izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-2-35-41izmertech-1499Research ArticleТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯTHERMOPHYSIC MEASUREMENTSРазработка методов и средств измерений теплопроводности стандартных образцов горной породы для петрофизических исследованийThe development of methods and instruments for thermal conductivity measurement of standard core samples for petrophysical studieshttps://orcid.org/0000-0002-2757-1386ГригорьевБ. В.GrigorevB. V.

Борис Владимирович Григорьев

Тюмень

Boris V. Grigorev

Tyumen

b.v.grigorev@utmn.ruНикулинС. Г.NikulinS. G.

Сергей Геннадьевич Никулин

Тюмень

Sergei G. Nikulin

Tyumen

s.g.nikulin@utmn.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1487-5898ВаженинД. А.VazheninD. A.

Денис Александрович Важенин

Тюмень

Denis A. Vazhenin

Tyumen

d.a.vazhenin@utmn.ruВахнинаД. В.VakhninaD. V.

Дарья Владимировна Вахнина

Тюмень

Daria V. Vakhnina

Tyumen

d.v.vakhnina@utmn.ruТюменский государственный университет; Тюменский индустриальный университетРоссияTyumen State University; Industrial University of TyumenRussian FederationТюменский государственный университетРоссияTyumen State UniversityRussian Federation202320032023023541Copyright © Григорьев Б.В., Никулин С.Г., Важенин Д.А., Вахнина Д.В., 20232023Григорьев Б.В., Никулин С.Г., Важенин Д.А., Вахнина Д.В.Grigorev B.V., Nikulin S.G., Vazhenin D.A., Vakhnina D.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.izmt.ru/jour/article/view/1499

Рассмотрена проблема низкой достоверности и точности определения теплопроводности малоразмерных образцов горной породы с использованием существующих средств измерений. Разработана лабораторная установка для измерения теплопроводности стандартных образцов горной породы диаметром не более 30 мм, применяемых для петрофизических исследований. Установка протестирована на подготовленных образцах малых размеров. Проанализированы возможные проблемы проектирования, изготовления и эксплуатации лабораторной установки. Создан программный алгоритм для автоматизированных сбора и обработки качественных данных. Обозначены и исключены ключевые факторы, негативно влияющие на точность и достоверность результатов измерений теплопроводности: неэкранированные термопары; изменение потенциала между горячим и холодным спаями термопары (неравномерное таяние водоледяной смеси в сосуде Дьюара, куда погружён холодный спай); неверно подобранные размеры и форма объекта исследования; неравновесное соотношение подводимой и отводимой тепловой энергии. Разработанная установка испытана на эталонных образцах чистого олова и латуни ЛС59 с известными значениями теплопроводности. Измеренное значение теплопроводности образца горной породы высотой 4,28 мм и диаметром 30 мм получено с погрешностью не более ±5,6 %. Результаты разработки применимы для оценки теплопроводности образцов горной породы малых размеров в диапазоне 0,3–70,0 Вт/(м·К) в температурном интервале 20–60 °С.

The problem of obtaining qualitative data on the thermal conductivity of standard rock samples for petrophysical studies is considered. It is shown that the existing instruments for thermal conductivity measurement do not allow one to obtain reliable and accurate values of the thermal conductivity of small-sized rock samples. A laboratory installation for thermal conductivity measurement of standard rock samples with a diameter not less than 30 mm has been created. The installation was assembled and tested on small samples. Possible problems in the development, design and exploitation of the laboratory installation were analyzed. A software that allows automated collection and processing of the data has been developed. The key factors, negatively affecting the accuracy and reliability of thermal conductivity measurement results, are identified and excluded.There were unshielded thermocouples, potential changes between the hot and cold junctions (due to uneven melting of the water-ice mixture in the Dewar vessel, where the cold junction is immersed), incorrectly selected dimensions and shape of the object of study and the nonequilibrium ratio of the heat input and dissipation. The installation was tested on samples of pure tin standard and brass LS59 with known thermal conductivity. The thermal conductivity of a small-sized rock sample was measured with an error within 5.6 %.

закон Фурьетеплопроводностьплотность теплового потокаотносительная погрешностьтермопарыаналого-цифровой преобразовательлабораторная установкаFourier’s lawthermal conductivityheat flux densityrelative errorthermocouplesADCexperimental plantReferencesКислицын А. А. Основы теплофизики: Лекции и семинары. Тюмень: Изд-во ТюмГУ, 2002. 152 с.Kislicyn A. A. Osnovy teplofiziki: Lekcii i seminary [Fundamentals of thermal physics: Lectures and seminars]. Tyumen, Tyumen State University Publ., 2002, 152 p. (In Russ.)Липаев А. А., Минниахметов Р. Г., Маннанов И. И., Мирсаетов О. М., Абашеев Р. Б. Лабораторная установка для исследования тепловых свойств пород нефтяных и битумных месторождений // Вестник Удмуртского университета. Серия Биология. Науки о Земле. 2005. № 11. С. 211–220.Lipaev A. A., Minniahmetov R. G., Mannanov I. I., Mirsaetov O. M., Abasheev R. B. Laboratornaya ustanovka dlya issledovaniya teplovyh svojstv porod neftyanyh i bitumnyh mestorozhdenij. Vestnik Udmurtskogo universiteta. Serija Biologija. Nauki o Zemle, 2005, no. 11, pp. 211–220. (In Russ.)Новиков С. В. Тепловые свойства терригенных коллекторов и насыщающих флюидов: дис. канд. техн. наук (МГРИ, Москва, 2009).S. V. Novikov. Teplovye svojstva terrigennyh kollektorov i nasyshhajushhih fljuidov, candidate’s dissertation in Technical Sciences (MGRI, Moscow, 2009). (In Russ.)Yüksel N. In book Insulation Materials in Context of Sustainability. 2016, IntechOpen, pp. 113–140. http://doi.org/10.5772/64157Yüksel N. In book Insulation Materials in Context of Sustainability. 2016, IntechOpen, pp. 113–140. http://doi.org/10.5772/64157Анисимов М. В., Рекунов В. С. Экспериментальное определение коэффициента теплопроводности сверхтонких жидких композиционных теплоизолирующих покрытий // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015. Т. 326. № 9. С. 15–22.Anisimov M. V., Rekunov V. S. Eksperimental’noe opredelenie koefficienta teploprovodnosti sverhtonkih zhidkih kompozicionnyh teploizoliruyushchih pokrytij. Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov, 2015, vol. 326, no. 9, pp. 15–22. (In Russ.)Стерлигов В. В., Шадринцева Д. А. Влияние структуры теплоизоляционных материалов на коэффициент теплопроводности // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. 2014. Т. 57. № 2. С. 30–33. https://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-2-30-33Sterligov V. V., Shadrintseva D. A. Influence оf structure оf thermal insulating materials оn the coefficient of thermal conductivity. Izvestiya. Ferrous Metallurgy, 2014, vol. 57, no. 2, pp. 30–33. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/0368-0797-2014-2-30-33Юров В. М., Гученко С. А., Лауринас В. Ч. Коэффициент теплопроводности наноструктур // Инновационная наука. 2019. № 5. С. 10–14.Jurov V. M., Guchenko S. A., Laurinas V. Ch. Koefficient teploprovodnosti nanostruktur. Innovacionnaja nauka, 2019, no. 5, pp. 10–14. (In Russ.)Сосновский А. Г., Столярова Н. И. Измерение температур. М.: Изд-во стандартов, 1970. 258 с.Sosnovskij A. G., Stoljarova N. I. Izmerenie temperatury [Temperature measurement]. Moscow, Publishing house of standards, 1970, 258 p. (In Russ.)Авраменко В. Г., Лебедев О. В., Будадин О. Н., Абрамова Е. В. Метод корректного определения плотности теплового потока // Контроль. Диагностика. 2007. № 8. С. 23–27.Avramenko V. G., Lebedev O. V., Budadin O. N., Abramova E. V. Correct way of the heat flux definition. Testing. Diagnostics, 2007, no. 8, pp. 23–27. (In Russ.)Волков Д. П., Кораблев В. А., Заричняк Ю. П. Методические указания к лабораторным работам по курсу «Теплофизические свойства веществ». СПб: СПбГУ ИТМО, 2006. 66 с.Volkov D. P., Korablev V. A., Zarichnjak Ju. P. Metodicheskie ukazanija k laboratornym rabotam po kursu “Teplofizicheskie svojstva veshhestv” [Guidelines for laboratory work on the course “Thermophysical properties of substances”]. St. Petersburg, SPbGU ITMO Publ., 2006, 66 p. (In Russ.)Коротких А. Г. Теплопроводность материалов: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. 97 с.Korotkih A. G. Teploprovodnost’ materialov: uchebnoe posobie [Thermal conductivity of materials: tutorial], Tomsk, Tomsk Polytechnic University Publ., 2011, 97 p. (In Russ.)Григорьев Б. В., Никулин С. Г., Зайцев Е. В. Основы математической обработки результатов физико-технических измерений. Тюмень: Изд-во ТюмГУ. 2018. 32 с.Grigor’ev B. V., Nikulin S. G., Zajcev E. V. Osnovy matematicheskoj obrabotki rezul’tatov fiziko-tehnicheskih izmerenij [Fundamentals of mathematical processing of the results of physical and technical measurements]. Tyumen, Tyumen State University Publ., 2018, 32 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.