УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ДИНАМИКИ ПРОЦЕССА ПРЯМОТОЧНОЙ КАПИЛЛЯРНОЙ ПРОПИТКИ ОБРАЗЦОВ ПОРОД
DEVICE FOR EVALUATION OF DYNAMICS OF PROCESS OF STRAIGHT-FLOW CAPILLARY SATURATION OF ROCK SAMPLES

Устройство для оценки динамики прямоточной капиллярной пропитки образцов пород относится к области петрофизических исследований пород лабораторными методами и может использоваться при разработке месторождений углеводородов. Это связано с тем, что в практике петрофизических исследований возникает ряд задач, связанных с модельным представлением вытеснения углеводородов водой из порового пространства пород. При этом часть углеводородов не вытесняется (защемляется). Имеются данные о высокой корреляционной связи количества защемленной фазы и углеводородоотдачи. То есть по данным прямоточной, капиллярной пропитки можно судить о количестве остаточного содержания углеводородов в разрабатываемых пластах. В настоящее время используемые установки для прямоточной капиллярной пропитки, то есть пропитки образцов породы при контакте с жидкой фазой, не позволяют исследовать временную динамику насыщения, которая необходима для более точной и более информативной оценки количества защемленных углеводородов. Капиллярная пропитка водой образцов пород широко используется в практике петрофизических исследований для решения многочисленных задач, связанных как с оценкой запасов, так и с разработкой месторождений углеводородов. К таким задачам, например, относятся определения пористости, определения электрического сопротивления, остаточного водонасыщения, моделирования процессов вытеснения флюидов из порового пространства и др. Для определения перечисленных параметров на первоначальном этапе образцы насыщаются водой. Методы и приборы для пропитки (насыщения) водой образцов пород не являются сложными и описаны в многочисленной петрофизической литературе (Кабранова В.Н., Извеков Б.И., Пацевич С.Л., Шварцман М.Д. Определение петрофизических характеристик по образцам. М.: Недра, 1977. 432 с.).
Также известны приборы для насыщения (пропитки) образцов водой, которые представляют из себя герметичные емкости для вакуумирования образцов и устройства подачи воды в эту емкость непосредственно под вакуумом. Вакуумирование необходимо для удаления воздуха из пор и более полного заполнения водой порового пространства водой. Наиболее распространенной является установка, используемая для метода определения коэффициента открытой пористости жидкостенасыщением, согласно ГОСТ 26450.1-85 ГОСУДАРСТВЕННОГО СТАНДАРТА СССР. Устройство дает возможность раздельного вакуумирования сухих образцов и насыщающей жидкости. Согласно ГОСТу насыщение образцов рабочей жидкостью проводят посредством постепенного ступенчатого залива водой в кристаллизаторе предварительно отвакуумированных образцов. Окончательную пропитку проводят при атмосферном давлении или в приборе высокого давления. Контроль насыщения осуществляют посредством достижения постоянного веса насыщенного водой образца.
Однако такое насыщение образцов водой или другими жидкостями не позволяет изучать динамику насыщения порового пространства в процессе прямоточной капиллярной пропитки образца и оценивать на основании полученных данных значения количества защемленного газа, так как для этого необходимо измерять объем жидкости, всасываемый за счет капиллярного эффекта в образец, непрерывно во времени в газовой среде. Эти данные являются ценной информацией при расчете коэффициента остаточного углеводородосодержания в процессе разработки месторождений нефти и газа.
В настоящее время круг задач, необходимых для решения вопросов повышения углеводородоотдачи, расширяется. В частности, все большее распространение получают методы, основанные на анализе динамики модельных процессов. В этой связи, перспективным является временной анализ динамики капиллярного насыщения образца водой в процессе прямоточной капиллярной пропитки. Для этого необходимо в процессе пропитки фиксировать объем заполнения пор водой во времени.
Наиболее близким по техническому решению к предложенному устройству является установка для капиллярной прямоточной пропитки, описанной в работе (Файзрахманов P.P. Процессы циклического вытеснения и капиллярной пропитки применительно к подземному хранению газа. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Институт проблем нефти и газа РАН, 2004 г.). Автор приводит схему и описание установки для капиллярной прямоточной пропитки образцов пород (фиг.1), которая содержит кернодержатель - 1, штатив - 2, емкость для воды - 3, электронные весы - 4 и компьютер с программным обеспечением - 5, искусственный керн - 6, резиновую манжету - 7, кернодержатель - 8, откидывающуюся крышку - 9, подстроечный винт - 10, второй штатив - 11.
Искусственный керн, помещенный в резиновую манжету 7, зажимается в кернодержателе 8. Кернодержатель, в свою очередь, устанавливается на весы 4. Емкость 3, с налитой дистиллированной водой, размещается на штативе 2 так, чтобы вводимый через специально вырезанное окошко образец оказался внутри сосуда 3, но выше уровня воды. При этом отслеживается, чтобы манжета и кернодержатель не касались стенок сосуда. Затем подстроечным винтом 10 на втором штативе 11 емкость с водой поднимается до тех пор, пока не происходит касание поверхности воды с нижним краем образца. В этот момент компьютер записывает начальное значение массы, которое высвечивается также на электронных весах. Далее снимаются показания весов через заданные промежутки времени для получения характеристики происходящего процесса. Автор отмечает, что по мере впитывания воды происходит понижение уровня жидкости. При этом сила Архимеда уменьшается, а погрешность, вносимая поверхностным натяжением, возрастает, так как для увеличения поверхности жидкости необходимо совершить работу, что и отражается в возрастании веса образца. Поэтому в данной методике встает вопрос определения истинной массы пропитанного образца. То есть установка фактически не пригодна для заявленных целей.
Целью предложенного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства насыщения образцов пород за счет обеспечения получения информации о динамике изменения веса образца, определяющей параметры процесса капиллярной прямоточной пропитки и устранения значительных погрешностей измерений, связанных с понижением уровня воды на границе контакта воды с образцом.
Поставленная задача решается за счет того, что устройство для оценки динамики насыщения образца в процессе прямоточной капиллярной пропитки, включающее образцовую камеру с образцом, находящимся в контакте с жидкостью, электронные весы, буферную емкость с водой и сосудом для автоматического поддержания уровня воды в устройстве, имеет образцовую камеру, гидравлически связанную с буферной емкостью через П-образный носик, который своим концом погружен в воду буферной емкости, что устранят возможность понижения уровня воды в образцовой камере при впитывании воды в образец и обеспечивает постоянный контакт торцевой части образца с водой. При этом жесткая или упругая связь образцовой камеры и буферной емкости отсутствует, что позволяет проводить независимое взвешивание образцовой камеры с образцом в процессе пропитки.
Сущность работы предложенного устройства поясняется фиг.2, где представлена функциональная блок-схема устройства, на которой цифрами показаны отдельные блоки и элементы установки: 1 - лабораторные электронные весы; 2 - образцовая камера; 3 - кольцевая опора для образца; 4 - крышка образцовой камеры; 5 - исследуемый образец; 6 - П-образный носик; 7 - буферная емкость с водой; 8 - сливной патрубок; 9 - сосуд автоматического долива воды; 10 - верхний кран; 11 - нижний кран; 12 - сливной наконечник.
Сосуд автоматического долива воды может устанавливаться различными способами, например с помощью штатива, или непосредственно крепится к буферной емкости.
Устройство работает следующим образом. Предварительно все компоненты устройства собираются согласно приведенной схеме (фиг.2), но без воды и образца - 3. Для этого на электронные весы 1 устанавливается образцовая камера 2. Далее буферная емкость 7 устанавливается таким образом, чтобы максимальный уровень воды в ней, контролируемый сливным патрубком, находился на одной линии с нижним торцом образца в образцовой камере. Затем крышка образцовой камеры 4 снимается, и через образцовую камеру заливается вода, уровень воды устанавливается автоматически, так как лишняя вода сливается через сливной патрубок 8 буферной емкости 7. Вода в образцовой камере 1 автоматически устанавливается на уровне верхнего края кольцевой опоры для образца 3. После этого, в сосуд автоматического долива воды 9, заливается вода при открытом верхнем кране 10 и закрытом нижнем кране 11. Далее верхний кран 10 перекрывается, а нижний 11 открывается. При этом вода из сосуда 9 не выливается, так как носик сосуда 12 касается воды и не пропускает воздух в сосуд автоматического долива воды 9, это позволяет удерживать воду в сосуде за счет атмосферного давления. После этого предварительно взвешенный образец 5 помещают в образцовую камеру 2 на кольцевую опору 3, и закрывают крышку 4. Установка готова к работе. Образец начинает контактировать нижней торцевой частью с водой, начинается процесс пропитки, в результате которой вес образца 5 увеличивается за счет капиллярного впитывания воды его пористой структурой. Насыщение образца 5 проводится за счет самопроизвольного впитывания воды под действием капиллярных сил. Уровень воды в образцовой камере 2 не понижается, поскольку объем, впитанный в образец воды, компенсируется за счет подпитки из буферной емкости 7, так как образцовая камера 2 гидравлически связана с буферной емкостью 7 через П-образный носик 6, при этом отсутствует упругая или жесткая связь, снижающая точность взвешивания или делающая взвешивание невозможным. Уровень воды в буферной емкости 7 поддерживается автоматически с помощью сосуда автоматического долива воды 9, который зафиксирован в положении касания воды сливного наконечника 12. Как только уровень в буферной емкости понижается за счет отсоса воды через П-образный носик 6 образцовой камеры 2 (часть воды в ней всасывается образцом), сливной наконечник 12 оголяется, и воздух входит в сосуд 9, часть воды при этом выливается в буферную емкость. При этом уровень поднимается, и как только он доходит до нижнего среза сливного наконечника 12, поступление воздуха в сосуд 9 прекращается, и прекращается выливание воды в буферную емкость. То есть уровень воды автоматически восстанавливается. В процессе капиллярной пропитки образца его вес увеличивается. Увеличение веса образцовой камеры с образцом фиксируется электронными весами, при этом цифровой сигнал передается на компьютер, который строит график изменение веса образца во времени. Вместо воды могут использоваться другие жидкости в зависимости от задачи.