Устройство для исследования керна Российский патент 2023 года по МПК E21B49/00 G01N15/08 G01N24/08 

Изобретение относится к петрофизическим исследованиям образцов горных пород на основе определения общей пористости путем регистрации сигнала ЯМР от атомов водорода жидкости, полностью насыщающей их поровое пространство в условиях максимально приближенных к пластовым по горному и гидростатическому давлению. При этом образец помещают в цилиндрическом корпусе высокого давления в зоне измерения ЯМР спектрометра, где производят измерение общей пористости через определение объема жидкости в образце, отнесенное к его геометрическому объему. На основании полученных данных строят распределение времени поперечной релаксации Т2, по которой с учетом граничных значения выделяют размерные составляющие общей пористости.

Изобретение относится к области лабораторных петрофизических исследований образцов горных пород на основе применения техники и методики ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), предназначается для использования при поиске, разведке и разработке месторождений нефти и газа.

Известно устройство: «Кернодержатель» (патент RU № 2 685 466 G01N 15/08 от 25.05.2018), содержащий вертикально установленную трубу с помещенным в ней образцом керна, верхний и нижний плунжеры с механизмами уплотнения и поджатия керна. В плунжерах выполнены сквозные осевые каналы для подвода и отвода рабочего агента, газа или жидкости. Недостатком устройства является отсутствие возможности обеспечить радиальное обжатие керна, а также размещения измерительной катушки ЯМР и магнитной системы.

Известно «Устройство для определения пористости и проницаемости образцов горных пород» (патент RU № 2342 646 G01N 3/00, G01N 15/08 от 21.02.2007), содержащее керн держатель, содержащий полый корпус, верхний и нижний пуансон с осевыми каналами и гильзу из эластичного материала с размещенным внутри нее образцом горной породы цилиндрической формы с плоскими параллельными торцами. Недостатком устройства является сложность конструкции, которая требует большого объема работ по монтажу и демонтажу рамной конструкции для установки и извлечения образца горной породы, а также отсутствии возможности установки измерительной катушки и магнитной системы метода ЯМР.

Известно «Устройство для определения характеристик образцов горных пород» (патент RU №2284413 E21 C 39/00 от 31.10.2005), содержащее камеру с кернодержателем, штуцеры с трубками подачи и отвода флюида, штуцер с трубкой подачи жидкости для создания обжимающего давления. Недостатком устройства является отсутствие возможности создать осевое (горное) давление на керн, а также возможности применения устройств исследования пористости методом ЯМР.

Известно устройство, описанное в статье «Investigation of high frequency 1D NMR to characterize reservoir rocks» Byeungju Min, C.H. Sondergeld, C.S. Rai Mewbourne School of Petroleum and Geological Engineering, The University of Oklahoma, Norman, OK, USA Journal of Petroleum Science and Engineering. 176 (2019) 653-660 https://doi.org/10.1016/j.petrol.2019.01.093, в котором исследование пористости в образце керна производится при высоком давлении всестороннего обжатия и возможности подачи флюида в поровое пространство, т.е. в условиях приближенных к пластовым. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности создания горного давления в керне. Устройство обладает сложностью конструкции и низкой помехоустойчивостью измерительного канала ЯМР, которые обусловлены необходимостью расположения измерительной катушки за пределами герметичного циркониевого корпуса и, следовательно, на значительном расстоянии от керна - источника полезного сигнала.

Известно устройство камеры высокого давления для исследования керна описанное в статье «An MR/MRI compatible core holder with the RF probe immersed in the confining fluid» M. Shakerian a, b, B.J. Balcom Journal of Magnetic Resonance 286 (2018) 36-41 https://doi.org/10.1016/j.jmr.2017.11.006 1090-7807/ 2017, в котором имеется герметичный металлический корпус с установленным в нем керном и катушкой радиочастотного зонда ЯМР. Катушка находится под давлением в непосредственной близости к керну, электрические выводы катушки проходят через герметичный корпус с помощью специальных уплотнений. Недостатком устройства является отсутствие возможности создания горного давления на керн и обеспечение только одного давления обжатия эквивалентного пластовому давлению. В качестве герметизации керна между объемами с пластовым и поровым давлением используется обжимающий материал в виде силиконовой резины, при этом качество герметизации обеспечивается только силой эластичного растяжения резины и давлением обжатия. Недостатком такой герметизации является опасность прорыва жидкости в керне из-под резины в полость корпуса, что приведет к загрязнению жидкости обжима водородной жидкостью и, следовательно, невозможностью проведения выполнения измерений методом ЯМР. В устройстве нет возможности подведения жидкости обжима в камеру высокого давления в процессе исследований и регулирования величины ее давления. Недостатком является также сложность устройства, поскольку для смены керна требуется полная его разборка.

Известно устройство, описанное в статье «A high-pressure metallic core holder for magnetic resonance based on Hastelloy»-C M. Shakerian, F. Marica, A. Afrough, F. G. Goora, M. Li, S. Vashaee, and B. J. Balcom Citation: Review of Scientific Instruments 88, 123703 (2017); View online: https://doi.org/10.1063/1.5013031 View Table of Contents: http://aip.scitation.org/toc/rsi/88/12 Published by the American Institute of Physics, в котором также имеется герметичный металлический корпус с радиочастотной катушкой внутри. В отличие от предыдущего устройства в нем предусмотрено подключение каналов подачи обжимающей жидкости, что позволяет регулировать давление обжима в процессе измерений. Недостатком устройства, описанного в этой статье, также является отсутствие возможности обеспечить горное или осевое давление на керн, что ограничивает его функциональные возможности, а также сохраняются все недостатки предыдущего устройства связанные со сложностью установки керна в камеру высокого давления.

Известно устройство, описанное в статье «High pressure magnetic resonance imaging with metallic vessels» Hui Han a, Matthew Ouellette a, Bryce MacMillan a, Frederic Goora a, Rodney MacGregor a, Derrick Green b, Bruce J. Balcom Journal of Magnetic Resonance 213 (2011) 90-97 doi: 10.1016/j.jmr.2011.09.001, в котором также как и двух предыдущих устройствах используется металлическая камера высокого давления с катушкой радиочастотного зонда ЯМР, расположенного непосредственно вблизи керна. В устройстве применен нагреватель корпуса, установленный на внешней поверхности для создания температурных условий, близких к пластовым. Недостатками устройства являются все те же недостатки, что и в двух предыдущих устройствах, а именно отсутствие возможности создания осевого - горного давления и сложность процесса монтажа керна. Кроме того, контроль нагрева керна производится при помощи контроля нагрева наружного нагревателя, расположенного на внешней поверхности корпуса, а это приводит к большой погрешности оценки фактической температуры керна внутри корпуса, что связано с большой инерционностью процесса нагрева всей конструкции.

Наиболее близким по технической сущности является патент РФ №2775462 от 26.08.2021, который выбран в качестве прототипа, который наиболее полно отвечает требованиям к условиям исследования керна при высоком давлении, однако обладает недостатками, связанными с отсутствием возможности определения общей пористости образца горной породы путем регистрации сигнала ядерно-магнитного резонанса от атомов водорода насыщающей жидкости.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением - устранение недостатков известных устройств для исследования керна в пластовых условиях.

Технический результат, достигаемый изобретением - повышение надежности, точности, большей ремонтопригодности устройства для исследования керна в пластовых условиях; повышение производительности (скорости) процесса исследований.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для исследования керна, содержащем корпус кернодержателя, верхний и нижний плунжеры для осевого поджатия керна с каналами для подвода и отвода рабочего агента, верхний и нижний опорные фланцы, разрезные кольца и фиксирующие фланцы, домкрат с корпусом крепления к нижнему опорному фланцу, согласно изобретению нижний опорный фланец имеет наружную посадочную поверхность с проточкой на внешней круговой поверхности для установки уплотняющего резинового кольца для герметизации с корпусом кернодержателя, а на внутренней круговой поверхности имеет проточку для установке резинового кольца герметизации с нижним плунжером, верхний опорный фланец имеет аналогичную наружную посадочную поверхность для герметизации с корпусом кернодержателя, и в него дополнительно введена измерительная катушка радиочастотного зонда, которая расположена в средней части внутри корпуса и соединена с нижним опорным фланцем, в котором имеются два сквозных отверстия с резьбой для установки герметичных электрических выводов, к которым подключены выводы катушки радиочастотного зонда с внутренней стороны корпуса кернодержателя и выводы конденсатора с наружной стороны опорного фланца, который расположен в кольцевой полости между ним и нижним плунжером, при этом верхний и нижний опорный фланец имеют отверстия, в которые вставлены трубки для подвода безводородной жидкости и соединены с ними методом сварки, на середине верхнего плунжера имеется фланец большего диаметра, который упирается на внутренний уступ верхнего опорного фланца и который в свою очередь прижимается к этому уступу при помощи гайки в его верхней части, а под фланцем имеется проточка под резиновое кольцо, которое обеспечивает герметизацию верхнего плунжера и верхнего опорного фланца.

В устройстве используется двухходовой домкрат, который обеспечивает сжатие керна между плунжерами и его перемещение вдоль оси корпуса кернодержателя,

В устройстве дополнительно введены упоры сверху и снизу керна, плотно прижатые к его торцам до установки в корпус кернодержателя, при этом соединение в единую конструкцию упоров и керна осуществляется при помощи трубки из термоусадочного материала,

В упорах имеются проточки для установки резиновых колец, которые обеспечивают герметизацию объемов внутри корпуса кернодержателя и объема внутреннего канала плунжера, второе резиновое кольцо большего диаметра на упорах имеют вспомогательное значение для герметизации образца керна при обжатии его термоусадочной трубкой и при обжатии давлением безводородной жидкостью.

Осуществление изобретения.

Посредством изобретения осуществляют определение пористости образцов горных пород в условиях, моделирующих пластовые при которых достигается предельно полное насыщение порового пространства образцов горных пород в отличие от измерений при атмосферном давлении и вакуумном насыщении.

На фиг. 1 показана конструкция по заявляемому устройству. Сборка устройства начинается с нижнего опорного фланца 3, на который устанавливается катушка радиочастотного зонда 16 и электрические вводы 18, а также конденсатор 19. Корпус кернодержателя 1 устанавливается на герметичную посадку с резиновыми кольцами нижнего опорного фланца и закрепляется при помощи разрезных колец и фиксирующего фланца. Аналогично устанавливается и закрепляется верхний опорный фланец 2. Магнитная система 4 устройства может быть выполнена по любой известной конструкции, которая содержит постоянные магниты и замкнутую магнитную схему с полюсными наконечниками. Нижний опорный фланец и магнитная система устанавливаются на единой несущей поверхности. Домкрат с корпусом крепления 5 крепится к нижнему опорному фланцу при помощи резьбового соединения. Подвижный шток домкрата 6 соединен нижним плунжером, в котором имеется канал 15 для подачи рабочего агента в керн. Образец керна 17 в собранном виде вместе с верхним и нижним упорами 9 и 10 устанавливается на нижний плунжер 6. При помощи скользящей герметичной посадки на резиновом кольце 8 нижний плунжер 6 устанавливается в нижнем опорном фланце 3. Верхний плунжер 28 устанавливается на скользящей посадке с уплотнениями на резиновых кольцах 7 в верхнем опорном фланце до упора фланце в средней его части и закрепляется при помощи гайки 11. В плунжере 25 имеется центральное отверстие, в которое вставлена и приварена трубка 14 для отвода рабочего агента при прохождении его через керн. В обоих опорных фланцах есть отверстия, в которые вставлены и приварены трубки 12 и 13 для подачи и отвода безводородной жидкости в корпус кернодержателя.

На фиг. 2 показана сборка образца керна 20, которая производится до его установки в корпус кернодержателя. При этом упоры 9 и 10 выполнены из твердой пластмассы и имеют кольцевые проточки на внешней поверхности для герметизации с плунжерами при помощи резиновых колец 20 и 21, а также проточки для резиновых колец 22 и 23 для обеспечения дополнительной герметизации керна термоусадочной трубкой 24. Проточки на конус в верхней и нижней части упоров сделаны таким образом, чтобы их минимальный диаметр бы равен минимальному диаметру трубки после усадки.

Устройство работает следующим образом.

Производится предварительный монтаж образца керна 17 совместно с верхним и нижним упором 9, 10 в термоусадочной трубке 24. Выкручивают гайку 11, и нижний плунжер 6 при помощи домкрата выдвигается в крайнее верхнее положение, при котором его верхняя торцевая поверхность с посадочным отверстием выходит на уровень торцевой поверхности верхнего опорного фланца 2. Сборка керна с упорами и термоусадочной трубкой помещается в посадочное отверстие плунжер 6, а на верхний упор сборки керна устанавливают верхний плунжер 25. После этого двухходовой домкрат переводится в крайнее нижнее положение, и вся конструкция с керном помещается в рабочее положение с расположением керна в центральной рабочей зоне магнитного поля и центра катушки радиочастотного зонда. При помощи гайки 11 закрепляют верхний плунжер 25 в своем рабочем положении, и домкрат снова переводится в положение подъема плунжера 6, в нем поднимают давление, соответствующее горному давлению на керн. По трубке 13 в корпус кернодержателя 1 подается безводородная жидкость, например, перфтордекалин, до тех пор, пока она не протечет через верхнюю сливную трубку 12, которая после этого перекрывается краном. Обжатие керна производится при помощи подъема давления этой жидкости внешним насосом высокого давления до уровня необходимого пластового давления. При этом герметизацию корпуса кернодержателя обеспечивают все ранее описанные уплотнения на резиновых кольцах.

Демонтаж устройства для смены образца керна производится в обратном порядке, а именно смается давление жидкости в корпусе кернодержателя и давление в домкрате. Таким образом освобождается гайка 11, что позволяет ее выкрутить и освободить верхний плунжер 25. После этого домкратом производится выталкивание керна с верхним плунжером из корпуса выше уровня верхнего опорного фланца и производится замена образца керна, процесс установки повторяется.

По трубкам 15 и 14 производится подача рабочего агента в керн, которую можно подавать в процессе проведения измерений пористости, которым может быть вода, керосин, нефть и др.

Результаты измерений проницаемости керна в пластовых условиях.

Влияние давления на распределение пористости показано на фиг. 3 и фиг. 4, на образцах керна №617-9784-79 из Тевлинско-Русскинского месторождения, получен из пласта БС_10(2-3) с глубины 2524 метра. Литология - песчаник мелкозернистый, алевролитовый, слабо карбонатный, коэффициент пористости Кпо = 20,5%. На фиг. 3 показаны графики распределения времени релаксации Т2 в зависимости от горного давления (Р1) и пластового давления (Р2). Величина давления показана в таблице на графиках в единицах МПа.

На фиг. 4 показано распределение пористости в зависимости от давления рассчитанное по отсечкам Т2 для глинисто связанной воды (CBW), капиллярно связанной воды (BVI) и свободного флюида (FFI). Устройство исследования пористости керна при высоком давлении позволяет определить перераспределение заполнения пор флюидом в зависимости от фактического давления в пласте и тем самым правильно оценить объемы извлекаемых запасов из залежи.

Повышение надежности устройства обеспечивается, во-первых, за счет введения дополнительных узлов герметизации верхнего и нижнего плунжеров при помощи резиновых колец 7 и 10 в отличие от прототипа, где эта герметизация обеспечивается только за счет обжатия резиновой трубкой - манжетой, что само по себе является слабым звеном герметизации по сравнению с уплотнением при помощи резинового кольца. Во-вторых, путем введения дополнительных резиновых колец 20 и 21, которые обеспечивают герметизацию между объемом жидкости в корпусе высокого давления - давление обжатия керна и объемом жидкости во внутренних каналах плунжеров и соответственно в порах керна. В-третьих, путем предварительной герметизации керна при помощи термоусадочной трубки 24, которая устанавливается в процессе сборки керна с упорами в единую конструкцию перед установкой ее в корпус высокого давления 1. Кроме того, в упорах 9 и 10 дополнительно установлены резиновые кольца 22 и 23, которые при повышении давления обжатия создают дополнительный узел герметизации между объемом жидкости в порах керна и обжимающей жидкостью.

Таким образом, дополнительные узлы герметизации обеспечивают повышение надежности устройства, которое должно работать при высоких давлениях и главным образом, при изменении этих давлений в процессе проведения исследований кернов, когда возможны перепады всех давлений в широком диапазоне значений.

За счет расположения катушки радиочастотного зонда внутри корпуса высокого давления повышается точность и помехоустойчивость процесса исследования пористости методом ядерно-магнитного резонанса, за счет ее максимального приближения к керну. Поскольку соотношение диаметра керна с диаметром катушки определяет величину поля рассеяния измеряемого сигнала, то максимальное приближение катушки к керну обеспечит наибольшее отношение сигнал/помеха. Так по сравнению с близким аналогом уменьшение зазора между катушкой и керном на 5-7 мм позволило увеличить отношение сигнал/помеха в два раза.

Также за счет расположения катушки радиочастотного зонда внутри корпуса высокого давления появляется возможность проводить исследования в условиях максимально приближенных к пластовым условиям, поскольку исследования в атмосферных условиях дают существенные ошибки от истинной пористости в залежи.

Устройство позволяет изменять параметры давления и, следовательно, корректировать пластовые условия в процессе проведения измерений пористости.

Кроме того, устройство позволяет удобно устанавливать и извлекать образец керна в корпус камеры высокого давления и, следовательно, повысить производительность процесса исследований большого количества кернового материала. Обеспечение этой операции выполняется при помощи использования двух ходового домкрата 6, который позволяет загружать и извлекать образец керна без разбора конструкции, а только при помощи выкручивания одной гайки 11 для снятия фиксации верхнего плунжера 25 и выталкивания его при помощи домкрата 6. В прототипе указанные возможности не могли быть осуществимы.

Изобретение обеспечивает исследования образцов пористых горных пород в условиях близких к пластовым, устройство является простым, надежным и обеспечивает расширенные функциональные возможности изучения пористости кернов под влиянием изменений внешнего давления фильтрации рабочего агента (вода, керосин, нефть), что служит петрофизическим обоснованием для повышения нефтеотдачи пластов.

Таким образом, заявляемое изобретение обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в повышении надежности и функциональных возможностей устройства для исследования пористости керна в пластовых условиях.

Изобретение относится к петрофизическим исследованиям образцов горных пород. Техническим результатом является повышение надежности и функциональных возможностей устройства для исследования пористости керна в пластовых условиях. Заявлено устройство для исследования керна, содержащее корпус кернодержателя, верхний и нижний плунжеры для осевого поджатия керна с каналами для подвода и отвода рабочего агента, верхний и нижний опорные фланцы, разрезные кольца и фиксирующие фланцы, домкрат с корпусом крепления к нижнему опорному фланцу. При этом нижний опорный фланец имеет наружную посадочную поверхность с проточкой на внешней круговой поверхности для установки уплотняющего резинового кольца для герметизации с корпусом кернодержателя, а на внутренней круговой поверхности имеет проточку для установки резинового кольца герметизации с нижним плунжером. Верхний опорный фланец имеет аналогичные наружную посадочную поверхность с проточкой на внешней круговой поверхности для установки уплотняющего резинового кольца для герметизации с корпусом кернодержателя и внутреннюю круговую поверхность с проточкой для установки резинового кольца герметизации с верхним плунжером. В корпус кернодержателя дополнительно введена измерительная катушка радиочастотного зонда, которая расположена в средней части внутри корпуса и соединена с нижним опорным фланцем, в котором имеются два сквозных отверстия с резьбой для установки герметичных электрических выводов, к которым подключены выводы катушки радиочастотного зонда с внутренней стороны корпуса кернодержателя и выводы конденсатора с наружной стороны нижнего опорного фланца, который расположен в кольцевой полости между нижним опорным фланцем и нижним плунжером. Верхний и нижний опорные фланцы имеют отверстия, в которые вставлены трубки для подвода безводородной жидкости и соединены с ними методом сварки. На середине верхнего плунжера имеется фланец большего диаметра, который упирается на внутренний уступ верхнего опорного фланца и прижимается к этому уступу при помощи гайки в его верхней части, а под фланцем верхнего плунжера имеется проточка под резиновое кольцо, которое обеспечивает герметизацию верхнего плунжера и верхнего опорного фланца. Также устройство дополнительно содержит упоры сверху и снизу керна, плотно прижатые к его торцам до установки в корпус кернодержателя. При этом соединение в единую конструкцию упоров и керна выполнено при помощи трубки из термоусадочного материала, в упорах содержатся проточки для установки резиновых колец в местах соединения упоров с верхним и нижним плунжерами с возможностью герметизации объемов внутри корпуса кернодержателя и объема внутреннего канала плунжера, а также проточки для резиновых колец для герметизации образца керна при обжатии его термоусадочной трубкой. Домкрат устройства выполнен двухходовым с возможностью сжатия керна между плунжерами и его перемещения вдоль оси корпуса кернодержателя. 4 ил.

Устройство для исследования керна, содержащее корпус кернодержателя, верхний и нижний плунжеры для осевого поджатия керна с каналами для подвода и отвода рабочего агента, верхний и нижний опорные фланцы, разрезные кольца и фиксирующие фланцы, домкрат с корпусом крепления к нижнему опорному фланцу, отличающееся тем, что нижний опорный фланец имеет наружную посадочную поверхность с проточкой на внешней круговой поверхности для установки уплотняющего резинового кольца для герметизации с корпусом кернодержателя, а на внутренней круговой поверхности имеет проточку для установки резинового кольца герметизации с нижним плунжером, верхний опорный фланец имеет аналогичные наружную посадочную поверхность с проточкой на внешней круговой поверхности для установки уплотняющего резинового кольца для герметизации с корпусом кернодержателя и внутреннюю круговую поверхность с проточкой для установки резинового кольца герметизации с верхним плунжером, при этом в корпус кернодержателя дополнительно введена измерительная катушка радиочастотного зонда, которая расположена в средней части внутри корпуса и соединена с нижним опорным фланцем, в котором имеются два сквозных отверстия с резьбой для установки герметичных электрических выводов, к которым подключены выводы катушки радиочастотного зонда с внутренней стороны корпуса кернодержателя и выводы конденсатора с наружной стороны нижнего опорного фланца, который расположен в кольцевой полости между нижним опорным фланцем и нижним плунжером, при этом верхний и нижний опорные фланцы имеют отверстия, в которые вставлены трубки для подвода безводородной жидкости и соединены с ними методом сварки, на середине верхнего плунжера имеется фланец большего диаметра, который упирается на внутренний уступ верхнего опорного фланца и прижимается к этому уступу при помощи гайки в его верхней части, а под фланцем верхнего плунжера имеется проточка под резиновое кольцо, которое обеспечивает герметизацию верхнего плунжера и верхнего опорного фланца, также устройство дополнительно содержит упоры сверху и снизу керна, плотно прижатые к его торцам до установки в корпус кернодержателя, при этом соединение в единую конструкцию упоров и керна выполнено при помощи трубки из термоусадочного материала, в упорах содержатся проточки для установки резиновых колец в местах соединения упоров с верхним и нижним плунжерами с возможностью герметизации объемов внутри корпуса кернодержателя и объема внутреннего канала плунжера, а также проточки для резиновых колец для герметизации образца керна при обжатии его термоусадочной трубкой, домкрат устройства выполнен двухходовым с возможностью сжатия керна между плунжерами и его перемещения вдоль оси корпуса кернодержателя.