СИСТЕМА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГОРНОЙ ПОРОДЫ Российский патент 2024 года по МПК G01N15/08 G01N33/24 

Родственная заявка

[0001] В настоящей заявке испрашивается приоритет по заявке на патент Китая №202110128002.9, поданной 29 января 2021 г. и озаглавленной «Система для измерения динамических физических свойств горной породы».

Область техники

[0002] Настоящее раскрытие относится к технической области поиска и разработки месторождений нефти, и, в частности, к системе для измерения динамических физических свойств горной породы.

Уровень техники

[0003] Сланец относится к осадочной породе с чешуйчатой слоистостью и высоким содержанием общего органического углерода. Когда сланец имеет низкую зрелость, т.е. коэффициент отражения (Ro) витринита меньше 1,0%, органические поры в сланце не развиты, вязкость сырой нефти высока и ее перекачивание затруднено, что не позволяет реализовать разработку в промышленных масштабах при существующей технологии объемного гидроразрыва пласта горизонтальной скважины.

[0004] Разработка может быть осуществлена с использованием технологии получения нефти и газа путем местного нагрева, который представляет собой технологию, которая обеспечивает преобразование непреобразованных органических веществ в сланцах в нефть и газ путем местного нагрева, а также одновременную добычу образовавшихся за счет местного нагрева нефти и газа и нефти и газа, удерживаемых в сланцах. В данном случае «сланец» является общим термином для сланцев со средней или низкой зрелостью, т.е. имеющих Ro менее 1,0%, включая сланцы со средней или низкой зрелостью и незрелые нефтеносные сланцы.

[0005] Согласно предварительной оценке мировых запасов сланцев ресурсы нефти, добываемой по технологии получения нефти и газа путем местного нагрева, составляют более 1,5 трлн тонн, а ресурсы природного газа, добываемого по вышеуказанной технологии, составляют около 1,3 трлн куб. м, таким образом, потенциал добываемых ресурсов велик.

[0006] Оценка характеристик сланцев в основном касается физических параметров, таких как пористость, проницаемость и относительная проницаемость, и т.д. При разработке и добыче нефти и газа путем местного нагрева сланца физические свойства сланца будут динамически изменяться в широком диапазоне, например, пористость динамически изменяется от 3-5% до 10-35%, проницаемость динамически изменяется от 0,1 нД и даже меньше до уровня миллидарси или даже до уровня Дарси. На объем добычи нефти и газа, получаемых при местном нагреве сланца, влияют динамические изменения физических свойств, поэтому важно проводить исследования динамического изменения физических свойств при местном нагреве сланца для добычи нефти и газа.

[0007] В настоящее время физические свойства горной породы, такие как пористость, проницаемость, относительная проницаемость и т.д., в основном измеряют с применением следующих способов.

[0008] Способы измерения пористости включают способ с введением ртути (mercury intrusion method, MIP), способ с насыщением керосином, способ измерения поглощения гелия, способ измерения пористости, разработанный Институтом газовых исследований США (gas research institute, GRI), и способ низкотемпературной адсорбции-десорбции азота (BET). Способ с введением ртути (MIP) заключается в измерении распределения пор по размеру, а именно некоторых мезопор и макропор, которое в основном зависит от наружного давления и предполагает преодоление ртутью поверхностного натяжения и входа в поры для измерения. В способе с насыщением керосином керн образца породы неправильной формы вакуумируют и погружают в керосин, а затем керн, насыщенный керосином, взвешивают в воздухе, чтобы определить пористость породы на основании удерживаемого объема и плотности поглощенного керосина. Способ измерения поглощения гелия заключается в вакуумировании керна, нагнетании гелия в керн и измерении объемов гелия, изотермически поглощенного образцом породы при различных давлениях, что позволяет определить пористость керна. Способ измерения пористости, разработанный Институтом газовых исследований США, заключается в измерении пористости плотной горной породы способом снижения давления. Способ низкотемпературной адсорбции-десорбции азота (BET) предназначен для измерения площади поверхности адсорбента и катализатора, и подходит для адсорбции пористых материалов (например, сланца).

[0009] Способ с введением ртути (MIP) и способ с насыщением керосином не подходят для измерения пористости образцов плотных пород с низкой пористостью и проницаемостью; способ измерения поглощения гелия, способ измерения пористости, разработанный Институтом газовых исследований США, и способ низкотемпературной адсорбции-десорбции азота (BET) подходят для измерения пористости образцов плотных пород с низкой пористостью и проницаемостью, но они позволяют измерять пористость только плотных пород с низкой пористостью и проницаемостью в определенном состоянии.

[0010] Измерение проницаемости в основном включает традиционный стационарный способ и нестационарный способ с затуханием импульса. В традиционном стационарном способе, основанном на законе Дарси, величину расхода измеряют путем обеспечения протекания текучей среды через объект, подлежащий измерению, под перепадом давления; величина объемного расхода через образец в единицу времени прямо пропорциональна перепаду давления и площади поперечного сечения образца и обратно пропорциональна длине образца и вязкости текучей среды; и когда заданы внешние условия, проницаемость может быть получена путем вычисления. В нестационарном способе с затуханием импульса, основанном на одномерной нестационарной теории перколяции, данные затухания порового давления с течением времени в одномерном нестационарном процессе перколяции образца объединяют с начальными и граничными условиями, определяемыми соответствующими численными моделями и испытательными инструментами, для точного решения уравнения перколяции и соответствующего контроля ошибки, таким образом измеряя проницаемость.

[0011] Традиционный стационарный способ измерения не подходит для измерения сверхнизкой проницаемости; а способ мгновенного импульса способа нестационарного состояния подходит для измерения проницаемости образцов породы с низкой проницаемостью, но он позволяет измерять только проницаемость плотной породы с низкой пористостью и проницаемостью в определенном состоянии.

[0012] Способы измерения относительной проницаемости в основном включают стационарный способ и нестационарный способ, оба из которых основаны на фиксированном состоянии образца породы для измерения.

[0013] Таким образом, измерение физических свойств породы, таких как пористость, проницаемость и относительная проницаемость, обычно основано на фиксированном состоянии образца породы. В процессе местного нагрева физические свойства сланца будут динамически изменяться. При использовании вышеуказанных способов, как правило, измерение физических свойств возможно только в фиксированном состоянии, а проведение измерений и исследований динамически изменяющихся физических свойств сланца в процессе местного нагрева затруднено.

Раскрытие сущности изобретения

[0014] Настоящее раскрытие относится к разработке системы для измерения динамических физических свойств горной породы для моделирования различных состояний горной породы с целью проведения исследований динамически изменяющихся физических свойств горной породы.

[0015] Вышеуказанная цель настоящего раскрытия может быть достигнута путем принятия следующих технических решений:

[0016] В настоящем раскрытии предложена система для измерения динамических физических свойств горной породы, включающая в себя: котел; устройство для зажима образца, включающее в себя нижний концевой стержень и фиксированный верхний концевой стержень, которые размещены, соответственно, вверху и внизу, а полость для образца для размещения образца расположена между верхним концевым стержнем и нижним концевым стержнем, и расположена в котле; устройство для приложения геостатического давления, соединенное с нижним концевым стержнем для приведения нижнего концевого стержня в движение вверх и вниз; устройство для поддержания ограничивающего давления и оболочку для образца, расположенную в котле таким образом, что она охватывает снаружи образец, расположенный в полости для образца, причем оболочка для образца выполнена с возможностью сжатия внутрь под действием давления; устройство для поддержания ограничивающего давления соединено с котлом для регулирования давления в котле; нагреватель, выполненный с возможностью управления температурой в котле; нижнее устройство для подачи газа и нижнюю трубу притока газа, первый конец которой расположен в нижней части полости для образца, а второй конец соединен с нижним устройством для подачи газа, причем нижнее устройство для подачи газа подает газ в нижнюю трубу притока газа; а также верхнее устройство для измерения объема газа и верхнюю трубу оттока газа, первый конец которой расположен в верхней части полости для образца, а второй конец соединен с верхним устройством для измерения объема газа.

[0017] Настоящее изобретение имеет следующие характеристики и преимущества.

[0018] Используя систему для измерения динамических физических свойств горной породы, образец устанавливают в полость для образца, верхний концевой стержень и нижний концевой стержень фиксируют образец, и к образцу прикладывают вертикальное геостатическое давление посредством устройства для приложения геостатического давления.

[0019] Когда происходит усадка оболочки для образца внутрь под действием давления, она может оказывать боковое давление на образец, т.е. ограничивающее давление. Давление в котле регулируют с помощью устройства для поддержания ограничивающего давления, т.е. регулируют степень усадки оболочки для образца, чтобы регулировать ограничивающее давление. Оболочка для образца окружает образец, а также обеспечивает герметизацию, которая может предотвращать боковую утечку текучей среды в образце.

[0020] Нагреватель регулирует температуру в котле для реализации различных температурных режимов.

[0021] Нижнее устройство для подачи газа подает газ, который поступает в образец по нижней трубе притока газа; и текучая среда в образце поступает в верхнее устройство для измерения объема газа по верхней трубе оттока газа для хранения. Из-за герметизирующего эффекта оболочки для образца текучая среда, вытекающая из образца, течет по верхней трубе оттока газа в верхнее устройство для измерения объема газа, что позволяет измерять объем притока газа и объем оттока газа из образца, и, таким образом, проводить исследования физических свойств горной породы в таком состоянии.

[0022] Изменяя геостатическое давление, ограничивающее давление и температуру, можно моделировать различные состояния горной породы с целью проведения исследований динамически изменяющихся физических свойств горной породы.

Краткое описание чертежей

[0023] Нижеследующие чертежи предназначены только для схематической иллюстрации и пояснения настоящего раскрытия, а не для ограничения его объема. На нижеследующих чертежах,

[0024] на фиг. 1 представлена структурная схема системы измерения динамических физических свойств горной породы согласно настоящему раскрытию;

[0025] на фиг. 2 представлена принципиальная схема состояния системы для измерения динамических физических свойств горной породы, показанной на фиг. 1;

[0026] на фиг. 3 представлена частичная принципиальная схема устройства для зажима образца в системе для измерения динамических физических свойств горной породы, показанной на фиг. 1;

[0027] на фиг. 4 представлена принципиальная схема взаимодействия оболочки для образца, блока для сбора газа, блока для обеспечения однородности газа и образца в системе для измерения динамических физических свойств горной породы, показанной на фиг. 1;

[0028] на фиг. 5 представлена схема экспериментального способа для системы измерения динамических физических свойств горной породы согласно настоящему раскрытию.

Осуществление изобретения

[0029] Для более четкого представления технических характеристик, целей и эффектов настоящего раскрытия далее будут описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения со ссылкой на чертежи. В описании настоящего раскрытия термин «множество» означает два или более, если не указано иное.

[0030] В настоящем раскрытии предложена система для измерения динамических физических свойств горной породы, показанная на фиг. 1-3, включающая в себя котел 202; устройство 10 для зажима образца, устройство 400 для приложения геостатического давления, устройство 402 для поддержания ограничивающего давления, оболочку 109 для образца, нагреватель 201, нижнее устройство 301 для подачи газа, нижнюю трубу 302 притока газа, верхнее устройство 308 для измерения объема газа и верхнюю трубу 305 оттока газа; причем устройство 10 для зажима образца включает в себя нижний концевой стержень 103 и фиксированный верхний концевой стержень 102, которые размещены, соответственно, вверху и внизу, а полость для образца для размещения образца расположена между верхним концевым стержнем 102 и нижним концевым стержнем 103, и расположена в котле 202; устройство 400 для приложения геостатического давления соединено с нижним концевым стержнем 103 для приведения нижнего концевого стержня 103 в движение вверх и вниз; оболочка 109 для образца расположена в котле 202 таким образом, что она охватывает снаружи образец 101, расположенный в полости для образца, и оболочка 109 для образца выполнена с возможностью сжатия внутрь под действием давления; устройство 402 для поддержания ограничивающего давления соединено с котлом 202 для регулирования давления в котле 202; нагреватель 201 выполнен с возможностью управления температурой в котле 202; нижняя труба 302 притока газа включает в себя первый конец, расположенный в нижней части полости для образца, и второй конец, соединенный с нижним устройством 301 для подачи газа, которое подает газ в нижнюю трубу 302 притока газа; первый конец верхней трубы 305 оттока газа расположен в верхней части полости для образца, а второй конец верхней трубы 305 оттока газа соединен с устройством 308 для измерения объема газа.

[0031] С помощью системы для измерения динамических физических свойств горной породы образец устанавливают в полость для образца, зафиксированную верхним концевым стержнем 102 и нижним концевым стержнем 103, и прикладывают вертикальное геостатическое давление посредством устройства 400 для приложения геостатического давления. При сжатии внутрь под действием давления оболочка 109 для образца может оказывать боковое давление, т.е. ограничивающее давление, на образец 101. Устройство 402 для поддержания ограничивающего давления регулирует давление в котле 202, т.е. степень сжатия оболочки 109 для образца, с целью регулирования ограничивающего давления. Оболочка 109 для образца окружает образец 101, а также обеспечивает герметизацию, которая может предотвращать боковую утечку текучей среды в образце 101. Нагреватель 201 регулирует температуру в котле 202 для реализации различных температурных режимов. Нижнее устройство 301 для подачи газа подает газ, который поступает в образец по нижней трубе 302 притока газа для обеспечения различных условий давления текучей среды; и текучая среда в образце 101 поступает в устройство 308 для измерения объема газа по верхней трубе 305 оттока газа для хранения. Из-за герметизирующего эффекта оболочки 109 для образца текучая среда, вытекающая из образца, течет по верхней трубе 305 оттока газа в верхнее устройство 308 для измерения объема газа, что позволяет измерять объем притока газа и объем оттока газа из образца 101 для проведения исследований физических свойств горных пород в таком состоянии.

[0032] Изменяя геостатическое давление, ограничивающее давление и температуру, можно моделировать различные состояния горной породы с целью проведения исследований динамически изменяющихся физических свойств горной породы.

[0033] Как показано на фиг. 1 и 2, измерительная система включает в себя раму 50, которая выполнена с возможностью поддержки и фиксации всей системы; причем рама 50 имеет цилиндрическую форму и ее внутренняя часть облицована композитным асбестом для теплоизоляции. Котел 202 выполнен из сплава Ti-Fe-C и способен выдерживать температуру 1000° и давление 80 МПа без деформации; внутренняя полость 1011 котла образована в котле 202, а верхний конец нижнего концевого стержня 103 и нижний конец верхнего концевого стержня 102 расположены во внутренней полости 1011 котла; устройство 402 для поддержания ограничивающего давления сообщается с внутренней полостью 1011 котла через впускную трубу 403 бокового давления для регулирования давления во внутренней полости 1011 котла; и нагреватель 2001 регулирует температуру во внутренней полости 1011 котла. Нагреватель 201 может нагреваться резистором до максимальной температуры свыше 1000°; датчик 203 для определения температуры установлен между нагревателем 201 и котлом 202, и может быть выполнен в виде термоэлектрического элемента для контроля и автоматического регулирования температуры нагрева; при необходимости допуск при контроле температуры составляет менее 1°. Измерительная система осуществляет испытание при высокой температуре. При необходимости химический состав котла 202 может быть следующим: Ni от 24,0% до 27,0%, Mo от 1,0% до 1,5%, Si менее 1,0%, Cr от 13,5% до 16,0%, V от 0,1% до 0,5%, Al менее 0,35%, C менее 0,08%, S менее 0,03%, Ti от 1,90% до 2,35%, Mn менее 2,0%, B от 0,001% до 0,01%, а оставшаяся часть представляет собой Fe.

[0034] Верхний концевой стержень 102 и нижний концевой стержень 103 могут быть изготовлены из сплава Ti-Ni-Fe-C для обеспечения зажатия, соответственно, сверху и снизу, и фиксации образца 101. Верхний концевой стержень 102 пригнан к внутренней стенке верхнего проема котла 202 для обеспечения верхней герметизации котла 202. Верхний концевой стержень 102 и нижний концевой стержень 103 способны выдерживать температуру выше 800° и коррозию H₂S с концентрацией более 35%, и стабильно работать более 2 лет.

[0035] Образец 101, помещенный в полость для образца, может иметь цилиндрическую форму, диаметр от 2,5 см до 15 см и длину от 2,5 см до 25 см. Образец 101 может представлять собой образец керна сланца, аргиллита, глинистого сланца, угля или другой горной породы. Поверхность образца полируют.

[0036] Устройство 10 для удержания образца включает в себя нижний теплоизоляционный блок 104, верхний теплоизоляционный блок 105 и верхний укупорочный блок 106. Как показано на фиг. 1, нижний теплоизоляционный блок 104 расположен на нижнем конце нижнего концевого стержня 103, а верхний концевой стержень 102, верхний теплоизоляционный блок 105 и верхний накрывающий блок 106 расположены последовательно снизу вверх. Верхний накрывающий блок 106 жестко соединен с рамой 50, а нижний теплоизоляционный блок 104 и верхний теплоизоляционный блок 105 выполнены из углеродистой резины для обеспечения изоляции и теплоизоляции между их верхними и нижними частями, которые могут выдерживать температуру выше 800°, для предотвращения распространения тепла вверх или вниз. Верхний накрывающий блок 106 обеспечивает крепление между верхней частью верхнего теплоизоляционного блока 105 и рамой 50.

[0037] В одном варианте осуществления настоящего изобретения блок 303 для обеспечения однородности газа присоединен выше нижнего концевого стержня 103, примыкая к нижнему концу образца 101, а первый конец нижней трубы 302 притока газа сообщается с блоком 303 для обеспечения однородности газа, который снабжен множеством отверстий 3030 для обеспечения однородности газа, проходящих сверху вниз. За счет применения блока 303 для обеспечения однородности газа обеспечивается однородность газа, поступающего в нижнюю часть образца 101.

[0038] Кроме того, диаметр отверстия 3030 для обеспечения однородности газа составляет не более 100 мкм, а плотность этих отверстий составляет более 2000 шт./см².

[0039] В одном варианте осуществления настоящего изобретения блок 304 для сбора газа присоединен ниже верхнего концевого стержня 102, примыкая к верхнему концу образца 101, а первый конец верхней трубы 305 оттока газа сообщается с блоком 304 сбора газа, который снабжен множеством отверстий 3040 для сбора, проходящих сверху вниз. С помощью блока 304 для сбора газа газ может быть равномерно собран в верхней части образца 101 и направлен в верхнюю трубу 305 оттока газа.

[0040] Кроме того, диаметр отверстия 3040 для сбора газа составляет не более 100 мкм, а плотность этих отверстий составляет более 2000 шт./см².

[0041] Блок 303 обеспечения однородности газа и верхний блок 304 сбора газа расположены, соответственно, в нижней и верхней частях образца 101. Размеры блока 303 обеспечения однородности газа и верхнего блока 304 сбора газа являются такими же, как диаметр образца 101, и эти блоки могут быть изготовлены из сплава Ti-Ni-Fe-C, который способен выдерживать температуру выше 800°, коррозию H₂S и давление не менее 80 МПа.

[0042] Нижнее устройство 301 для подачи газа выполнено с возможностью подачи газа к образцу 101 при заданном давлении, приложения к образцу 101 давления текучей среды и поддержания этого давления, а также приложения и поддержания вертикального колебательного давления к образцу. Как показано на фиг. 2, нижнее устройство 301 для подачи газа включает в себя нижний поршень 3012 регулирования давления, с одной стороны которого имеется полость 3011 подачи, а с другой стороны имеется полость 3013 притока газа; второй конец нижней трубы 302 притока газа соединен с полостью 3013 притока газа, и давление в полости 3011 подачи толкает нижний поршень 3012 регулирования давления, при этом происходит вытеснение газа из полости 3013 притока газа.

[0043] В нижнем устройстве 301 для подачи газа в полости 3013 притока газа требуемое давление поддерживают за счет полости 3011 подачи. При необходимости давление гидравлически прикладывают к полости 3011 подачи, и давление прикладывается к полости 3013 притока газа нижним поршнем 3012 регулирования давления. Полость 3013 притока газа заполнена инертным газом, необязательно, аргоном.

[0044] Как показано на фиг. 1, нижняя труба 302 притока газа снабжена нижним клапаном 310 и нижним механизмом 311 для определения давления, расположенным сбоку от нижнего клапана 310 рядом с первым концом нижней трубы 302 притока газа. В некоторых случаях нижняя труба 302 притока газа снабжена расходомером для измерения скорости притока газа.

[0045] В одном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, верхнее устройство 308 для измерения объема газа включает в себя верхний поршень 3082 регулирования давления, одна сторона которого снабжена верхней полостью 3081 регулирования давления, а его другая сторона снабжена полостью 3083 оттока газа. Второй конец верхней трубы 305 оттока газа соединен с полостью 3083 оттока газа и давление в верхней полости 3081 регулирования давления толкает верхний поршень 3082 регулирования давления с обеспечением вытеснения газа из полости 3083 оттока газа.

[0046] Верхняя полость 3081 регулирования давления поддерживает давление в верхней трубе 305 оттока газа и, при необходимости, гидравлически регулирует давление. Регулируя и поддерживая давление с помощью верхнего поршня 3082 регулирования давления, можно измерять количество и температуру газа, собранного в полости 3083 оттока газа, чтобы получить объем собранного газа.

[0047] Как показано на фиг. 1, верхняя труба 305 оттока газа снабжена верхним клапаном 307 и верхним механизмом 306 для определения давления, расположенным сбоку от верхнего клапана 307 рядом с первым концом верхней трубы 305 оттока газа. Полость 3083 оттока газа снабжена устройством 3084 для измерения температуры, выполненным с возможностью измерения температуры. В соответствии с давлением, полученным с помощью верхнего механизма 306 определения давления, и температурой в полости 3083 оттока газа, полученной устройством 3084 для измерения температуры, можно получить объем газа в полости 3083 оттока газа ниже стандартного объема. Верхний механизм 306 для определения давления выполнен с возможностью измерения давления в верхней трубе 305 оттока газа для измерения отклика на колебания давления. В некоторых случаях верхняя труба 305 оттока газа снабжена расходомером для измерения скорости оттока.

[0048] Как показано на фиг. 4, оболочка 109 для образца фиксирует, герметизирует и зажимает образец 101. Оболочка 109 для образца способна выдерживать температуру свыше 800° и коррозию H₂S, обладая хорошей гибкостью, пластичностью и герметичностью. Когда давление в образце 101 меньше, чем давление во внутренней полости 1011 котла, может быть обеспечена герметизация между оболочкой 109 для образца и образцом 101. Оболочку 109 для образца при необходимости изготавливают из графитового золота и, кроме того, при необходимости из высокотемпературного стойкого графитового золота, которое представляет собой синтетический материал из графита и золота с хорошей термостойкостью и пластичностью, и может восстанавливать свою первоначальную форму после восстановления давления. Как правило, содержание золота составляет от 60% до 70%, а содержание графита составляет от 30% до 40%.

[0049] Кроме того, в котле 202 установлена пористая труба 1010, и пористая труба 1010 охватывает снаружи оболочку 109 для образца. Пористая труба 1010 защищает оболочку 109 для образца и оказывает на нее боковое давление. С помощью оболочки 109 для образца и пористой трубы 1010 можно обеспечить герметизацию образца 101 и передачу бокового давления во время измерения, а также устранить недостаток, заключающийся в том, что в предшествующем уровне техники невозможно было реализовать измерение герметизации при высокой температуре. Пористая труба 1010 изготовлена из жесткого материала и, в частности, из сплава Ti-Ni-Fe-C.

[0050] Отверстия в пористой трубе 1010 могут представлять собой радиальные отверстия 10100, которые проходят через боковую стенку пористой трубы 1010 и перпендикулярны ее осевому направлению. Кроме того, радиальные отверстия 10100 равномерно распределены, имеют диаметр не более 100 мкм и плотность свыше 2000 шт./см², что позволяет хорошо защитить оболочку 109 для образца и обеспечить равномерное и постоянное боковое давление на нее.

[0051] В одном варианте осуществления настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, устройство 402 для поддержания ограничивающего давления включает в себя поршень 4022 регулирования ограничивающего давления, с одной стороны которого обеспечена полость 4021 регулирования ограничивающего давления, а с другой стороны обеспечена впускная полость 4023 ограничивающего давления, которая сообщается с внутренней полостью 1011 котла через боковую трубу 403 давления притока, и давление в полости 4021 регулирования ограничивающего давления толкает поршень 4022 регулирования ограничивающего давления, при этом происходит вытеснение газа из впускной полости 4023 ограничивающего давления. Внутренняя полость 1011 котла заполнена инертным газом, при необходимости аргоном. К образцу 101 прикладывается боковое давление за счет приложения давления к инертному газу во внутренней полости 1011 котла.

[0052] Как показано на фиг. 1, котел 202 соединен с устройством 309 для сброса давления, которое сбрасывает давление при отклонении давления во внутренней полости 1011 котла от нормальных значений. Устройство 309 для сброса давления может функционировать автоматически, и когда давление во внутренней полости 1011 котла превышает заданное значение, автоматически начинается сброс давления.

[0053] В одном варианте осуществления настоящего изобретения устройство 400 для приложения геостатического давления включает в себя устройство 401 для регулирования геостатического давления и поршень 107 геостатического давления, соединенный с нижним концевым стержнем 103, и устройство 401 для регулирования геостатического давления соединено с поршнем 107 геостатического давления для управления выдвижением и отведением поршня 107 геостатического давления вверх и вниз, и, таким образом, перемещения нижнего концевого стержня 103 вверх и вниз. Поршень 107 геостатического давления прикладывает вертикальное давление к нижнему концевому стержню 103 и поддерживает это давление. В частности, поршень 107 геостатического давления регулирует требуемый допуск по давлению до значения менее 0,1 МПа и поршень 107 геостатического давления может представлять собой цилиндр; корпус цилиндра установлен неподвижно, а верхний конец стержня поршня цилиндра упирается в нижний концевой стержень 103; устройство 401 для регулирования геостатического давления может быть снабжено газовым насосом. Как показано на фиг. 2, поршень 107 геостатического давления закреплен держателем 108 поршня геостатического давления, а нижний теплоизоляционный блок 104 расположен между поршнем 107 геостатического давления и держателем 108 поршня геостатического давления; держатель 108 поршня геостатического давления окружен защитным сильфоном 1012, который является эластичным для коррекции положения держателя 108 поршня геостатического давления и предотвращения наклона держателя 108 поршня геостатического давления, таким образом защищая держатель 108 поршня геостатического давления, уменьшая колебания в процессе измерения и повышая точность измерения.

[0054] В одном варианте осуществления настоящего изобретения измерительная система включает в себя нижний датчик 3031 для измерения продольного расстояния, верхний датчик 3041 для измерения продольного расстояния и множество датчиков 1091 для измерения поперечного расстояния, которые расположены симметрично на боковой стенке образца 101. Нижний датчик 3031 для измерения продольного расстояния расположен на нижней стенке образца 101, а верхний датчик 3041 для измерения продольного расстояния расположен на верхней стенке образца 101.

[0055] В частности, два датчика 1091 для измерения поперечного расстояния могут быть установлены симметрично внутри оболочки 109 для образца, и диаметр образца 101 в текущих условиях может быть измерен с помощью двух датчиков 1091 для измерения поперечного расстояния, расположенных симметрично.

[0056] Нижний датчик 3031 для измерения продольного расстояния под блоком 303 обеспечения однородности газа выполнен с возможностью измерения расстояния перемещения образца 101 при изменениях температуры и давления; и верхний датчик 3041 для измерения продольного расстояния над блоком 304 сбора газа выполнен с возможностью измерения расстояния перемещения образца при изменениях температуры и давления, таким образом измеряя продольную длину образца 101 в текущих условиях.

[0057] Следовательно, динамический диаметр образца 101 определяют с помощью датчика 1091 для измерения поперечного расстояния, динамическую длину образца 101 определяют с помощью нижнего датчика 3031 для измерения продольного расстояния и верхнего датчика 3041 для измерения продольного расстояния, а динамический объем образца 101 при нагреве определяют путем объединения динамического диаметра и динамической длины. Из-за влияния температуры и давления объем образца 101 может изменяться, причем пористость и проницаемость вычисляют на основании измеренного динамического объема, благодаря чему повышается точность измерения.

[0058] Систему для измерения динамических физических свойств горных пород в основном используют для исследований образования нефти и газа при местном нагреве сланца и его разработки, а также исследований подземной газификации угля и его разработки. Образцу 101 горной породы придают цилиндрическую форму, соответствующую экспериментальному размеру, и полируют его поверхность, и измеряют объем V1 образца 101; как показано на фиг. 5, при использовании системы для измерения динамических физических свойств горной породы согласно настоящему изобретению проводят следующие экспериментальные этапы:

S10: загрузка образца 101 в оболочку 109 для образца;

S20: приложение давления к образцу 101 с помощью поршня 107 геостатического давления и приложение ограничивающего давления к образцу 101 во внутренней полости 1011 котла;

S30: нагрев до заданной температуры с помощью нагревателя 201 с заданной скоростью нагрева;

S40: измерение объема V3 образца 101;

S50: установка давления притока газа нижнего устройства 301 для подачи газа при заданной температуре для подачи газа на образец 101;

S60: открытие верхнего клапана 307 и приведение в действие верхнего механизма 306 для определения давления для регистрации объема и температуры газа, а также информации о колебаниях газа в верхнем устройстве 308 для измерения объема газа.

[0059] На вышеуказанных экспериментальных этапах физические свойства образца при заданной температуре могут быть измерены путем проведения этапов с S30 по S60; повторяя этапы S30-S60 и регулируя значение заданной температуры на этапе S30, можно измерять физические свойства образца при различных температурах, чтобы получить характеристики физических свойств образца, изменяющихся с температурой и выявить динамические физические свойства образца. С помощью вышеуказанных экспериментальных этапов можно проводить непрерывные измерения при множестве значений температуры и получать изменяющуюся кривую физических свойств образца и температуры. В процессе добычи нефти и газа путем местного нагрева сланца и в процессе подземной местной газификации угля окружающая температура горной породы будет изменяться и физические свойства горной породы будут динамически изменяться. Применяя эту измерительную систему для исследований, можно спрогнозировать динамические физические свойства горной породы во время разработки.

[0060] Объем притока газа и объем оттока газа из образца 101 могут быть определены на основании объема притока газа в нижнем устройстве 301 для подачи газа и объема газа, собранного в верхнем устройстве 308 для измерения объема газа, а в сочетании с температурой и давлением образца 101 и объемом V3 при вышеуказанных температуре и давлении, путем вычисления может быть получена пористость образца 101 при различных условиях температуры и давления.

[0061] Объем оттока газа из образца 101 может быть определен путем регистрации объема газа в верхнем устройстве 308 для измерения объема газа, а в сочетании с объемом притока газа в нижнем устройстве 301 для подачи газа путем вычисления можно определять объем оттока газа из образца 101, истекшее время и получать информацию о колебаниях газа, проницаемости и относительной проницаемости образца до тех пор, пока не будут проведены измерения для всех заданных значений температуры.

[0062] Затем, на этапе S10 измеряют объем V2 образца 101, а затем выполняют коррекцию с помощью измеренного объема V1. Как объем V2, так и объем V3 измеряют с помощью нижнего датчика 3031 для измерения продольного расстояния, верхнего датчика 3041 для измерения продольного расстояния и множества датчиков 1091 для измерения поперечного расстояния, и точность измерения объема V3 может быть повышена путем коррекции.

[0063] На этапе S60 во время испытания верхний клапан 307 автоматически закрывается во время работы верхнего механизма 306 для определения давления. При измерении изменения объема газа в образце 101, вызванного изменением давления, нижний клапан 310 автоматически закрывается, а затем автоматически открывается верхний клапан 307, таким образом, давление в образце 101 изменяется и вырабатывается газ. Верхнее устройство 308 для измерения объема газа измеряет изменение объема газа, вызванное изменением давления в образце 101.

[0064] С помощью измерительной системы можно прикладывать вертикальное геостатическое давление, боковое ограничивающее давление и давление текучей среды для точного моделирования ситуаций, связанных с давлением, во время местного нагрева горной породы. В отличие от предшествующего уровня техники, в котором пористость, проницаемость и относительную проницаемость обычно измеряют при нормальной температуре, измерительная система согласно настоящему изобретению выполнена с возможностью установки соответствующей температуры и давления, моделирования и измерения изменения динамических физических свойств в течение всего процесса местного нагрева горной породы, а также измерения пористости, проницаемости и относительной проницаемости с использованием колебаний газа, снижения давления и изменения объема газа под давлением в открытой и закрытой системах, и, таким образом, одновременного измерения динамических физических свойств во время местного нагрева горной породы. Пористость, проницаемость и относительную проницаемость измеряют совместно для реализации их одновременного измерения. Моделируя температуру и давление при местном нагреве горной породы, можно измерять пористость, проницаемость и относительную проницаемость породы в различных состояниях. С помощью настоящей измерительной системы пористость, проницаемость и относительную проницаемость можно измерять с использованием колебаний инертного газа, снижения давления и изменения объема газа под давлением в открытых и закрытых системах, что подходит для проведения измерений от низкой пористости и проницаемости до высокой пористости и проницаемости, и позволяет одновременно проводить измерения на образцах с уровнями в широком диапазоне пористости и проницаемости. С помощью настоящей измерительной системы можно точно измерить динамические физические свойства при местном нагреве горной породы, что имеет большое значение для дальнейшего совершенствования теоретических и технических моделей накопления и перколяции текучей среды при местном нагреве горной породы и способствует проведению основных экспериментальных исследований и развитию смежных дисциплин.

[0065] Приведенная выше информация представляет собой лишь иллюстративные варианты осуществления настоящего изобретения и не предназначена для ограничения его объема. Любое эквивалентное изменение или модификация, предложенные специалистами в данной области техники без отклонения от концепции и принципов настоящего изобретения, должны входить под объем охраны настоящего изобретения.

В настоящем раскрытии предложена система для измерения динамических физических свойств горной породы, выполненная с возможностью моделирования различных состояний горной породы, которое облегчает исследование динамически изменяющихся физических свойств горной породы. Система включает в себя: котел (202); устройство (10) для зажима образца, включающее в себя нижний концевой стержень (103) и фиксированный верхний концевой стержень (102), и полость для образца, расположенную между верхним концевым стержнем (103) и нижним концевым стержнем (102), и расположенную в котле (202); устройство (400) для приложения геостатического давления, выполненное с возможностью приведения нижнего концевого стержня (103) в движение вверх и вниз; оболочку (109) для образца, выполненную с возможностью охвата образца (101), расположенного в полости для образца, причем оболочка (109) для образца выполнена с возможностью сжатия внутрь под действием давления; устройство (402) для поддержания ограничивающего давления, выполненное с возможностью регулирования давления в котле; и нагреватель (201), выполненный с возможностью управления температурой в котле. Технический результат – осуществление возможности проведения измерений и исследований динамически изменяющихся физических свойств сланца в процессе местного нагрева. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Система для измерения динамических физических свойств горной породы, содержащая:

котел;

устройство для зажима образца, содержащее нижний концевой стержень и фиксированный верхний концевой стержень, которые размещены, соответственно, вверху и внизу, причем полость для образца для размещения образца расположена между верхним концевым стержнем и нижним концевым стержнем, и расположена в котле;

устройство для приложения геостатического давления, соединенное с нижним концевым стержнем для приведения нижнего концевого стержня в движение вверх и вниз;

устройство для поддержания ограничивающего давления и оболочку для образца, расположенную в котле таким образом, что она охватывает снаружи образец, расположенный в полости для образца, причем оболочка для образца выполнена с возможностью сжатия внутрь под действием давления; причем устройство для поддержания ограничивающего давления соединено с котлом для регулирования давления в котле;

нагреватель, выполненный с возможностью управления температурой в котле;

нижнее устройство для подачи газа и нижнюю трубу притока газа, первый конец которой расположен в нижней части полости для образца, а второй конец соединен с нижним устройством для подачи газа, причем нижнее устройство для подачи газа подает газ в нижнюю трубу притока газа; и

верхнее устройство для измерения объема газа и верхнюю трубу оттока газа, первый конец которой расположен в верхней части полости для образца, а второй конец соединен с верхним устройством для измерения объема газа.

2. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой блок для обеспечения однородности газа присоединен выше нижнего концевого стержня с обеспечением примыкания к нижнему концу образца, а первый конец нижней трубы притока газа сообщается с блоком для обеспечения однородности газа, который снабжен множеством отверстий для обеспечения однородности газа, проходящих сверху вниз.

3. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 2, в которой диаметр отверстия для обеспечения однородности газа составляет не более 100 мкм, а плотность этих отверстий составляет более 2000 шт./см².

4. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой блок для сбора газа присоединен ниже верхнего концевого стержня с обеспечением примыкания к верхнему концу образца, а первый конец верхней трубы оттока газа сообщается с блоком сбора газа, который снабжен множеством отверстий для сбора, проходящих сверху вниз.

5. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 4, в которой диаметр отверстия для сбора составляет не более 100 мкм, а плотность этих отверстий составляет более 2000 шт./см².

6. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой нижнее устройство для подачи газа содержит нижний поршень регулирования давления, с одной стороны которого имеется полость подачи, а с его другой стороны имеется полость притока газа; и второй конец нижней трубы притока газа соединен с полостью притока газа, и давление в полости подачи толкает нижний поршень регулирования давления с обеспечением вытеснения газа из полости притока газа.

7. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой верхнее устройство для измерения объема газа содержит верхний поршень регулирования давления, одна сторона которого снабжена верхней полостью регулирования давления, а его другая сторона снабжена полостью оттока газа; и второй конец верхней трубы оттока газа соединен с полостью оттока газа, и давление в верхней полости регулирования давления толкает верхний поршень регулирования давления с обеспечением вытеснения газа из полости оттока газа.

8. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой в котле установлена пористая труба, и пористая труба охватывает снаружи оболочку для образца.

9. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 8, в которой диаметр отверстий, распределенных по пористой трубе, не превышает 100 мкм, а плотность этих отверстий составляет более 2000 шт./см².

10. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой устройство для поддержания ограничивающего давления содержит поршень регулирования ограничивающего давления, с одной стороны которого обеспечена полость регулирования ограничивающего давления, а с другой его стороны обеспечена впускная полость ограничивающего давления, соединенная с котлом, и давление в полости регулирования ограничивающего давления толкает поршень регулирования ограничивающего давления с обеспечением вытеснения газа из впускной полости ограничивающего давления.

11. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой устройство для приложения геостатического давления содержит устройство для регулирования геостатического давления и поршень геостатического давления, соединенный с нижним концевым стержнем, и устройство для регулирования геостатического давления соединено с поршнем геостатического давления для управления выдвижением и отведением поршня геостатического давления вверх и вниз с обеспечением перемещения нижнего концевого стержня вверх и вниз.

12. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, дополнительно содержащая нижний датчик для измерения продольного расстояния, верхний датчик для измерения продольного расстояния и множество датчиков для измерения поперечного расстояния, которые расположены симметрично на боковой стенке образца; причем нижний датчик для измерения продольного расстояния расположен на нижней стенке образца, а верхний датчик для измерения продольного расстояния расположен на верхней стенке образца.

13. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой верхняя труба оттока газа снабжена верхним клапаном и верхним механизмом для определения давления, расположенным сбоку от верхнего клапана рядом с первым концом верхней трубы оттока газа.

14. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой нижняя труба притока газа снабжена нижним клапаном и нижним механизмом для определения давления, расположенным сбоку от нижнего клапана рядом с первым концом нижней трубы притока газа.

15. Система для измерения динамических физических свойств горной породы по п. 1, в которой химический состав котла является следующим: Ni от 24,0% до 27,0%, Mo от 1,0% до 1,5%, Si менее 1,0%, Cr от 13,5% до 16,0%, V от 0,1% до 0,5%, Al менее 0,35%, C менее 0,08%, S менее 0,03%, Ti от 1,90% до 2,35%, Mn менее 2,0%, B от 0,001% до 0,01%, а оставшаяся часть представляет собой Fe.