近似稳态,是一种对不稳定中间产物的化学反应动力学近似处理的方法。适用于有活泼中间物的连续反应。
概述此法假定对不稳定中间产物的净生成反应速率可近似取为零。如果不稳定中间产物的净生成反应速率为零,则其浓度应不随时间而变化,而达到稳态;但按稳态近似处理时,不稳定中间产物的浓度是随时间而变化的,只是其变化率与中间产物的总生成反应速率以及总消耗反应速率相比都小得多。事实上,其净生成反应速率是其总生成反应速率与总消耗反应速率之差,是两个大数之差,其差值与大数本身相比很小,所以可以略去不计。
应用适用于有活泼中间物的连续反应。它假定,反应开始阶段之后,体系基本处于稳态,活泼中间物的生成速率基本上等于其消失速率,中间物浓度不随时间改变,达到稳态浓度,由此可列出一些代数方程以求出总的速率议程。对原子、自由基、激发态中间分子等均可用稳态近似,而对不存在稳态(如支链爆炸反应)的体系,不能随意应用稳态近似。
简易井温曲线的近似稳态校正方法利用长期野外测井工作的经验,对简易测温钻孔进行近似稳态校正,采用井底温度、中性点( 段) 和恒温带的温度三个关键点近似推求稳态曲线。根据校正后曲线,钻孔中某一层位和某一深度的地温值就很容易地从校正曲线上查出,并可求出各层段以及全孔的地温梯度,为矿井设计和矿井生产提供更为可靠实际的资料。1
简易测温和近似稳态测温在煤炭地质勘探中,地温测井工作主要为简易测温和近似稳态测温两种形式。所谓简易测温,是指钻探施工结束后进行常规测井前后各进行一次的地温测量方式,又称测前与测后,间隔时间一般只有6~8h。近似稳态测温是指在简易井温测量结束之后按12、12、24、24h的时间间隔各进行一次测温,以求得岩、煤层近似稳定的原始温度值及寻找温度恢复的规律。1
近似稳态测温工作,需要钻孔保留相当长的时间,孔壁的坍塌、岩粉沉淀、钻孔缩径等一系列因素将使井下仪器( 探管) 无法下到孔底而中途停止。如果采取捅孔、冲孔等措施,可以重新测量,但已获得的资料将会报废,如此情况在测量过程中还可能会反复发生,因此在实际工作中近似稳态测温是一件非常困难的事情,成功率比较低。一个近似稳态测温孔至少要进行3~5d的测量,有的甚至十几天也达不到目的。虽然有些近似稳态测温孔可以选择在抽水试验孔,利用其稳定水位的时间进行多次地温测量。在同一勘探区内,不能把所有近似稳态测温孔都选择在抽水试验孔内。一般只需选择3~4个钻孔作近似稳态测量,但一定要合理布孔,精确测量。同时,要记录好井液停止循环时间及测量时间的间隔。
由于近似稳态测温孔不易进行,所以大量的钻孔测温采用简易测温。所得钻孔温度为非稳态钻孔温度。这类资料在使用上就不能与近似稳态孔等同,这时就需要根据近似稳态孔热恢复规律进行相应校正,校正后的地温资料才能用来评价地温场。1
简易测温资料的近似稳态校正方法对简易测温钻孔进行近似稳态校正,多采用井底温度、中性点( 段) 和恒温带的温度三个关键点来近似推求稳态曲线的方法。这种方法被认为是简单有效的方法,由于对这三个关键点的确定方法不尽相同,导致计算结果会出现较大的差异。因此对这三个关键点的认识与取值就成为校正工作最重要的问题。1
( 1) 井底温度。在近似稳态测温钻孔的最后一次测温 ( 即井液停止循环时间达72h以上) 所测得井底温度可以近似地看作是原始岩温,一般相差0.2℃左右。但是,简易测温第二次测量一般是在井液停止循环时间8h左右进行的,与原始岩温相差较大,必须按照近似稳态钻孔中热恢复的规律推算,予以适当较正,求得近似的原始地温场的温度。
( 2) 中性点( 段) 。当钻孔达到一定深度,井底的原始温度高于冲洗液的温度时,热恢复在钻孔上、下二段的变化是不相同的。在下段原始地温场的破坏是被冲洗液冷却,热恢复过程是朝着温度增加的方向回升。
( 3) 恒温点。根据地温测量的经验,在煤田地质勘探中不能得到勘探区内恒温带的深度与温度的情况下,可采用两种方法代替恒温点做校正曲线。一种是利用变温点的深度与温度来代替恒温点的深度与温度;另一种方法是利用多个近似稳态测温孔最后一次测温曲线的上段延长至地表所得温度的平均数作为地表地温,然后和中性点相联做校正曲线。第一种方法的变温点可以这样求得:在多个近似稳态孔或井液停止循环时间较长的简易测温孔中找出其温度变化点 ( 即曲线的拐点) 的深度与温度,求其算术平均值作为变温点的深度与温度值,用来代替恒温点的深度与温度值校正曲线。1
简易测温与近似稳态测温的差异矿井高温是矿山生产过程中影响安全的一个重大隐患因素。在地质勘探中,地温的主要研究方法是钻孔测温法,该方法有近似稳态和简易测温两种。采用简易测温和近似稳态测温,求取地温梯度上的差别。地温梯度是选择合理降温方法及风温预测的一个基础数据,因此地温梯度的确定对控制矿井地热灾害具有重要的现实意义。从试验结果分析,近似稳态测温相对于简易测温与实际地温梯度变化情况更加吻合,为以后的矿井风温预算、开拓方式、通风系统提供了更为精确的地温参数。2
井底温度停钻后所采集的井温曲线是不稳定的,井底的温度相对于其他点更接近岩石的原始温度。根据稳定程度对井底温度作如下评估:通常可以认为温度达到了准稳定,井底岩石的热性质属于一般的情况下,温度恢复程度相当于扰动幅度的70%~80% ,届时的井底与平衡岩石温度大约相差1℃ 。2
中性点钻孔比较深时,因为钻具扰动,下段温度被井液冷却,上段则增温,在地温回复时,下段井温回升;上段井温下降。所以,中性点位于随温度变化方向相反的上下两段之间,该点温度与围岩相近或一致。
在钻孔温度恢复时,可由两条不同时间取得的井温曲线得到中性点。在简易测温中两条温度曲线的交点即为中性点。中性点是判断恒温带深度和温度的一个重要参数。2
恒温带温度恒温带以上区域受地球表面温度影响变化大,在恒温带以下区域地温随深度的增大受地球内热影响大。
式中:θz - 恒温带温度;θ0-地面年平均温度;Z-恒温带深度;λ-岩石热导率;a-地面热传递系数;q-大地热流值。2
实例对比测区位于亚热带潮湿气候的云贵高原,冬季和夏季时间长,春季和秋季时间短。气象资料显示,本区年最低气温为-1.9℃,最高为40.8℃( 1991年5月24日) ,年平均气温15.9℃。接近实际地温。从测温数据成果表分析,简易测温判断变温点位置为70m;而近似稳态测温判断变温点位置为60m;孔底温度则分别为22.4℃和23.4℃。
利用变温点的深度为恒温点的深度,并根据增温带平均地温梯度计算公式,简易测温计算地温梯度G=2.83℃/100m。近似稳态测温数据计算增温带地温梯度G=3.13℃/100m。2
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张静 - 副教授 - 西南大学
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