. В результате решения обратной задачи было отмечено, что функционал, построенный с использованием экспериментальных данных, полученных зондом 2, имеет единственный минимум, соответствующий температуропроводности 7,0-10-7 м2/с, в то время как функционал, построенный с использованием данных зонда 1, не имеет строго выраженного минимума. Это, по всей видимости, связано с сильным несоответствием экспериментальной термограммы тепловому сигналу.
С использованием нового игольчатого зонда 2 проводились исследования тепловых свойств соли. По методу, предложенному в работе [11], были определены следующие параметры: теплопроводность 0,46 Вт/м/К, коэффициент теплообмена на границе зонд-соль 360 Вт/м2/К, температуропроводность 1,3-10-7 м2/с.
Наши исследования показали, что методики определения тепловых свойств горных пород с использованием игольчатого зонда [2, 3, 7, 8, 11] работают при условии, что одноигольчатый зонд изготовлен по специальной технологии, обеспечивающей необходимое соотношение длина-диаметр, высокую собственную теплопроводность, соответствие температуры датчика зонда температуре его стенки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998. - 280 с.
2. Blackwell J.H. A transient-flow method for determination of thermal constants of insulating materials in bulk // J. app. Phys. - 1954. - Vol. 25(2). - P. 137-144.
3. Blackwell J.H. The axial-flow error in the thermal-conductivity probe // Canadian Journal of Physics. - 1956. - Vol. 34. - P. 412-417.
4. Хупер Ф.К. Зонд для измерения теплопроводности // Мерзлотные явления в грунтах. - JI.-M.: Изд-во иностр. лит-ры, 1955. - C. 81-84.
5. Von Herszen R., Maxwell A.E.. The measurement of thermal conductivity of deep-sea sediments by a needle-probe method // Journal of Geophysical Research. - 1959. - Vol. 64, Issue 10. -P.1557-1563.
6. Дучков А.Д., Казанцев С.А. Тепловой поток через дно западной части Черного моря // Геология и геофизика. - 1985. - № 8. - С. 113-123.
7. Simultaneous determination of thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat in sI methane hydrate / W.F. Waite, L.A. Stern, S.H. Kirby et al. // Geophys. J. Int. - 2007. -Vol. 169. - P. 767-774.
8. Фадеева И.И., Дучков А.А., Пермяков М.Е. Теплофизический метод количественной оценки гидратосодержания в образцах, имитирующих донные осадки // Геология и геофизика. - 2016. - Т. 57, № 6. - С. 1251-1261.
9. Казанцев С. А., Фадеева И. И. Устройство для оперативного измерения температуропроводности слабосцементированных пород // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Между-нар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 2. - С. 82-85.
10. Методика одновременного измерения теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости среды игольчатым зондом / И.И. Фадеева, М.Е. Пермяков, Д.Е. Аюнов, Н.А. Манченко // Трофимуковские чтения - 2013: материалы Всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых. - Новосибирск, 2013. - С. 342-327.
11. Фадеева И. И., Дучков А. А., Карчевский А. Л. Теория метода игольчатого зонда для одновременного определения тепло- и температуропроводности различных сред // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. Х Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Направления и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Геоэкология» : сб. материалов в 4 т. (Новосибирск, 8-18 апреля 2014 г.). - Новосибирск : СГГА, 2014. Т. 3. - С. 124-128.
© И. И. Фадеева, 2017
