Искусственные тепловые поля
Нестационарные поля, изучаемые методом искусственного поля, возникают чаще всего при заполнении скважины промывочной жидкостью, температура которой отличается от температуры горных пород, или же при помещении в скважину таких источников тепла, как электронагреватели, цементный раствор (выделяющий тепло при схватывании) и т. п.
Если пренебречь различием в температуропроводности горных пород и промывочной жидкости внутри скважины, то изменение температуры в скважине, заполненной горячей (холодной) жидкостью, в первом приближении можно описать уравнением
, (III.8)
где θ - разность температур на оси скважины (Тс) и горных пород (Тп); θ0 - начальное значение θ в момент смены промывочной жидкости, т. е. заполнения скважины более горячей (холодной), чем породы, жидкостью; rс - радиус скважины; t - время, отсчитываемое с момента смены промывочной жидкости; а - температуропроводность породы.
Изучая изменение температуры в скважине Тс во времени (повторные замеры температуры в скважине), можно в принципе определить температуропроводность пород. При определении температуропроводности по выражению (III.8) необходимо использовать результаты измерений Тс при достаточно больших значениях t, так как при малых значениях t реальная зависимость θ= f(t) может заметно отличаться от выражения (III.8) из-за того, что при его получении игнорировались различия температуропроводности в пласте и в скважине, а также из-за, непостоянства температуры в породе в радиальном направлении в момент смены промывочной жидкости, обусловленного несовпадением до этого Тс и Тп. Для учета влияния всех этих факторов пользуются более сложными схемами обработки данных.
Скважинные термометры
Наиболее часто для непрерывных измерений температуры в скважинах используют электрические термометры сопротивления. Их чувствительными элементами обычно являются резисторы, изготовленные из материала с большим температурным коэффициентом β, т. е. заметно изменяющие свое электрическое сопротивление R при изменении температуры.
В интервале температур до 200—300 °С β=const и зависимость R(T) практически линейна:
,
где .
В чувствительных элементах скважинных термометров обычно используют медную проволоку, обладающую достаточно высоким температурным коэффициентом (β=4,45·10-3 К-1).
Существуют также чувствительные элементы из полупроводниковых материалов (термисторы), температурный коэффициент которых почти на порядок больше. Величина β у полупроводниковых материалов отрицательна и заметно меняется с изменением температуры.
Чувствительные элементы (жгутики медной проволоки, термисторы и т. п.) помещают для их механической защиты в металлические трубки, обеспечив, естественно, электрическую изоляцию их друг от друга. Конструкция термометров предусматривает свободное омывание этих трубок средой, заполняющей скважину. О температуре в скважине судят по величине электрического сопротивления чувствительного элемента, а для ее измерения используют мостики сопротивления, электронные RС-генераторы и др.
Схема электрических термометров для измерений на трехжильном кабеле представляет собой обычно мостик сопротивления, содержащий четыре резистора (рис. 60, а). Одно из них R1 (или два Rl и R3, включенные в противоположные плечи мостика) изготовлено из материала с высоким значением β и служит чувствительным элементом; три или два других выполнены из материала с малым значением β, например, из манганина (β = 10-5К-1) или константана (β = 3·10-5 К-1). Последние практически нечувствительны к изменениям температуры внешней среды.
Сопротивления всех Ri - подбираются равными друг другу при некоторой заданной температуре Т0, называемой температурой равновесия мостика. Плечо АВ мостика питают постоянным током через одну из жил кабеля и землю и определяют разность потенциалов, возникающую в плече MN. Легко показать, что эта разность потенциалов линейно зависит от температуры среды:
(III.9)
Введя понятие постоянной термометра и решив (III.9) относительно Т, получим формулу, используемую для определения температуры среды по результатам измерений:
(III.10)
Если регистрирующий прибор РП имеет чувствительность n (в В/см), то получаем термограмму в масштабе n/Ст (К/см). Чтобы диаграмма была достаточно дифференцированной, используют крупный масштаб (малое значение n/Cт), а сдвига термограммы в пределах диаграммной ленты добиваются, вводя в измерительную цепь некоторую разность потенциалов от градуированного компенсатора поляризации ГКП.
В получивших широкое распространение термометрах типа ТЭГ, рассчитанных на работу с одножильным кабелем, измерительная схема содержит электронный RС-генератор, период колебаний которого пропорционален сопротивлению чувствительного элемента из медной проволоки (Rt), входящего в его колебательный контур (рис. 60, б).
Период колебаний генератора линейно зависит от Rt, а значит, и от температуры окружающей среды. Вырабатываемый генератором Г переменный сигнал передается на поверхность по одножильному кабелю и выделяется на резисторе Rσ, выполняющем роль нагрузки генератора Г, а частота этого сигнала измеряется частотомером Ч. Образующееся на выходе периодомера постоянное напряжение, пропорциональное частоте сигнала и температуре среды, подается на прибор визуального наблюдения ИП и на регистрирующий прибор РП. Выпрямитель питает скважинный прибор постоянным током.
Преимущество ТЭГ и аналогичных ему приборов с преобразованием измеряемой температуры в частотно-модулируемый сигнал — их помехоустойчивость: практически отсутствие влияния утечек, изменений параметров кабеля и других факторов.
Если термометр, находившийся в среде с температурой Тн, перенести в среду с температурой Т, температура чувствительного элемента (а следовательно, показания термометра) приближается к Т не мгновенно, а постепенно. Скорость этого приближения зависит от конструкции термометра, тепловых свойств конструкционных материалов и окружающей среды. Это явление называют тепловой инерцией термометра. Показания датчика (или, что то же, его температура Тд), помещенного в среду с температурой Т и имевшего до этого момента температуру Тн, изменяется во времени по закону
Таким образом, разность температур датчика и внешней среды уменьшается во времени экспоненциально от начального значения Т—Тн до нуля при t = ∞. Скорость снижения разности зависит от параметра τ, поэтому эта величина (имеющая размерность времени) называется постоянной времени или тепловой инерцией термометра. За время, равное τ, начальная разность температур датчика и внешней среды (погрешность в определении температуры среды) уменьшается в е раз.
Тепловая инерция термометра тем меньше, чем больше поверхность датчика и коэффициент теплоотдачи и чем меньше теплоемкость датчика.
Из-за тепловой инерции показания термометра, движущегося со скоростью v, отстают от изменения истинной температуры t по скважине на величину Гто. Тепловая инерция как бы сдвигает диаграмму на величину Δz = τv. Если признать допустимым cдвиг диаграммы на Δz, то скорость регистрации не должна превышать
(III.11)
Например, при Δz = 0,3 м и τ = 3 с, vmax = 0,10 м/с = 360 м/ч.
Термические исследования в скважинах предъявляют некоторые специфические требования к подготовке скважин сверх обычных, выполняемых при всех ГИС.
При исследованиях с целью определения естественной температуры горных пород скважина перед измерениями должна находиться в состоянии покоя в течение времени, необходимого для восприятия скважиной температуры горных пород с достаточной точностью. Это время в зависимости от начального различия в температуре скважины и породы, диаметра скважины, а также глубины зоны нарушения естественного теплового поля вокруг скважины может меняться от 1 до 50 сут, а иногда и более.
При исследованиях с целью определения температуропроводности горных пород методом искусственного теплового поля скважина должна быть промыта жидкостью, температура которой не менее чем на 3 °С отличалась бы от температуры исследуемых пород.
При изучении локальных тепловых полей обычно необходимо простаивание скважины в течение нескольких десятков часов. Аномалии дросселирования проявляются через десятки минут. Чтобы уменьшить перемешивание среды в стволе скважины до измерения температуры, регистрацию диаграмм, как правило, проводят при спуске прибора.
Максимально допустимую скорость движения прибора по скважине определяют по формуле (III.11). Обычно рекомендуют скорость 104/τ (м/ч) при общих исследованиях и 120/τ (м/ч) при детальных (где τ — тепловая инерция термометра, с).
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|