Установка для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым Российский патент 2022 года по МПК E21C39/00 

Область техники

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к установкам для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым, и может быть использовано в исследовательских лабораториях и центрах по исследованию горных пород, керна, флюидов.

Уровень техники

Известна машина для раскалывания керна пород, раскрытая в авторском свидетельстве СССР №101808 (дата публикации: 31.01.1956). Известная машина включает неподвижный и подвижный резцы, между которыми помещается раскалываемый керн, а также применена винтовая пара, винт которой сообщает подвижному резцу раскалывающее усилие, величину которого можно регулировать изменением скорости вращения винта.

Известна лабораторная установка изучения свойств кернов, раскрытая в патенте РФ на изобретение №2694869 (дата публикации: 17.07.2019). Известная установка состоит из корпуса, в котором установлен управляющий компьютер с программным обеспечением, два блока цифрового вывода, блоки терморегуляторов с нагревательными элементами, насосы обжима, блоки кернодержателей, электронные пневмораспределители, электронные регуляторы давления, датчик давления. Установка также содержит манометр, кернодержатель, блок измерения удельного электрического сопротивления.

Известна установка для исследования керна, раскрытая в заявке РФ на изобретение №93048842 (дата публикации: 10.09.1996). Известная установка содержит корпус, автоклав, закрепленный на корпусе, печь, установленную на автоклаве, манометры, соединенные с гидравлической обвязкой, кернодержатель, закрепленный на корпусе, разделяющий поршень, установленный во внутренней полости автоклава, воздушный балкон, коммутационную и предохранительную аппаратуру, входящую в гидравлическую обвязку, трубопровод, связывающий автоклав с кернодержателем, два патрубка и два вентиля, входящие в состав трубопровода, патрон кернодержателя с входным штуцером, обойму, установленную в патроне и уплотненную в нем кольцами, манжету уплотнительную, установленную в обойму, сетку, вставку сетчатую, установленные в манжете уплотнительной, прижим, наложенный сверху на манжету, головку, ввинченную в патрон и уплотненную с ним кольцом, входной штуцер, установленный на головке, штуцер, установленный на боковой поверхности патрона.

Известно устройство для определения характеристик образцов горных пород, раскрытое в патенте РФ на изобретение №2284413 (дата публикации: 27.09.2006). Известное устройство содержит камеру с кернодержателем, штуцеры с трубками системы подачи и отвода флюида, штуцер с трубкой подачи жидкости для создания обжимающего давления, блок измерения удельного электрического сопротивления керна.

Известен кернодержатель, раскрытый в патенте РФ на полезную модель №111664 (дата публикации: 20.12.2011). Известный кернодержатель содержит корпус с размещенной в нем с образованием герметичной камеры гидрообжима резиновой манжеты, выполненной с возможностью установки в ней образца керна, плунжеры с противоположных торцов манжеты, уплотнительные втулки и механизмы поджатия уплотнительных втулок и плунжеров, систему подачи и отвода рабочего агента и систему гидрообжима, при этом в плунжере системы подачи рабочего агента выполнен дополнительный сквозной канал с выходом на торец плунжера, при этом на входах осевого и дополнительного каналов указанного плунжера установлены вентили.

Известно устройство для петрофизического исследования кернов, раскрытое в патенте РФ на полезную модель №168652 (дата публикации: 14.02.2017). Известное устройство содержит кернодержатель с установленным в нем в резиновой манжете исследуемым образцом, термостат, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в исследуемом образце, плунжерные насосы для подачи в исследуемый образец рабочих жидкостей (нефти и воды) при пластовом давлении, насос для создания горного давления, трубопроводы для подачи и отвода рабочих жидкостей, регулятор противодавления, контейнеры с рабочими жидкостями, мерную колбу, для измерения уровня жидкости на выходе из кернодержателя, датчики давления, дифференциальный манометр для измерения перепада давления на исследуемом образце и перепускной трубопровод с вентилем, соединяющий для подачи и отвода рабочих жидкостей, при этом установлены два вентиля для отсоединения кернодержателя от гидравлической системы устройства.

Известно устройство для раскалывания и исследования керна, раскрытое в авторском свидетельстве СССР №1694864 (дата публикации: 30.11.1991) - прототип. Известное устройство содержит цилиндрический корпус, в полости которого размещены перфорированная гильза, резиновая манжета и керн. В торцевые отверстия корпуса установлены силовые поршни для торцового обжима керна, в которых выполнены осевые отверстия для раскалывающих клиньев. Устройство также снабжено насосом с трубопроводами для создания высокого давления и приспособлением для подачи кольматирующего материала, винтовыми домкратами. Сечения раскалывающих клиньев соответствуют сечению осевых отверстий, которые имеют форму, препятствующую вращению раскалывающих клиньев вокруг оси, например, шестиугольную.

Недостаток известных решений и прототипа заключается в том, что существующие конструкции устройств не позволяют в полной мере обеспечить условия, моделирующие пластовые, для исследования образцов керна, поэтому создание и исследование трещины в керне, фильтрация флюида через керн проводятся не при пластовой температуре и давлении. К тому же, использованные в прототипе раскалывающие клинья за счет своей конструкции, в частности, из-за малой площади соприкосновения с керном, не позволяют прикладывать равномерную нагрузку на керн при его раскалывании, за счет чего трещина в нем может проходить в любом направлении, а не по линии соприкосновения клиньев с керном.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в создании и исследовании трещины в керне в условиях, наиболее приближенных к пластовым, для исследования физических свойств керна.

Технический результат, достигаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в повышении достоверности фильтрационных исследований трещин в керне.

В качестве изобретения заявлена установка для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым, состоящая из кернодержателя, в полости корпуса которого установлен блок для размещения керна, а также входной и выходной плунжеры, снабженные клиньями, которые ориентированы внутрь упомянутого блока для размещения керна. В отличие от прототипа, установка дополнительно содержит размещенный в торцевой части кернодержателя блок трёхосного сжатия керна и гидравлическую систему, которая включает гидравлические линии, насос высокого давления, предназначенный для воздействия на раскалывающие клинья и сообщенный с входным и выходным плунжерами, насос высокого давления, предназначенный для трехосного обжатия керна и сообщенный с полостью вокруг блока для размещения керна, насос высокого давления, предназначенный для подачи флюида в направлении керна, по меньшей мере один датчик давления, размещенный на гидравлической линии, соединяющей между собой сквозные каналы в плунжерах, и по меньшей мере по одному датчику давления на каждой гидравлической линии между насосами и сообщенными с ними узлами кернодержателя.

Дополнительные признаки и преимущества заявленного устройства раскрыты в следующих частных вариантах осуществления.

В частности, оконечные части клиньев выполнены уплощенными.

В частности, кернодержатель снабжен электрическим нагревателем и датчиком температуры.

В частности, блок для размещения керна представлен резиновой манжетой.

Повышение достоверности фильтрационных исследований трещин в керне достигается за счет обеспечения возможности раскалывания керна в условиях, приближенных к пластовым. Пластовые условия обеспечиваются поддержанием соответствующих значений по давлению и температуре. Конструктивное выполнение установки позволяет проводить раскалывание керна в указанных условиях одновременно с определением его проницаемости. Помимо этого, выполнение раскалывающих клиньев в плунжерах уплощенными позволяет провести раскалывание керна с большей точностью и контролируемостью, что также положительно сказывается на достоверности проводимых исследований.

Краткое описание чертежей

Сущность настоящего изобретения проиллюстрирована фигурами:

ФИГ.1 иллюстрирует общий вид кернодержателя для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым;

ФИГ.2 иллюстрирует входной и выходной плунжер в разрезе в режиме с невыдвинутым клином (первоначальное положение);

ФИГ.3 иллюстрирует входной и выходной плунжер в разрезе в режиме с выдвинутым клином;

ФИГ.4 иллюстрирует поперечное сечение раскалывающего клина плунжера;

ФИГ.5 иллюстрирует блок-схему установки для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым.

На чертежах использованы следующие обозначения:

1 - кернодержатель;

2 - блок для размещения керна;

3 - входной плунжер;

4 - выходной плунжер;

5 - раскалывающие клинья;

6 - блок трёхосного сжатия керна;

7 - полость вокруг блока для размещения керна;

8 - электрический нагреватель;

9 - осевые отверстия для подвода гидравлической жидкости;

10 - поршень плунжера;

11 - область поршня;

12 - канал для подвода флюида к керну;

13 - канал для измерения давления;

14 - гидравлические линии;

15 - насос высокого давления для воздействия на раскалывающие клинья;

16 – насос высокого давления для трехосного обжатия керна;

17 – насос высокого давления для подачи флюида в направлении керна;

18, 19, 20 – датчики давления насосов высокого давления;

21 - датчики давления для измерения пластового давления с торцов керна.

Осуществление изобретения

В соответствии с ФИГ.1, установка для исследований трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым, состоит из кернодержателя 1, корпус которого выполнен цилиндрическим. В полости корпуса кернодержателя 1 установлен блок для размещения керна 2, который может быть представлен резиновой манжетой, а также входной 3 и выходной 4 плунжеры, снабженные размещенными на поршнях 10 раскалывающими клиньями 5. Клинья ориентированы внутрь блока для размещения керна 2. Оконечные части раскалывающих клиньев 5 выполнены уплощенными и имеют прямоугольное сечение. В торцевой части кернодержателя 1 размещен блок трёхосного сжатия керна 6. Вокруг резиновой манжеты имеется полость 7, сообщенная с насосом высокого давления (не указан на чертеже) для трехосного обжатия керна.

Кернодержатель 1 может быть снабжен электрическим теплоизолированным нагревателем 8, способным поддерживать заданную температуру, и датчиком температуры (не указан на чертеже).

В соответствии с ФИГ.2, во входном 3 и выходном 4 плунжере выполнено по одному отверстию 9 для подвода гидравлической жидкости. Поршень 10 плунжера содержит закрепленный на нем раскалывающий клин 5, который находится в первоначальном, невыдвинутом положении.

В соответствии с ФИГ.3, выполненное в каждом плунжере осевое отверстие 9 для подвода гидравлической жидкости служит для создания давления в области 11 и перемещения поршня 10. При этом каждый плунжер имеет как минимум один канал 12 для подвода флюида к керну и канал 13 для измерения давления с торца керна. Количество каналов 12 для подвода флюида к керну может быть увеличено при необходимости осуществления более сложных режимов фильтрации. К каналам 13 подведены датчики давления (не указаны на чертеже) для измерения пластового давления с торцов керна.

В соответствии с ФИГ.4, оконечные части раскалывающих клиньев 5 выполнены уплощенными. Их форма представляет собой скошенный конус с уплощенной вершиной, характеризующейся прямоугольным сечением, что позволяет увеличить площадь соприкосновения с керном.

В соответствии с ФИГ. 5, кернодержатель 1 сообщен с гидравлической системой, включающей гидравлические линии 14 и насосы высокого давления 15-17. Насос высокого давления 15 предназначен для воздействия на раскалывающие клинья и сообщен с входным и выходным плунжерами кернодержателя 1. Для приведения клиньев в движение посредством насоса 15 могут быть использованы газ или жидкость. Насос высокого давления 16 предназначен для трехосного обжатия керна и сообщен с полостью вокруг блока для размещения керна в кернодержателе 1. Насос высокого давления 17 предназначен для подачи флюида в направлении керна. Гидравлическая система также содержит датчики давления 18-20, размещенные на гидравлической линии 14 между насосами и сообщенными с ними узлами кернодержателя и датчики давления 21 для измерения пластового давления с торцов керна.

Устройство работает следующим образом.

Подлежащий исследованию керн помещают в блок для размещения керна 2, представленный резиновой манжетой и установленный в полости корпуса кернодержателя 1. Закрывают торцы керна входным 3 и выходным 4 плунжерами и фиксируют их до упора. Обжимают керн с помощью насоса высокого давления 16, контролируя давление по датчику давления. При этом блок трёхосного сжатия керна 6, воздействуя на плунжер 3, обеспечивает осевое сжатие керна. При необходимости включают электрический нагреватель 8 для поддержания требуемой температуры эксперимента, отслеживая текущую температуру по датчику температуры (на чертежах не указан). Включают насос высокого давления 17 и измеряют фильтрационные характеристики керна с помощью датчиков давления. Включают насос высокого давления 15 для воздействия на раскалывающие клинья, повышают давление до раскалывания керна, по датчику давления 18 фиксируют давление раскалывания. Выключают насос 15, прекращая воздействие на раскалывающие клинья. Насос высокого давления 17, поддерживая пластовое давление, возвращает клинья в первоначальное положение. Измеряют фильтрационные свойства керна после раскалывания с помощью датчиков давления 21.

Пример 1. Фильтрационные исследования керна (образца карбонатной горной породы) в условиях, приближенных к пластовым.

Образец карбонатной горной породы (длиной L=70мм и диаметра D=80 мм) помещают в блок для размещения керна. Закрывают торцы керна плунжерами и фиксируют их до упора. Обжимают керн с помощью насоса высокого давления Pобж=20 МПа, контролируя давление по датчику давления. При этом блок привода клиньев обеспечивает осевое сжатие керна. Для поддержания пластовой температуры, необходимой для эксперимента, включают электрический нагреватель и устанавливают температуру, равную 67 ℃. При проведении эксперимента текущую температуру отслеживают по датчику температуры. После этого включают насос высокого давления для подачи флюида (с динамической вязкостью μ=0,8 мПа*с и объёмным расходом Q=1мл/мин) и измеряют фильтрационные характеристики керна (проницаемость керна до создания трещины Кдо=0,6 мД). Включают насос высокого давления для воздействия на раскалывающие клинья, повышают давление до раскалывания керна (15 МПа) и по датчику давления фиксируют давление раскалывания. Затем выключают насос, прекращая воздействие раскалывающими клиньями и измеряют фильтрационные свойства керна после раскалывания (проницаемость керна после создания трещины Кпосле=1,8 мД).

Пример 2. Фильтрационные исследования керна (образца терригенной горной породы) в условиях, приближенных к пластовым.

Образец терригенной горной породы (длиной L=70мм и диаметра D=80 мм) помещают в блок для размещения керна. Закрывают торцы керна плунжерами и фиксируют их до упора. Обжимают керн с помощью насоса высокого давления Pобж=15 МПа, контролируя давление по датчику давления. При этом блок привода клиньев обеспечивает осевое сжатие керна. Для поддержания пластовой температуры, необходимой для эксперимента, включают электрический нагреватель и устанавливают температуру, равную 102°C. При проведении эксперимента текущую температуру отслеживают по датчику температуры. После этого включают насос высокого давления для подачи флюида (с динамической вязкостью μ=1 мПа*с и объёмным расходом Q=1мл/мин) и измеряют фильтрационные характеристики керна (проницаемость керна до создания трещины Кдо=15 мД). Включают насос высокого давления для воздействия на раскалывающие клинья, повышают давление до раскалывания керна (8 МПа) и по датчику давления фиксируют давление раскалывания. Затем выключают насос, прекращая воздействие раскалывающими клиньями и измеряют фильтрационные свойства керна после раскалывания (проницаемость керна после создания трещины Кпосле=61 мД).

Изобретение относится к горной промышленности. Установка для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым, состоит из кернодержателя, в полости корпуса которого установлен блок для размещения керна, а также входной и выходной плунжеры, снабженные клиньями, которые ориентированы внутрь упомянутого блока для размещения керна. Установка дополнительно содержит размещенный в торцевой части кернодержателя блок трёхосного сжатия керна и гидравлическую систему. Гидравлическая система включает гидравлические линии, насос высокого давления, предназначенный для воздействия на раскалывающие клинья и сообщенный с входным и выходным плунжерами, насос высокого давления, предназначенный для трехосного обжатия керна и сообщенный с полостью вокруг блока для размещения керна, насос высокого давления, предназначенный для подачи флюида в направлении керна, по меньшей мере один датчик давления, размещенный на гидравлической линии, соединяющей между собой сквозные каналы в плунжерах, и по меньшей мере по одному датчику давления на каждой гидравлической линии между насосами и сообщенными с ними узлами кернодержателя. Технический результат – повышение достоверности фильтрационных исследований трещин в керне. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для исследования трещины в керне в условиях, приближенных к пластовым, состоящая из кернодержателя, в полости корпуса которого установлен блок для размещения керна, а также входной и выходной плунжеры, снабженные клиньями, которые ориентированы внутрь упомянутого блока для размещения керна, отличающаяся тем, что дополнительно содержит размещенный в торцевой части кернодержателя блок трёхосного сжатия керна и гидравлическую систему, которая включает гидравлические линии, насос высокого давления, предназначенный для воздействия на раскалывающие клинья и сообщенный с входным и выходным плунжерами, насос высокого давления, предназначенный для трехосного обжатия керна и сообщенный с полостью вокруг блока для размещения керна, насос высокого давления, предназначенный для подачи флюида в направлении керна, по меньшей мере один датчик давления, размещенный на гидравлической линии, соединяющей между собой сквозные каналы в плунжерах, и по меньшей мере по одному датчику давления на каждой гидравлической линии между насосами и сообщенными с ними узлами кернодержателя.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что оконечные части клиньев выполнены уплощенными.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что кернодержатель снабжен электрическим нагревателем и датчиком температуры.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок для размещения керна представлен резиновой манжетой.