Уплотнение цилиндрического керна и способ сборки уплотнения в кернодержателе Российский патент 2020 года по МПК G01N1/36 G01N15/08 G01N33/24 E21B49/00 

Изобретение относится к новому высокотемпературному уплотнению для цилиндрического керна и способу его (уплотнения) сборки в кернодержателе с целью исследования термического воздействия на цилиндрический керн путем парогравитационного дренажа. Заявленное уплотнение цилиндрического керна выполнено из терморасширенного графита.

Заявленное техническое решение обеспечивает возможность исследования процессов парогравитационного дренажа и определение коэффициента вытеснения высоковязкой нефти из образцов цилиндрических кернов, извлеченных при бурении из различных нефтяных пластов в условиях высоких температур и давления. При этом возможность проведения исследований при высоких температурах и давлении связано исключительно с физическими характеристиками заявленного уплотнения цилиндрического керна и способа его (уплотнения) сборки.

Парогравитационный дренаж используется при моделировании физико-химических процессов гидрогазомеханического и термохимического воздействий на систему высоковязкая нефть - минеральный материал с целью определения комплекса показателей, таких как макрокинетические характеристики процесса, изменчивость гидромеханических свойств системы высоковязкая нефть - минеральный материал, т.е. таких характеристик керна, по которым возможно моделирование свойств реального пласта, проницаемости, пористости, насыщенности, объемного коэффициента сжимания, коэффициента вытеснения в процессе, каталитических эффектов при термическом воздействии, свойств извлекаемой нефти в процессе эксперимента на насыпных (измельченных) или выбуренных (цельных) кернах, с целью оптимизации условий извлечения нефти. При этом выбуренный (цельный) цилиндрический керн с ненарушенной структурой рассматриваемых пород-коллекторов является более предпочтительным, поскольку при вытеснении нефти основной вклад в фильтрацию осуществляют поры и соединяющие их каналы.

При анализе уровня техники заявителем выявлены аналоги заявленного технического решения по назначению. Аналогов по виду уплотнения и способу его сборки заявителем из уровня техники не выявлено.

На дату подачи заявочных материалов для лабораторного моделирования процессов парогравитационного дренажа широко применяется кернодержатель типа Хасслера с обжимным уплотнением керна, описанный, например, в патенте US №2345935 «Method and apparatus for permeability measurements» «Метод и устройство для измерения проницаемости». Известный стандартный кернодержатель используется в экспериментах по фильтрации флюидов через образец цилиндрического керна. Образец помещается в обжимную манжету, которая устанавливается в кернодержатель. В пространство между манжетой и наружной стенкой кернодержателя подается жидкость или газ для создания обжимного давления на манжету с кернодержателем. После создания необходимого обжимного давления на керн с одной стороны кернодержателя подается пар, а с другой стороны после прохождения через нефтенасыщеный керн фильтруется водо-нефтяная эмульсия.

Так как исследования парогравитационного дренажа подразумевают закачку пара при высоких давлениях и температурах, обжимная манжета обладает термостойкими характеристиками. Самым распространенным материалом для обжимной манжеты в кернодержателях типа Хасслера при высоких температурах является фторкаучук.

Ниже представлены сведения о работоспособности эластомеров на основе фторкаучука при повышенных температурах:

· 10000 часов при Т=204 °С.

· 3000 часов при Т=232 °С.

· 1000 часов при Т=260 °С.

· 240 часов при Т=288 °С.

· 48 часов при Т=316 °С.

Недостатком известного технического решения является то, что для проведения исследований парогравитационного дренажа при более высоких температурах, а именно температурах в диапазоне от 317 до 400 °С, конструкцию кернодержателя типа Хасслера в принципе не представляется возможным использовать вследствие того, что эластомеры не выдерживают высокую температуру и термически разлагаются.

При этом использовать иную конструкцию кернодержателя, обеспечивающего надежную стыковку отдельных цилиндрических образцов и отсутствие пристеночных эффектов, также не представляется возможным в силу того, что таковых конструкций на дату предоставления заявочных материалов в мире заявителем не выявлено.

Из исследованного заявителем уровня техники выявлена конфигурация кернодержателя, описанная в ОСТ 39-195-86 «Метод определения коэффициента вытеснения нефти водой в лабораторных условиях». Сущностью известной конфигурации является кернодержатель с фиксацией и уплотнением цилиндрического керна клеящим составом. Для проведения исследования выбуренный цилиндрический керн помещают в кернодержатель, который представляет собой стальную трубу из легированной стали. Зазор между цилиндрическим керном и стенкой кернодержателя заполняют клеем, например, эпоксидной смолой (эпоксидной шпатлевкой).

Недостатком известного технического решения является то, что эпоксидная смола, используемая в качестве фиксации и уплотнения цилиндрического керна, имеет ограничение в использовании при высоких температурах, и начинает разрушаться при температурах свыше 300 °С, поэтому известная конструкция также не технологична в силу изложенного выше при описании предыдущего аналога.

Следует отметить, что для проведения качественного эксперимента теплового воздействия путем парогравитационного дренажа цилиндрический керн должен быть зафиксирован внутри кернодержателя так, чтобы не было возможности перетоков пара и горячей воды через уплотнительный материал между стальной стенкой кернодержателя и керном. Преодоление температурного барьера Т=400 °С уплотняющего или склеивающего керн материала, хорошая адгезия к керну и стали, отсутствие пристеночного эффекта для корректного определения коэффициента вытеснения нефти является решающим фактором. Использование обжимных фторкаучуковых манжет, как правило, ограничено температурой плюс 320 °С, а эпоксидных смол – плюс 300 °С. Для преодоления температурного барьера возможно использование высокотемпературных конструкционных клеев. Однако при невысокой адгезии к исследуемому керновому материалу, к примеру, в случаях определения коэффициента нефтевытеснения на составных образцах исходного неэкстрагированного керна, невозможно достичь надежной клеевой адгезии отдельных образцов керна в кернодержателе.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлено техническое решение, описанное в патенте US 2010O126266A1 «Устройство кернодержателя и методика проведения экспериментов».

Сущностью известного технического решения является кернодержатель типа Хасслера, где в качестве гибкой манжеты используется комбинация сплава на основе никеля (а именно - Хастеллой марки С (Hastelloy C)) и фторопласта (Teflon). С цилиндрическим керном контактирует цилиндрический слой фольги толщиной 0,1 мм из сплава на основе никеля, а именно Хастеллой марки С (Hastelloy C). В известном техническом решении указано, что данная фольга выдерживает температуру до 1000 °С и герметично уплотняет цилиндрический керн, исключая любые перетоки жидкостей и газов через манжету. Для более герметичного уплотнения и исключения перетоков жидкостей и газов вдоль образцов цилиндрического керна используется цилиндрический слой уплотнения из фторопласта (Teflon).

Недостатком известного технического решения является то, что данная конструкция кернодержателя не применима при работе с температурами более 327 °С, так как температура плавления самой термостойкой разновидности фторопласта, а именно фторопласта марки Ф4 составляет 327 °С.

Учитывая то, что при анализе уровня техники заявителем не выявлены технические решения, совпадающие по совокупности существенных признаков с заявленным техническим решением как по отношению к уплотнению, так и по отношению к способу его сборки, а совпадающие только по назначению, формула заявленного изобретения составлена без ограничительной части.

Задачей и техническим результатом заявленного технического решения является возможность проведения исследовании теплового воздействия на керн путем паротеплового дренажа при высоких давлениях до 20 Мпа и температурах до 400 °С путем:

- использования в качестве уплотнения цилиндрического керна терморасширенного графита, измельченного до фракции не более 3 мм;

- установки на торец кернодержателя центрирующего кольца в качестве центрирующего элемента для цилиндрического керна.

Сущностью заявленного технического решения является уплотнение цилиндрического керна, характеризующееся тем, что уплотняющий материал, выполненный из терморасширенного графита, измельченного до фракции не более 3 мм, помещен и уплотнен в зазоре между внутренней цилиндрической поверхностью кернодержателя и уплотняемой внешней поверхностью керна с возможностью герметичного заполнения указанного зазора с обеспечением возможности использования при тепловом воздействии на керн путем парогравитационного дренажа при высоких давлениях до 20 Мпа и температурах до 400 °С. Способ сборки уплотнения цилиндрического керна по п.1, заключающийся в том, что внутрь кернодержателя устанавливают образец цилиндрического керна, на торец кернодержателя устанавливают центрирующее кольцо, зазор между внутренней цилиндрической поверхностью кернодержателя и уплотняемой внешней поверхностью керна заполняют терморасширенным графитом, измельченным до фракции не более 3 мм, терморасширенный графит уплотняют.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг. 1, Фиг.2.

На Фиг.1 приведена схема кернодержателя, где:

1 – терморасширенный графит;

2 – цилиндрический керн;

3 – кернодержатель;

4 – центрирующее кольцо.

На Фиг.2 приведены результаты экспериментов по выявлению герметичности заявленного уплотнения методом компьютерной рентгеновской томографии.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.

Заявленное техническое решение обеспечивает возможность исследования процессов парогравитационного воздействия на образцах цилиндрических кернов, извлеченных при бурении из различных нефтяных пластов, путем использования заявленного уплотнения в кернодержателе в условиях лаборатории.

Технический результат достигается путем использования в качестве уплотнения цилиндрического керна терморасширенного графита, измельченного до фракции не более 3 мм. В отличие от природного графита, который не прессуется, терморасширенный графит приобретает способность к прессованию и прокатке, т.е. механическому формованию в сплошной материал/уплотнение, что делает его идеальным герметичным зазорозаполняющим материалом при сопряжении поверхностей керна и кернодержателя.

Терморасширенный графит – полностью графитовый материал, не содержащий смол и неорганических наполнителей. Стандартная чистота содержания графита 98-99,5%.

Заявленное уплотнение изготавливается из стандартного терморасширенного графита, который применяется в изготовлении прокладок по ТУ 5728-006-93978201-2008. Уплотнения из терморасширенного графита устойчивы на воздухе до 500-550 °С, в среде водяного пара – до 650 °С, в инертной атмосфере – до 3000 °С; выдерживают термоудары, а также низкие температуры вплоть до минус 240 °С. Для промышленного использования терморасширенный графит прессуют или прокатывают на валковых машинах, получая листовой материал, пригодный для изготовления уплотнений.

С целью получения заявленного уплотнения листовой материал из терморасширенного графита измельчают механическим способом, например, ножницами или ножом, до фракции не более 3 мм, что делает возможным его засыпку в зазор между цилиндрическим керном и кернодержателем с дальнейшим уплотнением.

Уплотнение проводят с помощью, например, штока, представляющего собой металлическую цилиндрическую втулку, толщина стенок и диаметр которой (втулки) позволяет максимально уплотнить терморасширенный графит в зазоре поверхностей керна и кернодержателя. Кроме штока, для уплотнения терморасширенного графита возможно применение других устройств, например, ручного пресса.

Уплотнение терморасширенного графита проводят до образования твердого слоя. При этом засыпку и, соответственно, уплотнение производят порционно с целью достижения максимально плотной и равномерной набивки уплотнения.

К преимуществам терморасширенного графитового уплотнения относятся:

- возможность использования в температурном диапазоне до плюс 650 °C (пар);

- возможность использования при давлении до 40 Мпа;

- сжимаемость до 40%;

- негорючесть;

- хорошая химическая стойкость;

- низкая газопроницаемость.

Заявленный способ сборки цилиндрического керна характеризуется тем, что при тепловом воздействии на керн путем парогравитационного дренажа при высоких давлениях (до 20 МПа) и температурах (до 400 °С) внутрь кернодержателя устанавливают образец цилиндрического керна, который позиционируют в кернодержателе с помощью центрирующего кольца. Центрирующее кольцо имеет углубление с опорной плоскостью для позиционирования цилиндрического керна. Кольцо может быть выполнено, например, из металла (стали, титана, меди и др.), фторопласта и др.

Расположенный внутри трубы зазор между керном и трубой заполняют и герметично уплотняют заранее измельченным до фракции не более 3 мм терморасширенным графитом. Измельчение производят, например, с помощью ножниц, ножа и др. Для уплотнения используют, например, шток, представляющий собой металлическую цилиндрическую втулку. Засыпку и уплотнение производят порционно с целью достижения максимально плотной и равномерной набивки уплотнения.

После уплотнения терморасширенного графита центрирующее кольцо может быть как оставлено в кернодержателе, так и извлечено, в зависимости от условий эксперимента, а именно – в зависимости от материала кольца и температуры воздействия. То есть центрирующее кольцо извлекают в том случае, если материал, из которого изготовлено кольцо, не выдерживает заданную температуру.

Далее заявителем приведен пример осуществления заявленного технического решения.

Пример. Способ сборки уплотнения цилиндрического керна (см. Фиг.1).

На торец кернодержателя 3 устанавливают центрирующее кольцо 4 в качестве центрирующего элемента для цилиндрического керна 2.

Берут цилиндрический керн 2 в виде цилиндрических образцов из наиболее однородного нефтенасыщенного интервала продуктивного пласта, который (цилиндрический керн 2) устанавливают на опорную поверхность центрирующего кольца.

Берут измельченный до фракции не более 3 мм терморасширенный графит 1, порционно засыпают его в зазор между стенкой кернодержателя 1 и цилиндрическим керном 2 и герметично уплотняют. Для уплотнения - повышения плотности забивки терморасширенного графита – используют, например, шток, представляющий собой металлическую цилиндрическую втулку, толщина стенок и диаметр которой (втулки) позволяет максимально уплотнить терморасширенный графит 1 в зазоре поверхностей керна 2 и кернодержателя 1. Кроме штока, для уплотнения терморасширенного графита возможно применение других устройств, например, ручного пресса.

После уплотнения терморасширенного графита центрирующее кольцо может быть извлечено из кернодержателя, в зависимости от условий эксперимента, а именно – от материала кольца и температуры воздействия. То есть центрирующее кольцо извлекают в том случае, если материал, из которого изготовлено кольцо, не выдерживает заданную температуру.

Далее кернодержатель с заявленным уплотнением используют для исследования теплового воздействия на керн путем парогравитационного дренажа при высоких давлениях до 20 Мпа и температурах до 400 °С.

Заявленное уплотнение было протестировано на устройстве для исследования внутрипластового горения и парогравитационного дренажа по патенту заявителя RU №2655034 «Устройство для исследования внутрипластового горения и парогравитационного дренажа». Проведена серия экспериментов паротеплового воздействия на идентичные образцы цилиндрического керна при различных температурах и давлении с использованием заявленного уплотнения цилиндрического керна из терморасширенного графита и с использованием заявленного метода сборки уплотнения в кернодержателе.

При этом кернодержатель устройства по патенту RU2655034 выполнен из легированной стали и имеет толщину стенки, позволяющую производить компьютерную рентгеновскую томографию содержимого внутренней полости кернодержателя.

Результаты компьютерной рентгеновской томографии кернодержателя в сборе с цилиндрическим керном и заявленным уплотнением приведены в Таблице на Фиг.2. Из данных, представленных в Таблице, видно, что при температурах от 100 до 400 °С и давлении от 0.1 до 20 Мпа заявленное уплотнение остается герметичным, что является доказательством достижения заявленного технического результата.

При этом заявитель поясняет, что устройство для исследования внутрипластового горения и парогравитационного дренажа по патенту RU №2655034 использовано лишь в качестве иллюстрации осуществления заявленного технического решения и доказательства условия патентоспособности «промышленная применимость». Заявленное уплотнение может быть использовано в любом аналогичном устройстве, содержащем кернодержатель, при этом вид самого устройства для парогравитационного дренажа, как такового, не влияет на достижение заявленного технического результата.

Таким образом, из описанного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнуты поставленные цели и заявленный технический результат, а именно - обеспечена возможность проведения исследовании теплового воздействия на керн путем паротеплового дренажа при высоких давлениях до 20 Мпа и температурах до 400 °С путем:

- использования в качестве уплотнения цилиндрического керна терморасширенного графита, измельченного до фракции не более 3 мм;

- установки на торец кернодержателя центрирующего кольца в качестве центрирующего элемента для цилиндрического керна.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «новизна», предъявляемому к изобретениям, т.к. из исследованного уровня техники заявителем не выявлено технических решений, имеющих заявленную совокупность признаков.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, так как не является очевидным для специалиста в анализируемой области техники.

Заявленное техническое решение соответствует критерию «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, т.к. может быть реализовано на любом специализированном предприятии с использованием стандартного оборудования, известных отечественных материалов и технологий.

Изобретение относится к новому высокотемпературному уплотнению для цилиндрического керна и способу его (уплотнения) сборки в кернодержателе с целью исследования термического воздействия на цилиндрический керн путем парогравитационного дренажа. Уплотнение цилиндрического керна характеризуется тем, что уплотняющий материал, выполненный из терморасширенного графита, измельченного до фракции не более 3 мм, помещен и уплотнен в зазоре между внутренней цилиндрической поверхностью кернодержателя и уплотняемой внешней поверхностью керна с возможностью герметичного заполнения указанного зазора с обеспечением возможности использования при тепловом воздействии на керн путем парогравитационного дренажа при высоких давлениях до 20 МПа и температурах до 400 °С. Технический результат заключается в обеспечении возможности проведения исследований с керном при высоких давлениях и температурах в условиях лаборатории. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Уплотнение цилиндрического керна, характеризующееся тем, что уплотняющий материал, выполненный из терморасширенного графита, измельченного до фракции не более 3 мм, помещен и уплотнен в зазоре между внутренней цилиндрической поверхностью кернодержателя и уплотняемой внешней поверхностью керна с возможностью герметичного заполнения указанного зазора с обеспечением возможности использования при тепловом воздействии на керн путем парогравитационного дренажа при высоких давлениях до 20 МПа и температурах до 400 °С.

2. Способ сборки уплотнения цилиндрического керна по п.1, заключающийся в том, что внутрь кернодержателя устанавливают образец цилиндрического керна, на торец кернодержателя устанавливают центрирующее кольцо, зазор между внутренней цилиндрической поверхностью кернодержателя и уплотняемой внешней поверхностью керна заполняют терморасширенным графитом, измельченным до фракции не более 3 мм, терморасширенный графит уплотняют.