СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАГРУЖЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД НА ФИЛЬТРАЦИЮ ЖИДКОСТИ Российский патент 2025 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к области исследования фазовых проницаемостей и может применятся для исследования влияния акустических вибраций на проницаемость образцов горных пород.

Известно устройство для определения фазовых проницаемостей (патент RU 108105, опубл. 10.09.2011),содержащее кернодержатель с установленным в нем исследуемым образцом, термостат, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в исследуемом образце, плунжерный насос для подачи в исследуемый образец рабочих флюидов при пластовом давлении, насос для создания давления обжима, трубопроводы для подачи и отвода рабочих флюидов с вентилями 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.

Недостатком известного устройства является невозможность проводить исследования по влиянию акустического воздействия на проницаемость образца горной породы.

Известно устройство для определения фазовых проницаемостей (патент RU 2660772, опубл. 10.07.2018), содержащее кернодержатель с установленным в нем исследуемым образцом, термостат, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в образце, рециркуляционные насосы, обеспечивающие процесс фильтрования путем подачи в образец флюидов заданных фазовых систем в режиме постоянного заданного расхода. Прибор обжима для создания пластового давления на образце. Трубопроводную систему для подачи и отвода рабочих флюидов, оборудованную запорной арматурой, дифференциальный манометр с датчиками давления для определения перепада давления на образце. Измерительный сепаратор, состоящий из емкости для сепарирования поступающих флюидов по разности их плотностей, оборудованной системой контроля и измерения уровня границы раздела сред в состоянии термодинамического равновесия. При этом трубопроводная система дополнительно содержит обводную линию промывки трубопровода на выходе из кернодержателя заданным соотношением флюидов для купирования в нем неучтенных изменений рабочих флюидов. Кроме того, все вышеперечисленное оборудование, включая трубопроводную систему с обводной линией, помещено в единый суховоздушный термостат, образуя замкнутую термодинамическую систему с исключением охлаждения рабочих флюидов при их рециркуляции в процессе фильтрования.

Недостатком известного устройства является невозможность проводить исследования по влиянию акустического воздействия на проницаемость образца горной породы.

Известна также система для заводнения керна при пластовых условиях AFS-300 (производитель: Core Lab Instruments, США), (https://www.neolabllc.ru/product/afs-300). Система содержит кернодержатель, с установленными в нем резиновой манжетой и образцом горной породы, термошкаф, обеспечивающий поддержание постоянной температуры флюида и образца горной породы, двухцилиндровый насос, обеспечивающий подачу флюида в кернодержатель при постоянном расходе или постоянном давлении, дифференциальные датчики низкого и высокого давления, регулятор противодавления, регулирующий противодавление в системе при исследованиях в нестационарных условиях при пластовом давлении и температуре, механический сепаратор с двумя сообщающимися цилиндрическими сосудами, позволяющий осуществлять сбор и сепарацию флюида в одном сосуде, и в то же время проводить измерения объема во втором сообщающемся с ним сосуде, система создания давления обжима, для создания пластового давления в образце, аккумуляторы с рабочими жидкостями, (способные работать с агрессивными жидкостями), система трубопроводов, обеспечивающие подачу и вывод рабочих жидкостей.

Недостатком известной системы также является невозможность проводить исследования по влиянию акустического воздействия на проницаемость образца горной породы.

Известна экспериментальная установка для исследования механизма воздействия упругих волн на процесс фильтрации (Марфин Е.А., Абдрашитов А.А., Беляев Е.В. Экспериментальная установка для исследования механизма воздействия упругих волн на процесс фильтрации // Труды РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина. 2014. № 2. C. 17 - 25.), которая содержит трубу, заполненную пористой средой, насос, подающий жидкость в пористую среду с постоянным расходом, дифференциальный манометр, генератор электрических колебаний, излучатель колебаний, преобразующий электрический сигнал в механические колебания, приемная камера, установленная на выходе из трубы, предназначенная для передачи упругих колебаний от излучателя к модели пласта. Данная система принята за прототип.

Недостатками известной установки является отсутствие системы обжима и противодавления, что не позволяет проводить исследования в условиях, приближенным к пластовым. Также к недостаткам известной установки можно отнести то, что после прохождения модели пласта жидкость меняет свои свойства, что негативно сказывается на результаты исследований, проводимых на данной установке. В установке используется насыпная модель, что должным образом не обеспечивает передачу упругих колебаний.

Задача, на решение которой направленно заявляемое изобретение, - обеспечение возможности проводить исследования по определению проницаемости при воздействии акустических колебаний в условиях, приближенных к пластовым.

Поставленная задача была решена за счет того, что известная экспериментальная установка, включающая кернодержатель с установленным в нем исследуемым образцом горной породы, насос для подачи жидкости в пористую среду с постоянным расходом, дифференциальный датчик давления, излучатель колебаний Ланжевена, преобразующий электрический сигнал в механические колебания, подключенный к генератору электрических колебаний, приемную камеру, соединенную с кернодержателем, систему трубопроводов для подачи и отвода рабочих жидкостей, согласно изобретению дополнительно снабжена системой создания давления обжима для обеспечения пластового давления в образце, аккумуляторами с рабочими жидкостями, термошкафом, обеспечивающим поддержание постоянной температуры флюида и образца горной породы, мерной емкостью с весами для определения объема жидкости на выходе из кернодержателя, регулятором противодавления, подключенным после кернодержателя к трубопроводу между кернодержателем и мерной емкостью к трубопроводу на выходе из кернодержателя, при этом в кернодержателе установлена резиновая манжета, в качестве насоса использован двухцилиндровый насос, обеспечивающий подачу флюида в кернодержатель при постоянном расходе или постоянном давлении, приемная камера выполнена в виде полой конусообразной детали, имеющей два патрубка: нижний для отвода фильтруемой жидкости в регулятор противодавления и далее в мерную емкость, и верхний для подключения дифференциального датчика давления, на конце камеры имеется уплотнительная крышка, на которую навинчен излучатель Ланжевена.

Наличие резиновой манжеты в кернодержателе, в которую помещается образец, и системы создания давления обжима обеспечит всесторонний обжим образца горной породы, что позволяет проводить исследования в условиях, приближенным к пластовым и предотвращает прохождение жидкости вне образца.

Подключение регулятора противодавления после кернодержателя / к трубопроводу между кернодержателем и мерной емкостью / к трубопроводу на выходе из кернодержателя обеспечивает создание давления на выходе из образца, что также позволяет проводить исследования в условиях, приближенным к пластовым.

Применение двухцилиндрового насоса и аккумуляторов с рабочими жидкостями обеспечивает подачу флюида в кернодержатель при постоянном расходе или постоянном давлении. Наличие трех аккумуляторов позволяет проводить исследования при многофазной фильтрации. При этом флюид после прохождения образца горной породы не используется повторно, что не повлияет на точность результатов исследований.

Выполнение приемной камеры в виде полой конусообразной детали, соединенной с кернодержателем при помощи полой втулки, и имеющей два патрубка и уплотнительную крышку, на которую навинчен излучатель Ланжевена позволит проводить исследования по влиянию акустического воздействия на проницаемость образца горной породы.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 показана динамика проницаемости образца горной породы в течении эксперимента.

На фиг. 3 показана динамика давления перед образцом и после его прохождения.

Стенд включает в себя кернодержатель 1, с установленными в нем резиновой манжетой 2 и образцом горной породы 3, термошкаф (не показан на чертеже), обеспечивающий поддержание постоянной температуры флюида и образца горной породы, двухцилиндровый насос 4, обеспечивающий подачу флюида в кернодержатель 1 при постоянном расходе или постоянном давлении, дифференциальный датчик 5, регулятор противодавления 6, регулирующий противодавление в системе при исследованиях в нестационарных условиях при пластовом давлении и температуре, систему создания давления обжима, состоящую из насоса обжима 7 и трубопроводов для обеспечения пластового давления в образце, аккумуляторы с рабочими жидкостями 8, система трубопроводов, обеспечивающие подачу и вывод рабочих жидкостей, мерную емкость с весами 9 для определения количества жидкости, вышедшего из кернодержателя 1. Регулятор противодавления 6 подключен после кернодержателя 1 к трубопроводу между кернодержателем 1 и мерной емкостью 9 к трубопроводу на выходе из кернодержателя 1.

Предлагаемый стенд содержит приемную камеру 10, соединяющуюся с кернодержателем 1 при помощи полой втулки. Камера 10 представляет собой полую конусообразную деталь и имеет два патрубка: нижний для отвода фильтруемой жидкости в регулятор противодавления 6 и далее в мерную емкость, и верхний для подключения дифференциального датчика давления 5. На конце камеры 10 имеется уплотнительная крышка. На крышку навинчивают излучатель Ланжевена 11. Излучатель Ланжевена 11 подсоединяют проводами к генератору сигнала 12.

Устройство работает следующим образом.

Вода насосами 4 подается в емкости 8. Поршни, находящиеся емкостях 8, выдавливают флюид, который по трубопроводам попадает в кернодержатель 1. Трубопроводы проведены таким образом, что флюид попадает сразу на образец горной породы 3.

Насос 7 подает воду по трубопроводам в кернодержатель 1. Вода под давлением прижимает резиновую манжету 2 к образцу горной породы 3.

Флюид после прохождения образца горной породы 3 проходит через полую втулку и попадает в камеру 10. В результате возвратно-поступательных движений элементов излучателя 11 на крышке камеры 10 создается вибрация. Вибрация передается через жидкость, заполняющую камеру 10, и втулку на конец образца горной породы 3. Далее энергия распространяется на всю матрицу исследуемого образца 3 и жидкость, заполняющую поровое пространство.

В это время дифференциальные датчики давления 5 регистрируют изменение перепада давления до и после прохождения жидкости через образец 3.

Далее отфильтрованная жидкость по трубопроводам попадает на регулятор противодавления 6, а после на мерную емкость с весами 9, необходимую для замера количества вышедшей жидкости.

По известным значениям динамической вязкости флюида, длины образца горной породы и площади поперечного сечения, а также по измеренным значениям перепада давления и расхода флюида на выходе из образца рассчитывается проницаемость согласно уравнению Дарси:

, мкм²,

где Q - расход флюида, м3/с;

- динамическая вязкость флюида, мПа*с;

L - длина образца, м;

- дифференциальное давление, МПа;

F - площадь поперечного сечения образца, м².

Использование предложенного устройства позволит проводить исследования по влиянию акустических колебаний на разблокирование порового пространства горных пород в условиях, приближенным к пластовым.

С целью показать практическое применение заявляемого устройства приведен пример измерения проницаемости образца под действием акустических колебаний. Образец представляет собой цилиндрический песчаник, длиной 29,65 мм и диаметром 30,56 мм. Пористость по керосину составляет 17,62%, проницаемость по керосину 199,3 мД. В эксперименте использовалась нефть плотностью 0,764 г/см³, вязкостью 3,96 мПа*с при температуре эксперимента 25°С.

Программа эксперимента по исследованию проницаемости под действием акустических колебаний следующая:

1) Загрузка образца песчаника в кернодержатель. Загрузка емкости нефтью.

2) Обжим образца горной породы давлением 1000 psi с помощью системы обжима. Для экономии времени, конус заполняется той же самой нефтью.

3) Нагрев термошкафа до 25°С. Кернодержатель и емкость с нефтью находятся в термошкафе.

4) Осуществление прокачка нефти через образец горной породы с подачей насосов 2 мл/мин. Первые 20 минут происходит фильтрация без использования излучателя Ланжевена

5) Далее включение излучателя Ланжевена, частотой 28 кГц. Время работы излучателя в эксперименте составило 10 минут. Фильтрацию под действием акустических колебаний производили с интервалом 10 минут для первых трех включений излучателя. Для вторых трех включений излучателя интервал увеличивали до 20 минут.

6) Для определения проницаемости после проведения эксперимента образец фильтровали 30 минут без использования излучателя.

Результаты эксперимента представлены на фиг.2 и 3.

На фиг.2 показана динамика проницаемости образца горной породы во время эксперимента, на фиг.3 представлено изменение давления до и после образца. Желтым цветом выделены периоды активации излучателя. В первые 20 минут эксперимента наблюдается уменьшение проницаемости образца с 71 мД до 33 мД. Это происходит из-за того, что парафины, содержащиеся в нефти, кольматируют поровое пространство образца. Давление на входе в образец в это время увеличивается и достигает 155 psi.

Во время активации излучателя парафины, осевшие в образце, под действием акустических вибраций отлипают от зерен песчаника. Далее парафин уносится из образца потоком нефти. Происходит очищение образца горной породы, тем самым проницаемость восстанавливается до 54 мД.

Таким образом, акустические колебания способствуют разблокировке порового пространства горных пород, а предлагаемое устройство позволяет проводить данные исследования в реальных условиях, тем самым дает возможность лучше понять процесс фильтрации в пласте при волновом воздействии.

Использование: для исследования влияния акустических вибраций на проницаемость образцов горных пород. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит кернодержатель с установленными в нем резиновой манжетой и образцом горной породы, термошкаф, обеспечивающий поддержание постоянной температуры флюида и образца горной породы, двухцилиндровый насос, обеспечивающий подачу флюида в кернодержатель при постоянном расходе или постоянном давлении, дифференциальные датчики низкого и высокого давления, регулятор противодавления, регулирующий противодавление в системе при исследованиях в нестационарных условиях при пластовом давлении и температуре, система создания давления обжима для обеспечения пластового давления в образце, аккумуляторы с рабочими жидкостями, система трубопроводов, обеспечивающие подачу и вывод рабочих жидкостей, мерную колбу с весами, для определения количества жидкости, вышедшего из кернодержателя, приемной камерой, соединенной с кернодержателем, представляющей собой полую конусообразную деталь, имеющую два патрубка, при этом на конце камеры имеется уплотнительная крышка, на которую навинчен излучатель Ланжевена, который подсоединен проводами к генератору сигнала. Технический результат: обеспечение возможности проводить исследования по определению проницаемости при воздействии акустических колебаний в условиях, приближенных к пластовым. 3 ил.

Стенд для исследования влияния переменного нагружения горных пород на фильтрацию жидкости, включающий кернодержатель с установленным в нем исследуемым образцом горной породы, насос для подачи жидкости в пористую среду с постоянным расходом, дифференциальный датчик давления, излучатель колебаний Ланжевена, преобразующий электрический сигнал в механические колебания, подключенный к генератору электрических колебаний, приемную камеру, соединенную с кернодержателем, систему трубопроводов для подачи и отвода рабочих жидкостей, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен системой создания давления обжима для обеспечения пластового давления в образце, аккумуляторами с рабочими жидкостями, термошкафом, обеспечивающим поддержание постоянной температуры флюида и образца горной породы, мерной емкостью с весами для определения объема жидкости на выходе из кернодержателя, регулятором противодавления, подключенным после кернодержателя к трубопроводу между кернодержателем и мерной емкостью к трубопроводу на выходе из кернодержателя, при этом в кернодержателе установлена резиновая манжета, в качестве насоса использован двухцилиндровый насос, обеспечивающий подачу флюида в кернодержатель при постоянном расходе или постоянном давлении, приемная камера выполнена в виде полой конусообразной детали, имеющей два патрубка: нижний для отвода фильтруемой жидкости в регулятор противодавления и далее в мерную емкость, и верхний для подключения дифференциального датчика давления, на конце камеры имеется уплотнительная крышка, на которую навинчен излучатель Ланжевена.