УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКОСТИ В ПОРИСТОЙ СРЕДЕ Российский патент 1997 года по МПК E21B47/00 G01N23/12 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при изучении процесса вытеснения нефти из пористой среды на лабораторных фильтрационных моделях пласта или кернах.

Известно устройство для исследования процесса фильтрации жидкостей в пористой среде, включающее корпус с пористой средой, датчик, подвижной коллиматор и гидродинамический блок. Для получения "меченых" жидкостей использованы радиоактивные изотопы: йод-131 (вводится в нефть) и рубидий-86 (вводится в воду).

Недостатком известного устройства являются значительные габариты и относительно низкая чувствительность датчика, что приводит к необходимости использовать изотопы с высокой активностью (до 7 милликюри), при этом в лабораторном помещении значительно повышен радиоактивный фон и, следовательно, уровень облучения обслуживающего персонала. Сцинтилляционный датчик и свинцовый коллиматор, используемые в данном устройстве, не обеспечивают полной отсечки радиоактивного излучения от изотопов, распределенных по всей длине корпуса и находящихся так же в гидродинамической системе, поэтому на получаемых кривых распределения "меченых" жидкостей в стальной трубе дискретная граница между "меченой" и не меченой жидкостями фиксируется в виде переходной кривой, длиной до 15 см, это, в свою очередь, приводит к низкой точности определения насыщенности кварцевого песка нефтью и водой в зоне их фронтального разделения и резко искажает истинную картину движения границы вода-нефть вдоль корпуса.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для исследования процесса фильтрации жидкостей в пористой среде. Оно включает корпус с пористой средой, электропривод, подвижной коллиматор, в котором установлен датчик радиоактивного излучения, гидродинамический блок, гидравлически связанный с корпусом, электронно-вычислительную машину (ЭВМ), электрически связанную с датчиком радиоактивного излучения, электроприводом и гидродинамическим блоком.

При исследовании динамики процесса фильтрации воды и нефти в пористой среде здесь используются вводимые в эти жидкости радиоактивные "метки": для воды изотоп натрий-22 (энергия гамма-излучения Σγ 511 кэв и 1275 кэв) или изотоп цезий 137 (Σγ 661 кэв); для нефти изотоп железа-59 (Σγ 1096 кэв и 1253 кэв).

В соответствии с заложенной в ЭВМ программой гидродинамического эксперимента, по командам с ЭВМ жидкости нагнетаются гидродинамическим блоком в пористую среду. Радиоактивное излучение от введенных в них меток, пройдя через коллиматор, попадает в датчик. Уровень его радиоактивного облучения фиксируется, причем излучение от "меченых" воды и нефти разделяется по энергиям. Эти операции согласно заложенной в ЭВМ программе периодически повторяются при различном положении коллиматора относительно корпуса с пористой средой, причем перемещение коллиматора вдоль них выполняется электроприводом так же по сигналам с ЭВМ. В результате последняя фиксирует "распределение" воды и нефти вдоль корпуса с пористой средой на различных стадиях эксперимента, что позволяет изучить механизм и эффективность процесса вытеснения нефти из пористой среды.

К недостаткам данного устройства следует отнести его конструктивные особенности, и прежде всего общий размер и вес коллиматора, которые определяются тем, что в устройстве применены радиоактивные изотопы с достаточно высокой энергией гамма-квантов (как указано выше при любой их комбинации присутствует излучение с энергией выше 1000 кэв). Это, в свою очередь, приводит к тому что: несмотря на большой размер и вес (около 80 кг) коллиматора, уровень облучения обслуживающего персонала остается высоким. Уровень общего гамма-излучения от 2-х введенных в корпус с пористой средой радиоактивных индикаторов, свободно выходящего из пористой среды в окружающее пространство и создающего радиоактивный "фон" на порядок превышает уровень "полезного" излучения, проходящего через узкую (4 мм) щель коллиматора и регистрируемого датчиком.

Кроме того, степень поглощения излучения от радиоактивных изотопов, использованных в прототипе, даже при столь значительном размере и весе коллиматора, изготовленного из свинца, недостаточна для получения прямой однозначной зависимости между насыщенностью модели пласта в зоне "видимости" датчика и отсчетом. Поэтому для достоверности исследования необходимо вводить коррекцию, что снижает точность аппаратурных измерений из-за того, что операция коррекции предполагает некоторые манипуляции с исходными данными измерений. Поэтому для сохранения точности определений насыщенности пористой среды флюидами, необходимо получить эти данные с более низкой погрешностью, что, в свою очередь, требует увеличить общую активность применяемых радиоактивных препаратов. Однако и в этом случае картина фильтрации может искажаться из-за различной степени адсорбции радиоактивных изотопов на многокомпонентной по химическому составу пористой среде, представленной в известном устройстве керновым материалом. Разделение радиационных эффектов от "меченых" воды и нефти с применением амплитудной селекции предполагает высокую зависимость результатов измерений от стабильности измерительного тракта, что, в свою очередь, при неблагоприятных условиях (изменение питающих аппаратуру напряжений, изменение температуры) дополнительно увеличивает погрешность.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерений и снижение уровня облучения обслуживающего персонала за счет уменьшения внешнего радиоактивного излучения. Поставленная цель достигается тем, что известное устройство, включающее корпус с пористой средой, электропривод, подвижной коллиматор с установленным внутри него датчиком радиоактивного излучения, гидродинамический блок, гидравлически связанный с корпусом, электронно-вычислительную машину, электрически связанную с датчиком радиоактивного излучения, электроприводом и гидродинамическим блоком, снабжено дополнительным подвижным коллиматором с радиоактивным источником и сменной головкой с изменяемым размером коллимационного отверстия, установленным с возможностью соосного расположения с основным коллиматором на противоположных сторонах корпуса, защитным экраном и электроприводом, электрически связанным с электронно-вычислительной машиной, причем основной и дополнительный коллиматоры выполнены из вольфрамо-медно-никелевого сплава, соотношение ширины коллимационного отверстия головки и расстояния между излучающей поверхностью радиоактивного источника и верхней торцевой поверхностью дополнительного подвижного коллиматора равно 0,3-1,5, сменная головка с изменяемым размером коллимационного отверстия выполнена из двух подвижных частей, снабженных электроприводом и упругим элементом с покрытием из вольфрамо-медно-никелевого сплава толщиной 0,008-0,012 мм.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 показан общий вид устройства в разрезе, вид спереди и сбоку; на фиг. 2 сменная головка из двух подвижных частей, вид в разрезе сбоку и сверху.

Устройство включает корпус 1 с пористой средой 2 и электроприводом 3, подвижный коллиматор 4 с установленным внутри него датчиком радиоактивного излучения 5, гидродинамический блок 6, электронно-вычислительную машину (ЭВМ) 7, дополнительный подвижный коллиматор 8 с радиактивным источником 9, защитным экраном 10, электроприводом 11 и сменной головкой 12 с изменяемым размером коллимационного отверстия 13. Сменная головка 12, в случае применения корпуса 1 с пористой средой переменного диаметра, представляет собой две подвижные части 14 и 15 с электроприводом 16 и упругим элементом 17.

Гидродинамический блок 6 гидравлически связан с корпусом 1, а электронно-вычислительная машина 7 электрически связана с датчиком радиоактивного излучения 5, электроприводами 3, 11, 16 и гидродинамическим блоком 6. Подвижные коллиматоры 4 и 8 установлены на противоположных сторонах корпуса 1 с возможностью соосного расположения относительно друг друга.

Соотношение ширины (S) коллимационного отверстия 13 и расстояния (l) между излучающей поверхностью радиоактивного источника и верхней торцевой поверхностью дополнительного коллиматора равно 0,3-1,5. Упругий элемент 17 выполнен с покрытием из вольфрамо-медно-никелевого сплава толщиной 0,008-0,012 мм.

Устройство работает следующим образом.

Нефть, меченая радиоактивным изотопом, и минерализованная вода вводятся в соответствующие емкости в гидродинамическом блоке 6 (на чертеже емкости не указаны) и из них под давлением по программе, заложенной в ЭВМ 7, подаются в корпус 1, где происходит их фильтрация сквозь пористую среду 2. Процесс фильтрации жидкостей имеет свои характерные особенности, зависящие от структуры пористой среды 2, вязкости нефти, степени минерализации воды и от других физико-химических условий, при которых проводится эксперимент. Эти особенности определяют характер движения жидкостей в пористой среде 2. Для выявления механизма процесса фильтрации, движение жидкостей отслеживается по заложенной в ЭВМ программе. По поступающим с нее командам периодически включается электропривод 3 и коллиматор 4 с датчиком радиоактивного излучения 5, а также механически связанные с ними коллиматор 8 с радиоактивным источником 9 регулярно движутся вдоль корпуса 1, останавливаясь в заранее выбранных размещенных вдоль него точках. При каждой остановке в точке в ЭВМ поступает информация: в начале с суммарной интенсивности радиоактивного получения из корпуса 1 и от радиоактивного источника 9, и затем о радиоактивном излучении только из корпуса 1. Для этого по команде с ЭВМ включается электропривод 11 и коллиматор 8 разворачивается и устанавливается под экраном 10. При таком положении второго коллиматора 8 и выполняется второй замер интенсивности радиоактивного излучения на данной точке и затем по команде с ЭВМ происходит перемещение коллиматоров 4 и 8 в следующую точку замеров, причем коллиматор 8 находится при этом под экраном 10 и выводится из-под него в первоначальное положение по команде с ЭВМ электроприводом 11 лишь в следующей точке замера. Указанный порядок работы предлагаемого устройства сохраняется для любого по габаритам корпуса 1, однако, в зависимости от диаметра последнего, производится предварительная корректировка "охвата" измерением поперечного сечения пористой среды 2 путем подбора соответствующей сменной головки 21 корпуса-коллиматора 8, обеспечивающей отсечку "паразитных" частей потока радиоактивного излучения, формируемого корпусом-коллиматором 8.

В том случае, если по условиям эксперимента применяется корпус 1 с пористой средой 2 с переменным диаметром, то в устройстве используется сменная головка с подвижными частями 14 и 15, между которыми размещен упругий элемент 17, при этом по программе с ЭВМ в каждой точке замера, с помощью электропривода 16 устанавливается оптимальный размер коллимационного отверстия, образуемого передвижением элементов 14 и 15 и соответствующий диаметру корпуса 1 у точки замера. Особенность измерений в случае переменного по длине диаметра корпуса 1 состоит в повышении требований к амплитуде регистрируемых эффектов из-за существенного их уменьшения в суженных частях корпуса 1. Поэтому в предлагаемом устройстве при работе на таком корпусе с пористой средой использован нанесенный на упругий элемент 17 слой вольфрамо-медно-никелевого сплава (фильтр), подавляющий "жесткую" компоненту энергетического спектра радиоактивного источника 9. Элемент 17 обеспечивает при передвижении частей 14 и 15 прохождение радиоактивного излучения через фильтр при всех значениях "S". При этом радиационный эффект от изменения вещественного состава флюидов в корпусе 1 увеличивается в 1,5-2 раза. ЭВМ выдает данные эксперимента в виде графиков распределения насыщенности пористой среды 2 нефтью и минерализованной водой на разных стадиях опыта.

Для реализации предложенного устройства использован ампулированный источник ИГИА (Источник герметизированный ионизирующего излучения америция-241), в качестве радиоактивного индикатора применен изотоп иод-131, введенный в соединение иод-бензол-C₆H₅J, которым помечена нефть. Использованы 3 вида корпуса с пористой средой с диаметром 25 мм, 38 мм и 50 мм и корпус с переменным диаметром. Исходя из условия получения минимального потока рассеянного излучения, от источника ИГИА при работе на первых трех из этих разновидностей корпусов использованы сменные головки 12 с соотношениями размеров S 0,3l, 0,6l и 0,8l соответственно (10, 20, 27 мм). Эксперименты по определению эффективности вытеснения нефти из пористой среды производились последовательно на корпусах 1 разного диаметра с регистрацией движения как двухфазных, так и трехфазных потоков жидкости. В первом случае в жидкости не вводили радиоактивный индикатор. Во втором случае в качестве последнего использовали, как указано выше, иод-131 с энергией основной линии в спектре излучения 360 кэв.

В первом случае для исследования механизма двухфазного движения жидкости в гидродинамической модели использован лишь радиоактивный источник ИГИА и получено общее снижение уровня облучения обслуживающего персонала по сравнению с прототипом соответственно в 1200, 300 и 150 раз, так как доля от его общего потока, используемая для "просвечивания" модели составили для моделей указанного внутреннего диаметра соответственно 1/600. 1/150 и 1/75. Сквозь стенки второго коллиматора 8 его излучение практически не проходит (1,2 мм вольфрамо-медно-никелевого сплава ВНМ-3-2 ослабляет это излучение в 10³ раз), а в самой пористой среде радиоактивный изотоп в этом случае отсутствовал.

При работе с корпусом переменного диаметра использована сменная головка с подвижными частями. Экспериментально было установлено, что при фильтрации излучения ИГИА с энергией 60 кэв сквозь стальной корпус переменного диаметра в спектре радиоактивного источника появляется пик с более высокой энергией излучения вплоть до 110 кэв и при толщине стали 10 мм интенсивность в основном и дополнительном пиках становится примерно равной.

Толщина слоя вольфрамо-медно-никелевого сплава (0,008-0,012 мм) - оптимальная и подобрана экспериментально для обеспечения эффективного подавления "жесткой" компоненты радиоактивного излучения источника без многократного (не более 2-2,5 раз) уменьшения интенсивности радиоактивного излучения его основной линии.

Покрытие упругого элемента слоем вольфрамо-медно-никелевого сплава обеспечивает в целом уменьшение интенсивности дополнительного пика в 5 раз, при снижении интенсивности основного пика только в 2 раза, что позволило повысить точность измерений на корпус 1 с пористой средой 2 с переменным диаметром в 1,5-2 раза.

Движение 3-фазного потока (вода, нефть, газ) излучалось с использованием вводимого в модель радиоактивного иода. В этом случае снижение уровня облучения обслуживающего установку персонала удалось снизить более чем в 2 раза.

Точность определения концентрации в модели каждой из фаз по данным серии конкретных замеров составила от ± 0,71 до ± 1,66% (средняя вероятная ошибка), что более чем в 1,5 раза выше, чем при совместной регистрации радиоактивного излучения от двух радиоактивных индикаторов, осуществляемой в прототипе.

Конкретный образец предложенного устройства был оснащен стандартным сцинтилляционным датчиком, ЭВМ типа UNISYS 80287. Перемещение коллиматоров осуществлялось шаговым электропpиводом. В качестве гидродинамического блока использована установка УИПК серийно производимая заводом "Нефтеавтоматика".

Коллиматоры выполнены в виде цилиндров с внешним диаметром 10 см (первый) и 4 см (второй), с длиной 20 см и 10 см соответственно и изготовлены из нетоксичного вольфрамо-медно-никелевого сплава значительно лучше, чем свинец, поглощающий радиоактивное излучение как иода-131, так и америция-241. Это позволило при сокращении их размеров дополнительно снизить уровень "фона" и увеличить достоверность определений в зонах фронтального контактирования воды и нефти. Источник ИГИА перемещается во втором корпусе-коллиматоре штоком с внешней резьбой. Перемещение раздвигаемых частей головки второго корпуса-коллиматора выполнялось с использованием реверсивного электродвигателя, причем шток снабжен двойной право- и левосторонней резьбой.

Повышение точности определений процесса нефтевытеснения позволило сократить реально необходимый объем реагента при планировании применения исследованной технологии на одном из месторождений Томской области на 50 тонн, что при стоимости реагента 3 млн. руб за тонну дает экономию 150 млн. руб.

Одним из важных результатов использования предложенного устройства является уменьшение уровня облучения обслуживающего персонала, имеющего существенное экономическое значение за счет снижения вредного влияния на человеческий организм.

Таким образом, преимущества предложенного технического решения состоят в том, что:
1) Использование дополнительного коллиматора, снабженного радиоактивным источником и сменной головкой с изменяемой шириной коллимационного отверстия, позволяет существенно уменьшить величину потока радиоактивного излучения, попадающего от устройства в окружающую среду и облучающего персонал. При этом "паразитный" поток радиоактивного излучения от радиоактивного источника снижается до минимума. Ибо дополнительным коллиматором выделяется только та его часть, которая направлена на пористую среду.

Экспериментально установлено, что такие оптимальные уровни измерения достигаются для всех практически используемых диаметров пористой среды в корпусе от 25 до 100 мм при соотношении S/l= 0,3-1,5.

2) Регулировка размеров коллимационной щели дополнительного коллиматора в указанных пределах позволяет оптимизировать поток радиоактивного излучения, необходимого для исследования процессов фильтрации, а также отсечь малоинформативную часть потока радиоактивного излучения радиоактивного источника. При этом формируется "полезный" поток радиоактивного излучения источника, достаточно объемный для того, чтобы охватить "просвечиванием" "сердцевину" пористой среды с насыщающими ее флюидами. В результате чего повышаются точность и информативность измерений, а также снижается уровень внешней радиации.

3) Указанные пределы регулировки ширины коллимационного отверстия сменной головки обеспечивают оптимальные условия регистрации радиоактивного излучения радиоактивного источника практически при всех используемых корпусах с внешним диаметром от 25 мм до 100 мм.

4) Интенсивность радиоактивного излучения, попадающего в окружающую среду от радиоактивного источника, заключенного в дополнительный коллиматор с изменяемым размером коллимационного отверстия оказывается не менее чем в 150 раз меньшей, чем интенсивность такого излучения выходящего из корпуса с пористой средой с введенным в нее радиоактивным изотопом. В результате чего в предложенном устройстве уровень облучения обслуживающего персонала снижен почти в 2 раза.

5) В качестве вводимого в гидродинамическую модель радиоактивного изотопа использован иод-131, потому уровень облучения обслуживающего персонала при использовании предложенного устройства еще снижен в 1,5 раза (по сравнению с цезием-137), и в 5 раз (по сравнению с натрием-22).

Лучшие экологические условия работы и уменьшение уровня облучения персонала достигается и за счет полной блокировки радиоактивного излучения радиоактивного источника в паузах между измерениями, при перемещении датчика вдоль корпуса с пористой средой.

В предложенном устройстве за счет использования дополнительного коллиматора с радиоактивным источником обеспечена независимая регистрация эффектов от "меченой" радиоактивным изотопом жидкости (нефти) и второй фильтрующейся в пористой среде жидкости (минерализованной воды), что по сравнению с прототипом повышает точность измерения их количества в пористой среде, так как это исключает саму необходимость совместной регистрации радиоактивного излучения от двух радиоактивных изотопов и операцию расчленения энергетического спектра их радиоактивного излучения с помощью амплитудного анализатора.

Применение: для изучения процессов вытеснения нефти из пористой среды на лабораторных фильтрационных моделях пласта в нефтегазовой и других отраслях промышленности. Сущность изобретения: устройство для исследования процесса фильтрации жидкостей в пористой среде содержит корпус с пористой средой, основной и дополнительный коллиматоры с соответственно радиоактивными датчиком и источником излучения, имеющие электроприводы, гидродинамический блок, гидравлически связанный с корпусом, электронно-вычислительную машину, электрически связанную с датчиком радиоактивного излучения, основным и дополнительным электроприводами и гидродинамическим блоком. Дополнительный коллиматор выполнен со сменной головкой с изменяемым размером коллимационного отверстия и установлен с возможностью соосного расположения с основным коллиматором на противоположных сторонах корпуса и имеет защитный экран. Основной и дополнительный коллиматоры выполнены из вольфрамо-медно-никелевого сплава. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1 1. Устройство для исследования процесса фильтрации жидкости в пористой среде, включающее корпус с пористой средой, электропривод, подвижный коллиматор с установленным внутренним датчиком радиоактивного излучения, гидродинамический блок, гидравлически связанный с корпусом, электронно-вычислительную машину, электрически связанную с датчиком радиоактивного излучения, электроприводом и гидродинамическим блоком, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным подвижным коллиматором с радиоактивным источником и сменной головкой с изменяемым размером коллимационного отверстия, установленным с возможностью соосного расположения с основным коллиматором на противоположных сторонах корпуса, защитным экраном и дополнительным электроприводом, электрически связанным с электронно-вычислительной машиной, причем основной и дополнительный коллиматоры выполнены из вольфрам-медно-никелевого сплава.2 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что соотношение ширины коллимационного отверстия головки и расстояния между излучающей поверхностью радиоактивного источника и верхней торцевой поверхностью дополнительного подвижного коллиматора равно 0,3 1,5.2 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сменная головка с изменяемым размером коллимационного отверстия выполнена из двух подвижных частей, снабженных электроприводом и упругим элементом с покрытием из вольфрам-медно-никелевого сплава толщиной 0,008 0,012 мм.