Устройство для изучения физических свойств образцов горных пород Российский патент 2004 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для изучения физических свойств горных пород в условиях, моделирующих термобарические условия естественного залегания.

Изобретение может быть использовано в геологии, горной, газовой и нефтяной промышленности для быстрого лабораторного определения открытой пористости, проницаемости, насыщенности водой и нефтью, а также для измерения удельного электрического сопротивления горных пород в виде кернов.

Принцип измерения удельного электрического сопротивления горных пород основан на точном измерении падения переменного напряжения на исследуемом образце горной породы в виде керна. При измерении электрического сопротивления керна важным конструктивным элементом любой схемы измерения является кернодержатель - устройство для фиксирования керна и подсоединения к нему электродов.

Известен кернодержатель открытого типа с негерметизированной боковой поверхностью керна [Методические рекомендации по исследованию пород-коллекторов нефти и газа физическими и петрографическими методами, ВНИГНИ, 1978, с. 269-285].

Недостатками кернодержателей подобного типа являются различная степень прижатия электродов к торцам керна, неодинаковая степень влажности боковой поверхности в момент измерения, испарение воды, недонасыщение керна жидкостью и невозможность моделирования термобарических условий естественного залегания.

Известно устройство с кернодержателем закрытого типа [пат. РФ 2034146], состоящее из герметичной камеры, силового цилиндра с поршнем измерительного штока, резиновых обжимных втулок и электродов, установленных между торцами испытуемого керна и равномерно по его длине, что позволяет проводить опыты по измерению изменения электрического сопротивления керна при имитации горного давления с помощью резиновых манжет.

Недостатком кернодержателя является то, что величина давления резиновых манжет на боковую поверхность керна, как и распределение давления по длине керна, не поддается прямому контролю и определяется только расчетным путем.

Известно устройство для насыщения горных пород пластовой водой [пат. РФ 1525270], которое включает камеру с кернодержателем, плунжерный насос для создания горного давления, соединенный с камерой трубопроводом, а кернодержатель включает электроизоляционную резиновую манжету, ограниченную уплотнительными стаканами, в днище которых установлены электроды с электровводами, электронный блок для определения удельного электрического сопротивления керна, плунжерный насос для создания пластового давления, соединенный питающим трубопроводом с уплотнительными стаканами.

Недостатком данного устройства является необходимость электрической изоляции плунжерного насоса для подачи пластовой воды и соединенного с ним питающего трубопровода от заземленных элементов установки, которую трудно осуществить в случае исследования физических свойств кернов на стационарных установках, моделирующих горное и пластовое давления.

Известно устройство для изучения физических свойств горных пород в условиях, моделирующих пластовые, состоящее из камеры высокого давления с кернодержателем, гидравлических систем и измерительной системы, включающей, в частности, поршни для изучения удельного электрического сопротивления [авт. св. СССР 196432].

Недостатком устройства является шунтирование поршней минерализованной водой, протекающей в их каналах, что затрудняет измерение удельного электрического сопротивления керна в процессе фильтрации.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для исследования насыщенных водой и нефтью кернов, в частности, для определения коэффициента сжимаемости пор, коэффициента пористости, коэффициента проницаемости, скорости распространения упругих волн, а также для измерения электрического сопротивления керна [Известия высших учебных заведений. Нефть и Газ. Институт нефти и химии. Баку, 1968, №7, с. 3-7]. Устройство включает корпус гидравлической камеры, кернодержатель в виде резиновой обоймы для изоляции керна от нагружающей жидкости, гидравлическую систему для моделирования радиального давления на керн, гидравлическую систему и поршни для моделирования осевого горного давления, втулки, изолирующие поршни от корпуса, дозатор непрерывного действия для фильтрации жидкости через керн, компрессор для создания пластового давления, стальные питающие трубки и стальные отводящие трубки.

Недостатком устройства является шунтирование керна стальными трубками и находящейся в них минерализованной электропроводящей водой, что значительно снижает точность измерения электрического сопротивления керна и вызывает необходимость частичной разборки стальных питающих трубок при измерении удельного электрического сопротивления кернов.

Предметом изобретения является устройство для изучения физических свойств горных пород в условиях, моделирующих пластовые, которое способно обеспечить измерение удельного электрического сопротивления керна с низкой погрешностью измерения и без частичной разборки питающих стальных трубок.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для изучения физических свойств горных пород, содержащем камеру с кернодержателем, систему подачи и отвода флюида, систему, создающую обжимающее давление, измерительную систему согласно изобретению, система подачи флюида подключена к камере через вентиль, в котором элементы, направляющие и запирающие движение потока, выполнены из электроизоляционного материала, а камера включает корпус, неподвижную торцовую втулку, герметизированную уплотнительным кольцом, полый шток, соединенный с системой, подающей флюид, через вентиль, подвижную торцовую втулку с центральным отверстием под шток, внешнюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала, с центральным отверстием, соосным полому штоку, соединенную с подвижной торцовой втулкой, внутреннюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала с центральным отверстием, соосным полому штоку, герметизированным уплотнительным кольцом, соединенную с подвижной торцовой втулкой, подвижный торцовый электрод, имеющий центральный канал, соединенный с полым штоком, кернодержатель выполнен в виде герметичной электроизоляционной эластичной оболочки, один конец которой охватывает подвижный электрод, а другой конец охватывает неподвижную торцовую втулку, и ограниченная ими внутренняя полость герметичной электроизоляционной эластичной оболочки соединена каналом с полым штоком, а полость, ограниченная внешней поверхностью герметичной электроизоляционной эластичной оболочки и внутренними стенками корпуса камеры, соединена с системой, создающей обжимающее давление.

Вентиль может быть выполнен из различных материалов.

В отдельных случаях корпус вентиля может быть выполнен из стали и снабжен электроизолированной от него стальной крышкой, фиксирующей в корпусе втулку вентиля с направляющими каналами и запирающим элементом, выполненными из электроизоляционного материала.

Запирающий элемент может быть выполнен в виде плунжера, способного к возвратно-поступательному перемещению.

Запирающий элемент может быть также выполнен в виде золотника, способного к повороту на определенный угол.

Камера может быть дополнительно снабжена термостатирующим устройством и датчиком температуры.

Измерительная система может включать электронный блок для определения удельного электрического сопротивления кернов.

Таким образом, согласно изобретению, заявляемое сочетание конструктивных элементов вентиля, камеры и кернодержателя обеспечивает электрическую изоляцию керна при измерении удельного электрического сопротивления керна без частичной разборки соединительных питающих трубок, что позволяет быстро и качественно проводить опыты по измерению физических свойств образцов горных пород в условиях, моделирующих термобарические условия естественного залегания.

Особенности и преимущества настоящего изобретения поясняют чертежи, где на фиг.1 представлена схема включения вентиля и камеры с кернодержателем в систему питания и отвода флюида в устройстве для изучения физических свойств образцов горных пород, а также подключения к ним электронного блока; на фиг.2 - частичный разрез места крепления крышки к корпусу вентиля; на фиг.3 - фронтальный вид вентиля в разрезе с запирающим элементом в виде плунжера, способного к возвратно-поступательному перемещению; на фиг.4 - фронтальный вид вентиля в разрезе с запирающим элементом в виде золотника, способного к повороту на определенный угол; на фиг.5 - фронтальный вид камеры с кернодержателем в разрезе.

Одни и те же элементы устройства, показанные на чертежах, имеют одинаковые позиции.

На фиг.1 представлен вентиль 1, камера с кернодержателем 2, трубки системы подвода флюида 3, трубки системы отвода флюида 4, электронный блок 5 для измерения удельного электрического сопротивления кернов.

На фиг.2 представлен корпус вентиля 6 и его крышка 7, соединенные винтами 8 с помощью изоляторов 9, электрически разъединяющих корпус вентиля 6 и крышку 7 друг от друга.

На фиг.3 представлены корпус вентиля 6 и его крышка 7, запирающий элемент в виде плунжера 10, способный к возвратно-поступательному перемещению, изготовленный из электроизоляционного материала, радиальное герметизирующее кольцо 11, торцовое герметизирующее кольцо 12, втулка вентиля 13 с отверстием 14 под запирающий элемент в виде плунжера 10 и каналами 15 для жидкости, изготовленная из электроизоляционного материала и установленная между корпусом вентиля 6 и крышкой 7 так, что между ними имеется зазор 16, резьбовая втулка 17, установленная в корпус вентиля 6 с возможностью определять положение запирающего элемента в виде плунжера 10.

На фиг.4 представлены корпус вентиля 6 и его крышка 7, соединенные винтами 8 с помощью изоляторов 9, электрически разъединяющих корпус вентиля 6 и крышку 7 друг от друга, запирающий элемент в виде золотника 10, способный к повороту на определенный угол с каналами для жидкости, распределитель 18 с каналами для жидкости, изготовленный из электроизоляционного материала, радиальные герметизирующие кольца 11, втулка вентиля 13 с отверстием 14 под запирающий элемент в виде золотника 10 и каналами 15 для жидкости, изготовленная из электроизоляционного материала и установленная между корпусом вентиля 6 и крышкой 7 так, что между ними имеется зазор 16, фиксатор 19, подпятник 20, нажимная шайба 21, буферная прокладка 22, опора 23, рукоятка 24, установленная в запирающий элемент в виде золотника 10 с возможностью определять его угловое положение.

На фиг.5 представлены камера 25, неподвижная торцовая втулка 26, герметизированная уплотнительным кольцом 27, полый шток 28, подвижная торцовая втулка 29 с центральным отверстием 30, герметизированная уплотнительным кольцом 31, внешняя электроизоляционная направляющая втулка 32 с центральным отверстием 33, соединенная с подвижной торцовой втулкой 29, внутренняя электроизоляционная направляющая втулка 34, герметизированная уплотнительным кольцом 35 и имеющая центральное отверстие 36 под полый шток 28, герметизированный в нем уплотнительным кольцом 37, соединенная с подвижной торцовой втулкой 29, подвижный торцовый электрод 38, имеющий центральный канал 39, соединенный с полым штоком 28, кернодержатель в виде герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 40, один конец которой размещен на подвижном торцовом электроде 38, а другой конец размещен на неподвижной торцовой втулке 26, имеющей канал 41 для отвода жидкости из внутренней полости герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 40, керн 42, помещенный в герметичную электроизоляционную эластичную оболочку 40, штуцер 43 для подвода жидкости внутрь камеры 25 для наружного обжатия керна 42, гайка 44 для крепления неподвижной торцовой втулки 26, фиксатор 45 для фиксации осевого положения подвижной торцовой втулки 29 и радиатор 46.

Устройство работает следующим образом.

В положении, когда керн 42 внутри герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 40 отсутствует, а неподвижная торцовая втулка 26 контактирует с подвижным торцовым электродом 38, измерительную схему подстраивают под конкретное сопротивление элементов измерительной цепи по переменной и постоянной составляющей выходного напряжения. Затем стандартными методами экстрагированный, высушенный и насыщенный под вакуумом нефтью исследуемый керн 42 помещают в герметичную электроизоляционную эластичную оболочку 40 между неподвижной торцовой втулкой 26 и подвижным торцовым электродом 38. Камеру 25 заполняют маслом, являющимся диэлектриком, осуществляя при этом двусторонний обжим керна 42 - по боковой поверхности за счет податливости герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 40 и вдоль оси за счет подвижности торцового электрода 38. При этом первоначально создается давление, достаточное для того, чтобы обеспечить плотное прижатие герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 40 к цилиндрической поверхности подвижного торцового электрода 38 и неподвижной торцовой втулки 26, а также обеспечить плотное соприкосновение торцов керна 42 с торцом неподвижной торцовой втулки 26 с одной стороны и торцом подвижного торцового электрода 38 с другой. Из стандартного термостатирующего устройства в радиатор 46 подается теплоноситель, поддерживающий заданную температуру внутри керна 42. Электронный блок 5 перестраивают в диапазон, оптимальный с точки зрения помехозащищенности измерительной схемы для данного керна 42. Электронный блок 5 включает в себя задающий генератор синусоидального напряжения, фильтр высокой частоты для устранения помех, генератор стабилизированного тока, переключатель диапазонов сопротивления, через который генератор стабилизированного тока подключен к керну, фильтр реактивной составляющей удельного электрического сопротивления керна, усилитель, включающий регулятор установки нуля и фильтр высоких частот, синусоидальное напряжение которого пропорционально активному сопротивлению керна, детектор постоянного выходного напряжения и аналого-цифровой преобразователь. Измеряют удельное электрическое сопротивление насыщенного нефтью керна 42. Для измерения удельного электрического сопротивления керна 42 в процессе вытеснения нефти подают под пластовым давлением вытесняющую жидкость через питающую трубку 3.

В положении, когда запирающий элемент в виде плунжера 10 вентиля 1 поднят, осуществляют непрерывную фильтрацию вытесняющей жидкости через керн 42, периодически измеряя удельное электрическое сопротивление керна 42 при помощи электронного блока 5. При этом, если вытеснение нефти производится неэлектропроводной жидкостью, то измерения производятся непрерывно при открытом вентиле 1, если же вытеснение флюида производится электропроводной жидкостью, то измерения производятся дискретно в положении, когда вентиль 1 закрыт. В этом случае при прижатии к торцу отверстия 14 торцовое герметизирующее кольцо 12 обеспечивает надежную электрическую изоляцию полого штока 28, связанного с электронным блоком 5.

В положении, когда запирающий элемент в виде золотника 10 вентиля 1 повернут относительно распределителя 18 так, что их вертикальные каналы совпадают, осуществляют непрерывную фильтрацию вытесняющей жидкости через керн 42, периодически измеряя удельное электрическое сопротивление керна 42 при помощи электронного блока 5. При этом, если вытеснение нефти производится неэлектропроводной жидкостью, то измерения производятся непрерывно при открытом вентиле 1, если же вытеснение флюида производится электропроводной жидкостью, то измерения производятся дискретно в положении, когда вентиль 1 закрыт. В этом случае запирающий элемент в виде золотника 10 поворачивается в положение, когда его вертикальный канал и вертикальный канал распределителя 18 не совпадают. При этом буферная прокладка 22 через нажимную шайбу 21 осуществляет осевое прижатие торца запирающего элемента в виде золотника 10 и распределителя 18, обеспечивая надежную электрическую изоляцию полого штока 28, связанного с электронным блоком 5.

Наличие в устройстве вентиля, обеспечивающего электрическую изоляцию керна при измерении удельного электрического сопротивления керна без частичной разборки соединительных питающих трубок, позволяет быстро и качественно производить исследовательские работы.

Изобретение относится к области горного дела и может быть использовано для изучения физических свойств горных пород в виде кернов. Задачей изобретения является снижение погрешности измерения. Устройство содержит камеру с кернодержателем, систему подачи и отвода флюида, систему, создающую обжимающее давление, измерительную систему. Система подачи флюида подключена к камере через вентиль, в котором элементы, направляющие и запирающие движение потока, выполнены из электроизоляционного материала. Камера включает корпус, неподвижную торцовую втулку, герметизированную уплотнительным кольцом, полый шток, соединенный с системой, подающей флюид, через вентиль, подвижную торцовую втулку с центральным отверстием под шток, внешнюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала, с центральным отверстием, соосным полому штоку, соединенную с подвижной торцовой втулкой, внутреннюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала с центральным отверстием, соосным полому штоку, герметизированным уплотнительным кольцом, соединенную с подвижной торцовой втулкой, подвижный торцовый электрод, имеющий центральный канал, соединенный с полым штоком. Кернодержатель выполнен из эластичной оболочки, один конец которой герметично охватывает подвижный электрод, а другой конец герметично охватывает неподвижную торцовую втулку, и ограниченная ими внутренняя полость кернодержателя соединена каналом с полым штоком, а полость, ограниченная внешней поверхностью эластичной оболочки и внутренними стенками корпуса камеры, соединена с системой, создающей обжимающее давление. Запирающий элемент может быть выполнен как в виде плунжера, способного к возвратно-поступательному перемещению, так и в виде золотника, способного к повороту на определенный угол. Устройство может быть снабжено термостатирующим устройством и датчиком температуры, и электронным блоком для определения удельного электрического сопротивления кернов. 5 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для изучения физических свойств образцов горных пород, содержащее камеру с кернодержателем, систему подачи и отвода флюида, систему, создающую обжимающее давление, измерительную систему, отличающееся тем, что система подачи флюида подключена к камере через вентиль, в котором элементы, направляющие и запирающие движение потока, выполнены из электроизоляционного материала, а камера включает корпус, неподвижную торцовую втулку, герметизированную уплотнительным кольцом, полый шток, соединенный с системой, подающей флюид через вентиль, подвижную торцовую втулку с центральным отверстием под шток, внешнюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала, с центральным отверстием, соосным полому штоку, соединенную с подвижной торцовой втулкой, внутреннюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала с центральным отверстием, соосным полому штоку, герметизированным уплотнительным кольцом, соединенную с подвижной торцовой втулкой, подвижный торцовый электрод, имеющий центральный канал, соединенный с полым штоком, кернодержатель выполнен из герметичной электроизоляционной эластичной оболочки, один конец которой охватывает подвижный электрод, а другой конец охватывает неподвижную торцовую втулку, и ограниченная ими внутренняя полость герметичной электроизоляционной эластичной оболочки соединена каналом с полым штоком, а полость, ограниченная внешней поверхностью эластичной оболочки и внутренними стенками корпуса камеры, соединена с системой, создающей обжимающее давление.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус вентиля выполнен из стали и снабжен электроизолированной от него стальной крышкой, фиксирующей в корпусе втулку вентиля, в которой расположены направляющие движение потока каналы и запирающий элемент, выполненные из электроизоляционного материала.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что запирающий элемент выполнен в виде плунжера, способного к возвратно-поступательному перемещению.4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что запирающий элемент выполнен в виде золотника, способного к повороту на определенный угол.5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что камера с кернодержателем снабжена термостатирующим устройством и датчиком температуры.6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что измерительная система включает электронный блок для определения удельного электрического сопротивления кернов.