Плунжер кернового зажима
CORE CLAMP PLUNGER

Область техники
Изобретение относится к устройствам для исследования свойств образцов керна горных пород в лабораторных условиях и может найти применение в геологии, горной и нефтегазодобывающей промышленности для оценки газонасыщенности образцов в условиях, близких к пластовым.
Уровень техники
Известен кернодержатель, раскрытый в авторском свидетельстве СССР № SU941560 (опубл. 07.04.88, МПК G01N 15/08). Известный кернодержатель содержит цилиндрическую камеру, перфорированнуо гильзу с эластичной манжетой внутри, каналы для подвода в полость эластичной манжеты и отвода из нее флюида, размещенные в полости эластичной манжеты, и проходящие через отверстия в крышках плунжеры с гнездами, в которых установлены электрические пьезопреобразователи, электроиэоляционные прокладки, размещенные на боковых поверхностях плунжеров, и узел перемещения плунжера. Гнезда под электрические пьезопреобразователи выполнены на торцах плунжеров, расположенных вне цилиндрической камеры, каналы для подвода в полость эластичной манжеты и отвода из нее флюида выполнены в теле плунжеров. Также в плунжерах выполнены каналы для термопары.
Известно устройство для изучения физических свойств образцов горных пород, раскрытое в патенте РФ на изобретение № RU 2 223 400 (опубл. 18.04.2019, МПК G01N 15/08). Известное устройство содержит камеру с кернодержателем, систему подачи и отвода флюида, систему, создающую обжимающее давление, измерительную систему. Система подачи флюида подключена к камере через вентиль, в котором элементы, направляющие и запирающие движение потока, выполнены из электроизоляционного материала, а камера включает корпус, неподвижную торцовую втулку, герметизированную уплотнительным кольцом, полый шток, соединенный с системой, подающей флюид через вентиль, подвижную торцовую втулку с центральным отверстием под шток, внешнюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала, с центральным отверстием, соосным полому штоку, внутреннюю направляющую втулку, выполненную из электроизоляционного материала с центральным отверстием, герметизированным уплотнительным кольцом и  подвижный торцовый электрод, имеющий центральный канал, соединенный с полым штоком. Запирающий элемент может быть выполнен в виде плунжера.
Известен плунжер кернового зажима, раскрытый в авторском свидетельстве СССР № SU949426 (опубл. 07.08.1982, МПК G01N 15/08) – прототип. Известный плунжер содержит корпус с входной поровой насадкой, размещенной в торцовой части корпуса и сообщенной с каналами подвода газовой и жидкой фаз, при этом плунжер снабжен дополнительной выходной поровой насадкой и пластиной, установленной между насадками, в которой имеются вертикальные отверстия и радиальные каналы на поверхности, контактирующей с выходной насадкой, причем радиальные каналы сообщены с каналом подвода жидкой фазы.
Общим недостатком известных аналогов является наличие мертвых объемов в подходящих к плунжеру трубках и других элементах установки. Наличие мертвых объемов приводит к недостаточной точности оценки газонасыщенности образцов керна.
Раскрытие сущности изобретения
Техническая задача, положенная в основу настоящего изобретения, заключается в устранении мертвого объема газа в подводящих трубках, с которыми сообщен плунжер кернового зажима.
Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в обеспечении возможности отсечения подводящих линий внутри плунжера в непосредственной близости от исследуемого образца горной породы.
В качестве изобретения заявлен плунжер кернового зажима. Заявленный плунжер включает корпус, в котором размещены привод, игла плунжера и седло. Привод способен перемещать иглу плунжера в направлении седла, внутреннее пространство которого сообщено с образцом керна и, по меньшей мере, с одним каналом, выполненным в корпусе плунжера и соединенным трубками пластовой системы. По меньшей мере один из упомянутых каналов способен отсекаться в результате вхождения иглы плунжера в седло. В корпусе плунжера также выполнен дополнительный канал с возможностью измерения через него газонасыщенности образца керна, при этом указанный дополнительный канал сообщен с образцом керна.
Дополнительные признаки и преимущества заявленного изобретения представлены в следующих частных вариантах его осуществления.
В частности, игла выполнена с различными поперечными сечениями в рабочей и управляющей зонах. Диаметр сечения оконечной части иглы в управляющей зоне (области вблизи источника подачи управляющего давления) больше, что позволяет снизить указанное давление.
В частности, элементы плунжера, контактирующие с образцом керна, электрически изолированы.
В частности, привод иглы представлен гидравлическим или пневматическим приводом.
В частности, седло выполнено из полиэфирэфиркетона.
В частности, седло закреплено в корпусе плунжера прижимным винтом с возможностью быстрой замены седла в случае такой необходимости.
В частности, гидравлический привод иглы снабжен диэлектрической шайбой.
В частности, в корпусе плунжера выполнено отверстие для установки термопары или термосопротивления.
В частности, рабочая жидкость гидравлического привода является диэлектрической. В качестве таковой может быть использовано трансформаторное масло.
В частности, дополнительный канал трубкой соединен с устройством, снабженным камерой, которая способна контролируемо изменять свой объем. В качестве упомянутого устройства может быть использован плунжерный насос.
Краткое описание чертежей
ФИГ.1 иллюстрирует плунжер в режиме исследования газонасыщенности образца керна;
ФИГ.2 иллюстриурет плунжер в режиме фильтрации потока;
ФИГ.3 иллюстрирует расположение в плунжере подводящих трубок пластовой системы с торца плунжера;
ФИГ.4 иллюстрирует конструкцию из входного и выходного плунжера.
ФИГ.5 иллюстрирует конструкцию кернодержателя, снабженного входным и выходным плунжерами.
Описание варианта осуществления изобретения
В соответствии с ФИГ.1 в корпусе плунжера размещен гидравлический привод 1, способный перемещать иглу плунжера 3 вдоль горизонтальной оси. Поперечное сечение иглы в рабочей и управляющей зонах выполнено различным, за счет чего обеспечивается управляющее давление иглы 3, которое существенно ниже пластового. В центральной области корпуса плунжера установлена проставка 2, которая изготовлена из диэлектрического материала, что позволяет изолировать зону пластовых флюидов, керна и примыкающей к нему головки плунжера от остальной конструкции установки. В торцевой части корпуса установлено седло 4, проходной канал которого выполнен таким образом, чтобы иметь возможность запираться иглой 3. Седло зафиксировано в корпусе посредством прижимного винта 10, позволяющего легко обслуживать данный узел.
Проставка 2 и седло 4 могут быть выполнены из электроизолирующего материала, например, полиэфирэфиркетона (PEEK), что позволяет электрически изолировать иглу 3 от остальной конструкции. Помимо этого, выполнение седла 4 из упомянутого материала позволяет обеспечить работу в условиях агрессивных сред, с широким спектром химически активных флюидов и газов. Электрическая изоляция иглы 3 при помощи проставки 2 и диэлектрической жидкости в зоне 1 позволяет осуществлять замер электросопротивления исследуемого образца. Если необходимость работы в условиях агрессивной среды отсутствует, то в качестве материала проставки 2 и седла 4 может быть использован иной электроизоляционный материал, необязательно PEEK.
Гидравлический привод 1 сообщен с каналом 7. В качестве рабочей жидкости привода 1 используется диэлектрическая жидкость, например, трансформаторное масло, что исключает электрический контакт иглы с другими элементами плунжера. Поршень гидравлического привода снабжен диэлектрической шайбой 13 в управляющей зоне иглы 3.
В корпусе плунжера может быть выполнено отверстие 9 для установки термопары или термосопротивления для контроля пластовой температуры в ходе эксперимента.
Проход флюидов к исследуемому образцу горной породы осуществляется через трубки 11 пластовой системы, которые сообщены с седлом 4 через каналы 12.
В процессе фильтрации потока (положение частей показано на ФИГ.2) плунжер работает следующим образом.
Игла 3 находится вне седла 4, что позволяет флюидам проходить по трубкам 11 сквозь каналы и внутреннему пространству седла 4 к исследуемому образцу горной породы, размещенному с торца плунжера. Давление в канале 7 не поднимается. Игла 3 под действием пластового давления прижимается к диэлектрической шайбе 13, не контактируя с корпусом плунжера и обеспечивая возможность замера электрического сопротивления образца.
В процессе проведения замера газонасыщенности образца горной породы (положение частей показано на ФИГ.1) плунжер работает следующим образом.
Через канал 7 в область гидравлического привода 1 подается давление для создания гидравлического усилия и перемещения иглы 3 к седлу 4. Конкретные значения давления зависят от текущих параметров конкретного эксперимента. В результате игла 3 упирается в седло и отсекает каналы 12 от пластовой системы. Один из каналов 12 остается открытым и гидравлически соединенным с образцом керна (канал условно не показан), через этот канал осуществляется измерения газонасыщенности образца керна PV методом. Изменение давления в гидравлическом контуре, образованным подводящими трубками, каналами и приводом, для проведения измерений обеспечивается устройством с камерой, которая способа контролируемо изменять свой объем. Таковы устройством может являться плунжерный насос, снабженный или связанный с компьютерной системой управления. Помимо плунжерного насоса могут быть использованы, например, мембранный насос или шестеренчатый насос. По окончании замера давление в гидравлическом приводе 1 опускается до атмосферного, и игла под влиянием пластового давления возвращается в положение частей, изображенное на ФИГ.2.
В соответствии с ФИГ.3 конструкция плунжера имеет три трубки 11 для подачи пластовых флюидов и/или осуществления замера на датчиках дифференциального давления. В зависимости от требуемого режима работы, количество подводящих трубок 11 может быть изменено.
В соответствии с ФИГ.4 заявленный плунжер может быть использован в конструкции кернодержателя следующим образом. Образец керна 14 устанавливается между входным плунжером 15 и выходным плунжером 16 описанной конструкции, кернодержатель условно не показан. Две трубки 11(1) входного плунжера 15 служат для подачи различных флюидов к образцу керна 14, а трубка 11(2) входного плунжера 15 служит для замера дифференциального давления и также подведена к торцу образца керна 14. Через выходной плунжер 16 осуществляется выход флюидов. Трубка 11(4) служит для слива смеси флюидов вышедших из образца, через трубку 11(5) осуществляется замер дифференциального давления с выходного торца керна. Через трубку 11(3) осуществляется замер газонасыщенности PV методом, и как видно из ФИГ.5 даже в момент, когда игла запирает каналы остальных трубок, трубка 11(3) остается сообщена с образцом керна 14 с помощью канала 19.
Комплект заявленных плунжеров может применяться в кернодержателях различных конструкций. На ФИГ.5 условно показаны сам кернодержатель 17, манжета 18 и образец керна 14. Системы создания горного давления и иные конструкционные элементы условно не показаны. При сохранении принципа использования набора плунжеров с соответствующими трубками можно осуществлять замер газонасыщенности на образцах любых диаметров и длины.