Устройство для определения фильтрационных свойств горных пород Советский патент 1993 года по МПК G01N15/08 

Изобретение относится к технике исследования физических свойств пористых тел, а именно, к исследованию фильтраци- онных свойств горных пород в условиях повышенных давлений.

Целью изобретения является универ- сальность устройства и стабильность его работы.

Указанная цель достигается тем, что устройство для определения фильтрационных свойств горных пород, содержащее закрепленный на станине корпуса камеры высокого давления в виде полого металлического цилиндра с боковым каналом со штуцером для подсоединения к системе гидрообжима

и поступления обжимающей жидкости во внутреннюю полость камеры высокого давления и боковым каналом с запорным вентилем для отвода газа из внутренней полости камеры высокого давления, металлическую вставку с подводящим и отводящим флюид каналами со штуцерами для подсоединения к гидравлической схеме установки, кернодержатель с эластичной манжетой с образцом горной породы, переходной втулкой с вытачкой для гидрав лической связи с коммуникациями устройства и силовым штоком с двумя взаимно перпендикулярными каналами, несквозны с осевым и- сквозным горизонтальным канаш о

со ш ю

лами для гидравлической связи с вытачкой переходной втулки, плунжер, соединенный с нижней частью силового штока, полый силовой цилиндр с каналом со штуцером для подсоединения к системе гидрообжима и создания через плунжер и силовой шток давления осевого сжатия на образец горной породы и осевым каналом, Ъ котором установлен индикатор линейных перемещений с держателем для измерения величины ли- нейной (осевой) деформации образца, уп- лотнительные кольца, установленные для герметичности устройства, согласно изобретению между осевым несквозным каналом и боковой поверхности силового штока дополнительно введены два горизонтальных канала, расположенные перпендикулярно осевому нескоозному каналу над и под сквозным горизонтальным каналом на расстоянии внутренней высоты вытачки ме- таллической переходной втулки относительно оси сквозного горизонтального канала.

Заявляемое устройство отличается от основного тем, что между осевым несквозным каналом и боковой поверхностью сило- вого штока дополнительно введены два канала, расположенные перпендикулярно осевому несквозному каналу над и под сквозным горизонтальным каналом на расстоянии внутренней высоты вытачки пере- ходной втулки относительно сквозного горизонтального канала.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Универсальность и стабильность рабо- ты устройства определяется, главным образом, поведением и конструктивными особенностями силового штока, на который через плунжер оказывает давление система гидрообжима, создавая внешний осевой обжим Рос на исследуемый образец горной породы. При этом силовой шток в зависимости от деформационной способности образца поднимается на высоту линейной деформации исследуемого образца, фикси- руемую индикатором линейных перемещений. Наличие в силовом штоке между несквозным осевым каналом и боковой поверхностью силового штока двух дополнительно введенных каналов, расположенных перпендикулярно осевому несквозному каналу над и под сквозным горизонтальным каналом на расстоянии внутренней высоты вытачки переходной втулки относительно оси сквозного горизонтального канала обеспечивает гидравлическую связь с коммуникациями канала устройства, универсальность и стабильность работы устройства. Дополнительно введенный верхний канал над сквозным горизонтальным

каналом силового штока используется в работе устройства при лабораторных исследованиях образцов горных пород с малой деформационной способностью и длиной в пределах 30-440 мм. Профильтровавшийся через образец флюид поступает в осевой несквозной канал силового штока, из него при максимальной длине образца в верхний горизонтальный канал, переходную втулку, из которой через вытачку переходной втулки будет иметь доступ к коммуникациям установки. Нижний горизонтальный канал, расположенный под сквозным горизонтальным каналом силового штока, используется в работе устройства при лабораторных исследованиях образцов горных пород с большой деформационной способностью и минимальной длине порядка 20 мм.

Известный сквозной горизонтальный канал, имеющийся между ними, обеспечивает работу устройства при высоте образцов горных пород равной 30 мм, или при исследовании образцов горных пород с большой деформационной способностью, является промежуточным каналом между дополнительно введенными верхним и нижним горизонтальными каналами, обеспечивающим гидравлическую связь с переходной втулкой, а из нее через вытачку переходной втулки с коммуникациями устройства.

На фиг.1 показано взаимное расположение элементов заявляемого устройства для определения фильтрационных свойств горных пород в рабочем режиме; на фиг.2 - отдельный узел устройства, кернодержа- тель; на фиг.З - отдельный элемент устройства; силовой шток.

Устройство (фиг.1) состоит из корпуса камеры 1 в виде полого металлического цилиндра, во внутреннюю полость которого ввинчена металлическая вставка 2 в сборе с кернодержателем 3, Для создания герметичности вставки 2 использованы уплотни- тельные кольца из бронзы 4, из фторопластов 5, а также из нержавеющей стали 6. Вставка 2 выполнена с подводящим 7 и отводящим 8 флюид каналами, в которые установлены штуцеры 9, 10. Кернодержа- тель 3 крепится к вставке 2, например, при помощи болтов. В боковой части корпуса 1 имеется канал 11 для подачи обжимающей жидкости во внутреннюю рабочую полость 12 камеры 1 и канал 13 для отвода газа из внутренней полости 12 камеры 1 по мере заполнения ее обжимающей жидкостью. Каналы 11 и 13 выполнены с резьбами в наружной части. В канал 11 установлен штуцер 14, а в канал 13 - запорный вентиль 15. В нижнюю часть корпуса 1 ввинчен полый силовой

цилиндр 16 с внутренним переменным диаметром в сборе с плунжером 17 переменного диаметра, выполненного соразмерно с внутренними диаметрами полого силового цилиндра 16. Для герметичности полого силового цилиндра 16 в корпусе камеры 1 установлены уплотнительные кольца 18. В боковой стенке полого силового цилиндра 16 горизонтально расположен канал 19 с резьбой в наружной части, в которой установлен штуцер 20 для подключения в системе гидрообжима, создающей осевое давление на плунжер 17. Соосно с плунжером 17 к силовому цилиндру 16 при помощи держателя, состоящего из корпуса держателя 21, муфты 22, прижимного винта 23, крепится неподвижная часть 24 индикатора 25 линейных перемещений. Подвижная часть индикатора 26 линейных перемещений касается нижнего торца плунжера 17. Для уплотнения держателя 21 использованы уплотнительные кольца 27. Устройство крепится на станине 28.

На фиг.2 показан отдельный узел устройства, кернодержатель 3, в котором в эластичной манжете 29 заключен образец 30 горной породы, переходная втулка 31 с вытачкой 32, силовой шток 33. На фиг.З показан отдельный элемент устройства - силовой шток 33 с несквозным осевым каналом 34, сквозным горизонтальным каналом 35 и двумя каналами 36, 37.

Устройство работает следующим образом,

После сборки устройство подключается к установке для определения фильтрацион- ных свойств горных пород. При подсоединении устройства к системе гидрообжима для создания осевого Рос и бокового Рбок давлений, которые могут быть неравные между собой, использованы раздельные источники давления, например, в виде компрессора, гидравлического пресса, насоса и т.д. Через канал 11 со штуцером 14 и канал 19 со штуцером 20 создаются равномерно пропорциональные давления Рос и Рбок, а через штуцеры 9 и 10 с подводящим 7 и отводящим 8 флюид каналами осуществляется фильтрация рабочего агента через исследуемый образец 30 горной породы. Каналы выполнены с резьбой в наружной части, в которые установлены штуцеры.

Создаваемые напряжения на образец породы Рос и Рбок вызывают деформацию исследуемого образца.

При подсоединении устройства к системе, гидрообжима для создания осевого давления Рос во внутреннюю полость металлического полого силового цилиндра 16 через штуцер 20 и канал 19 подается

рабочий агент. Полый силовой цилиндр 16 выполнен с внутренним переменным диаметром, что позволяет соразмерно разместить в нем плунжер 17 переменного диаметра, выполненного ступенчато с большим диаметром в верхней части и меньшим диаметром в нижней части. Нижняя часть плунжера 17 меньшего диаметра позволяет через осевое отверстие с резьбой в наружной части и установленный в него держатель 21 , в нижней части полого силового цилиндра 16 соосно подсоединить подвижную часть 26 индикатора 25 линейных перемещений, служащего для измерения осевых

линий деформаций исследуемого образца 30. Для герметичности полого силового цилиндра 16 а корпусе камеры 1 установлены уплотнительные кольца.

Металлический держатель, состоящий

из корпуса держателя 21, муфты 22 и прижимного винта 23 надежно удерживает неподвижную часть 24 индикатора 25 линейных перемещений так, что подвижная часть 26 индикатора 25 линейных перемещений касается торца нижней части плунжера 17 переменного диаметра. Для уплотнения держателя 21 в корпусе полого силового цилиндра 16 использованы уплотнительные кольца 27.

Рабочий агент под давлением попадает под верхнюю часть плунжера 17 большего диаметра и толкает его вверх. Осевое давление на образец 30 создается при помощи силового штока 33 соосно соединенного с

плунжером 17, прижимая образец 30 к неподвижной вставке 2. Под действием напряжения Рос образец испытывает линейную осевую деформацию, о которой свидетельствует движение силового штока 33 и соосно соединенного с ним плунжера 17. Подвижная часть 26 индикатора 25 следует за движением плунжера 17 и отклонение стрелки на индикаторе 25 показывает величину линейных деформаций, которая используется для расчета коэффициента проницаемости КПр образца 30 горной породы.

50

Кпр

где Q - расход жидкости или газа, протекающего через образец;

/г- вязкость жидкости или газа; 1 - длина образца;

АР Pi-Pa - разность давлений жидкости или газа на входе и на выходе из образца:

F ЛГ2 - площадь поперечного сечения образца с радиусом.

Для большей достоверности и точности определения КПр используют значения линейной осевой деформации Д| и поперечной радиальной деформации А г образца 30 горной породы.

При создании бокового давления Рбок на образец обжимающая жидкость через штуцер 14, затем канал 11 поступает во внутреннюю полость 12 металлической полой однослойной камеры высокого давления 1. Давление обжимающей жидкости передается через кернодержатель 3 в эластичную манжету 29 и затем на боковую поверхность образца 30 горной породы.

Газовый пузырь, образованный по мере заполнения обжимающей жидкости внутренней полости 12 камеры высокого давления выводится наружу через канал 13 с запорным вентилем 15. Это позволяет создать равномерное боковое сжатие Рбок образца.

Из соотношения AV AF AI

или

ДУ я-Дг2-Д

(2)

где AV - изменение объема образца;

A F - изменение площади поперечно- .го сечения образца;

А г - поперечная радиальная деформация образца;

А - осевая линейная деформация образца.Определяем поперечную радиальную деформацию образца.

Поперечная радиальная деформация А г образца прямо пропорциональная изменению объема AV образца при действии на него давления бокового сжатия Рбок. Причем AV образца равна количеству обжимающей жидкости, фиксируемой на шкале гидропресса, поступившей во .внутреннюю полость камеры высокого давления 1 для сжатия образца 30 от начального значения Р бок до заданного. Завершение деформации устанавливается по прекращении движения стрелки индикатора 25 линейных перемещений.

Полученные значения Дг и А используются для определения коэффициента проницаемости Кпр, обусловленной наличием деформации исследуемого образца. Через штуцеры 9 и 10 и каналы 7 и 8 в металлической вставке 2, которая ввинчивается во внутреннюю полость камеры 1 высокого давления и присоединяется к кододержателю 3, устройство подсоединяют к гидравлической схеме установки. При подключении устройства к гидравлической системе установки устанавливают необходимые величины давлений Pi и Ра (например с помощью редукторов).

Затем создается перепад давлений и осуществляется фильтрация рабочего агента через испытуемый образец 30 горной по0 роды. При этом фильтрация через образец 30 может осуществляться как в стационарном (при постоянном перепаде давлений), так и в нестационарном (при переменном перепаде давлений) режимах фильтрации.

5 Фильтрующий агент под давлением Pi через штуцер 9, подводящий флюид канал 11 во вставке 2 равномерно распределяется по всей поверхности торца образца 30 горной породы.

0 Профильтровавшийся через образец агент (флюид) поступает в осевой несквозной канал 34 силового штока 33, откуда поступает в горизонтальный канал 36 силового штока 33. После этого профильтровавшийся

5 флюид поступает в переходную втулку 31 с вытачкой 32, откуда подается через коммуникации устройства в измерительное устройство, например в расходомер. При исследовании сильносжимаемых образцов

0 с повышенной деформационной способностью или образцов в диапазоне 30-20 мм длиной силовой шток 33 может подняться выше уровня сквозного горизонтального канала 35 силового штока 33 и выше, до уров5 ня канала 37 относительно вытачки 32 переходной втулки 31.

Количество профильтровавшегося через образец рабочего агента так же, как перепад давлений Р вводится в формулу (1)

0 для определения коэффициента проницаемости КПр исследуемого образца горной породы в условиях действия на образец давлений гидрообжима Рос и Рбок.

Применение силового штока с дополни5 тельно введенными каналами между несквозным осевым каналом и боковой поверхностью силового штока перпендикулярно несквозному осевому каналу над и под сквозным горизонтальным каналом и

0 расположенными на расстоянии не больше высоты вытачки переходной втулки керно- держателя относительно оси сквозного горизонтального канала силового штока позволяет сохранить гидравлическую связь

5 коммуникаций устройства при измерении фильтрационных свойств горных пород, производить эксперименты на образцах произвольных размеров (длины) в пределах . 20-40 мм, отличающихся от постоянного размера образца 30 мм как в прототипе и

расширить диапазон измеряемых величин деформаций образцов горных пород. В результате устройство работает универсально и стабильно.

Формул а изобретения

Устройство для определения фильтра- цирнных свойств горных пород по авт.се. № 1409894, отличающееся тем, что, с целью расширения класса исследуемых об0

разцов горных пород, между осевым несквозным каналом и боковой поверхностью силового штока кернодержателя дополнительно введены два канала, расположенные перпендикулярно осевому несквозному каналу над и под сквозным горизонтальным каналом на расстоянии, не большем внутренней высоты вытачки переходной втулки кернодержателя относительно оси сквозного горизонтального канала. &Ю

Использование: определение фильтра- ционных свойств горных пород в технике исследования физических свойств пористых тел, а именно к исследованию фильтрзцион- Ных свойств горных пород в условиях повышенных давлений. Сущность изобретения: Силовой шток, который входит в кернодер- жатель, имеет взаимно перпендикулярные каналы, один из которых несквозной осевой, другой сквозной горизонтальный. Между осевым несквозным каналом и боковой поверхностью силового штока выполнены два канала, расположенные перпендикулярно осевому несквозному каналу над и под сквозным горизонтальным каналом на расстоянии не большем внутренней высоты вытачки переходной втулки относительно оси сквозного горизонтального канала. Использование двух дополнительно введенных каналов в силовом штоке позволяет производить эксперименты на образцах произвольных размеров (длины) в пределах 20-40 мм и расширить диапазон измеряемых величин деформации образцов горных пород без нарушения гидравлической связи с коммуникациями устройства, отчега устройство становится универсальным и стабильным в работе. 3 ил.