УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ ЖИДКОСТИ В ОБРАЗЦАХ КЕРНА ГОРНЫХ ПОРОД МЕТОДОМ ЦЕНТРИФУГИРОВАНИЯ
DEVICE FOR DEFINING PHASE PERMEABILITY OF FLUID IN ROCK CORE SPECIMENS BY CENTRIFUGATION

Изобретение относится к исследованию свойств и характеристик образцов горных пород и может быть использовано для определения фазовой проницаемости при фильтрации двух несмешивающихся жидкостей через пористые среды.
Известно устройство для определения свойств горных пород, а именно для определения коэффициентов остаточной водонасыщенности и вытеснения несмешивающихся жидкостей в горных породах. Устройство содержит полый корпус с герметичной крышкой, в котором размещена гильза для установки образца, соединенная с питающим и приемным пуансонами, стакан-ловушку. Приемный пуансон снабжен хвостовиком с осевым каналом и концевым капилляром с регулируемым сечением, конец хвостовика размещен в стакане-ловушке, а приемный и питающий пуансоны соединены друг с другом посредством канала, в котором дополнительно приемный пуансон выполнен с выступом в верхней части, в средней части оснащен буртом, а в своей нижней части - выточками под гаечный ключ. Указанный полый корпус снабжен внутренней боковой конической поверхностью и с помощью резьбы на внешней боковой поверхности и накидной гайки связан с приемным пуансоном, указанный бурт которого сопряжен с нижними краями упорного кольца и втулки, надетой на верхний выступ приемного пуансона и оснащенной осевым отверстием конической формы в ее верхней части. Верхний край указанного упорного кольца сопряжен с нижним краем гильзы, при этом верхняя часть хвостовика оснащена подпружиненной головкой, включающей цилиндрический бурт и коническую поверхность, которая сопряжена с конической поверхностью втулки. Верхний край пружины сопряжен с нижним краем цилиндрического бурта головки хвостовика, а ее нижний край сопряжен с верхним краем резьбовой втулки, сопряженной с резьбовой поверхностью, выполненной во внутренней верхней части полости приемного пуансона. Верхний край гильзы для установки образца выполнен с конической боковой поверхностью и сопряжен с нижним краем выступа корпуса (патент РФ №2399037, G01N 15/08).
Недостатком указанного устройства является ограниченные функциональные возможности, в частности его конструкция не позволяет раздельно размещать в нем две несмешивающиеся жидкости (например, воду и нефть) с последующей их совместной фильтрацией через пористую среду для определения важной характеристики породы - фазовой проницаемости по воде и нефти.
Известно устройство для определения фазовой проницаемости жидкости в образцах керна горных пород методом центрифугирования, содержащее кернодержатель, размещенную над ним камеру для исследуемой жидкости и размещенную под ним мерную емкость, которое дополнительно снабжено второй камерой для второй исследуемой жидкости, смесителем, установленным над кернодержателем, и разделительно-уплотнительной прокладкой, установленной между смесителем и основанием камер и сообщенной с камерами соединительными каналами. При этом смеситель выполнен в виде цилиндра из высокопроницаемого материала, а уплотнительно-разделительная прокладка выполнена в виде резинового тороидального кольца с перегородкой, разделяющей его на две части, каждая из которых сообщена с соединительными каналами (патент РФ №2034268, G01N 15/08, прототип).
Недостаток прототипа заключается в том, что конструкция разделительно-уплотнительной прокладки, включающая две не сообщающиеся полости, которые соединены каналами с камерами, содержащими исследуемые жидкости, не позволяет поступать двум разнородным жидкостям в смешанном состоянии в указанный смеситель и качественно в нем перемешиваться в плоскостях, перпендикулярных оси смесителя. Вследствие этого пористая исследуемая среда будет заполняться двумя жидкостями в перемешанном состоянии лишь частично, что будет влиять на точность измерений фазовой проницаемости. Кроме этого, в данном устройстве не предусмотрен (не обеспечен) выход воздуха из смесителя, что может приводить к его защемлению в объеме смесителя, что уменьшает площадь фильтрации и уменьшает точность измерений фазовой проницаемости. Сложность конструкции не обеспечивает надежность уплотнения боковой поверхности образца породы, вследствие чего возможно вытекание жидкостей через нее.
Задачей изобретения является повышение точности определения фазовой проницаемости жидкости в образцах керна горных пород и повышение надежности конструкции устройства.
Техническим результатом изобретения является повышение однородности фильтруемого потока двухфазных сред, а также упрощение конструкции устройства, в том числе с обеспечением возможности оперативной замены питающего пуансона и установки пуансона другой конструкции (например, согласно устройству-аналогу) с обеспечением, таким образом, измерения других характеристик горных пород (например, коэффициентов остаточной водонасыщенности и вытеснения нефти водой).
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для определения фазовой проницаемости жидкости в образцах керна горных пород методом центрифугирования, содержащем корпус кернодержателя и размещенную под ним мерную приемную емкость, высокопроницаемый смеситель, установленный на верхнем торце испытуемого образца, и связанный с питающим пуансоном, внутри которого выполнены две камеры, содержащие две разнородные жидкости, согласно изобретению питающий пуансон выполнен в виде двух герметичных цилиндрических камер с заданным соотношением расходов жидкостей из их объемов, вложенных друг в друга концентрично относительно оси устройства, причем полость внутренней камеры оснащена донным запорным клапаном с возможностью образования кольцевого зазора вокруг его рабочей боковой поверхности, в дне внутренней камеры выполнены, по меньшей мере, четыре радиальных канала, выходы которых связаны с указанным кольцевым зазором, а их входы связаны с полостью другой камеры и оснащены игольчатыми дросселями, резьбовые поверхности которых сопряжены с соответствующими поверхностями кольцевой юбки, выполненной на внешней цилиндрической поверхности нижней части внутренней камеры, высокопроницаемый смеситель выполнен в виде перфорированной втулки незначительной высоты, на верхней поверхности указанной втулки концентрично относительно оси устройства выполнены два секторных упора для установки питающего пуансона, при этом по внутренней поверхности корпуса установлена втулка, уплотняющая боковую поверхность испытуемого образца, а в боковой стенке и дне питающего пуансона выполнены сообщающиеся между собой вертикальные и радиальные каналы для связи пространств над верхними границами разнородных жидкостей в питающем пуансоне и высокопроницаемого смесителя.
На фиг.1 показано устройство для определения фазовой проницаемости жидкости в образцах керна горных пород методом центрифугирования согласно изобретению, общий вид; на фиг.2 показан вертикальный разрез внутренней камеры верхнего пуансона устройства.
Устройство, согласно изобретению, содержит кернодержатель, включающий корпус 1, коническую втулку 2 из эластичного материала, накидную гайку 3, нижний пуансон 4, втулку 5, своей внутренней поверхностью сопряженную с верхней частью нижнего пуансона 4, кольцо 6, сопряженное своим верхним краем с нижним краем конической втулки 2. Своим нижним краем кольцо 6 сопряжено с верхним краем цилиндрического выступа нижнего пуансона 4. Втулка 7 сопряжена своей резьбой с внутренней резьбой нижнего пуансона 4. Пружина 8 своим нижним краем сопряжена с верхним краем втулки 7, а верхним - с нижним краем верхней головки хвостовика 9. В своей нижней части устройство включает мерную приемную емкость 10, установленную с помощью резьбового соединения втулки 11 в нижней части нижнего пуансона 4. Вертикальные 12 и радиальные каналы в боковой стенке и дне, сообщающиеся между собой, верхнего питающего пуансона 13 предназначены для связи пространств над жидкостями верхнего пуансона и высокопроницаемого смесителя 14. Смеситель 14, дно которого выполнено перфорированными сквозными отверстиями достаточной частоты, оснащено концентрично расположенными двумя секторными опорами 14' для дна питающего пуансона 13 оснащенного герметичной крышкой, соединенной воздухопроводом 15 с втулкой 11. Указанные каналы 12 предназначены для выхода защемленного воздуха в верхнее внутреннее пространство пуансона 13 под его крышкой.
Внутри питающего верхнего пуансона 13 размещена герметично и концентрично относительно его внутренних стенок внутренняя камера 16, оснащенная клапаном 17 и подпружиненными шариками 18 с возможностью их перемещения между нижней внутренней конической поверхностью дна камеры 16 внутри желобообразных каналов, выполненных в кольцевом выступе клапана 17 снизу с образованием сходящихся поверхностей. Это создает возможность их расклинивания при перемещении подпружиненных шариков по направлению к оси клапана 17 под действием возникающей центробежной силы при центрифугировании. Для дополнительного механического воздействия на шарики 18 внутренняя полость камеры 16 может быть снабжена подпружиненными клиновыми затворами 18'.
Камера 16 оснащена также четырьмя и более каналами 19, выполненными в ее дне с возможностью гидродинамической связи между двумя разнородными жидкостями, заполняющими внешний 16' и внутренний объемы камеры 16. При образовании зазора между внешней, конической боковой рабочей поверхностью клапана 17 и внутренней посадочной конической поверхностью дна камеры 16 при смещении подпружиненных шариков к оси клапана 17. Выходы указанных каналов 19 связаны с кольцевым зазором вокруг открытого клапана 17, а их входы связаны с полостью другой камеры 16' и оснащены игольчатыми дросселями 20. Резьбовые поверхности дросселей 20 сопряжены с соответствующими поверхностями кольцевой юбки 21, выполненной на внешней цилиндрической поверхности нижней части внутренней камеры 16 (фиг.2). Заметим, что в случае необходимости увеличить объемы камер 16 и 16', можно верхний пуансон 13 заменить двухступенчатым по диаметру пуансоном.
Внутри конической втулки 2 из эластичного материала размещают испытуемый образец 22 горной породы.
При окончательной сборке, для уплотнения боковой поверхности испытуемого образца 22 во втулке 2, устройство размещают внутри жестко скрепленной рамы (не показана), между ее верхней и нижней траверсами 23.
Камеры 16 и 16' заполняют разнородными жидкостями (водой и нефтью) или наоборот. Соотношение расходов жидкостей из камер 16 и 16' регулируют с помощью дросселей 20, например: 0,25; 0,5; 0,75.
Сборка устройства производится известным способом, например, как это описано в патенте-аналоге РФ №2399037. После сборки устройства (фиг.1) и уплотнения боковых поверхностей испытуемого образца 22 породы, внешней поверхности цилиндрической втулки 5 и цилиндрической внешней поверхности верхнего питающего пуансона 13 производят зарядку устройств в дюзы ротора центрифуги. После набора требуемой заданной частоты вращения ротора центрифуги, определяющей развиваемую при этом величину центробежной силы, при которой хвостовик 9, сжимая пружину 8, оседает вниз, открывая осевой канал хвостовика 9 для приема фильтруемых разнородных жидкостей. В то же время в питающем верхнем пуансоне в камере 16 под действием центробежной силы подпружиненные шарики 18 будут стремиться занять в камере 16 крайнее нижнее положение, стремясь к оси клапана 17 и оказывая на его верхний кольцевой выступ снизу расклинивающее действие. В результате клапан поднимается вверх, образуя кольцевой зазор для поступления в него нефти и воды. В кольцевом зазоре около клапана 17 будет происходить перемешивание двух разнородных жидкостей и опускание вниз двухфазной смеси в пространство под дном верхнего питающего пуансона 13 между верхней границей дна смесителя 14, вытесняя воздух по каналам 12 в верхнюю часть под крышку пуансона 13. Затем двухфазная смесь опускается вниз по перфорированным отверстиям в дне смесителя 14', поступая в поры образца породы под заданным давлением на входе в образец породы. Снизу на нижний край образца породы 22 действует давление, равное атмосферному давлению. Объем двухфазного фильтрата, прошедший через испытуемый образец породы 22 по осевому каналу хвостовика 9 в приемную мерную емкость 10 вытесняет из нее равный ему объем воздуха по каналу 15, направляя его в верхнюю часть пуансона 13, поддерживая постоянным перепад давления на торцах испытуемого образца породы 22. Общий расход фильтрата известен по его объему в приемной мерной емкости 10 при центрифугировании от момента срабатывания клапана 17 и хвостовика 9 за время центрифугирования Δt. По мере снижения частоты вращения ротора центрифуги, при ее отключении от электропитания, падает величина центробежной силы. Клапан 17 опускается вниз на посадочное место в камере 16, перекрывая путь фильтрату, под действием пружин шарики 18 занимают свое исходное положение в камере 16. Под действием пружины 8 хвостовик 9 поднимается вверх и прекратится поступление фильтрата в приемную мерную емкость 10.
Устройство извлекают из дюз ротора центрифуги, отвинчивают приемную мерную емкость 10, размещенную во втулке 11, удерживая корпус устройства в вертикальном положении, измеряя объемы воды и нефти в ней. Зная вязкости воды и нефти, перепад давления ΔР на торцах испытуемого образца длиной L, площадь торцов S образца 22 породы, время фильтрации Δt, рассчитывают фазовую проницаемость для воды и нефти по известным формулам, приведенным в литературных источниках, например, см. Котяхов Ф.И. Основы физики нефтяного пласта. Госуд. научно-технич. издат. нефтяной и горно-топливной литературы. М., 1956, с.70-79.
Время начала фильтрации через образец породы можно найти по моменту выхода вращения ротора центрифуги на заданную максимальную частоту, когда хвостовик 9 резко сдвинется вниз. Примерно в этот же момент времени откроется и клапан 17 под воздействием шариков 18, стремящихся при максимальной угловой скорости вращения ротора центрифуги занять свое положение ближе к оси указанного клапана 17. При этом клапан 17 поднимается вверх, образуя кольцевой зазор вокруг его боковой поверхности. В результате чего начнется перемешивание потоков двух жидкостей внутри этого зазора и их поступление в смеситель 14 и в поры образца породы 22. Следует заметить, что зазор между нижним краем верхнего питающего пуансона 13 и верхним краем дна смесителя 14 конструктивно можно выполнить как угодно малым, что обеспечит моментальное заполнение объема указанного зазора смесью двух жидкостей и ее равномерное распределение на верхний торец испытуемого образца 22.
В случае необходимости этот зазор также можно заполнить крупнозернистым песком, обеспечивающим высокую проницаемость смесителя и распределение смеси двух жидкостей на верхний край испытуемого образца.
Моментом окончания двухфазной фильтрации при проведении эксперимента можно считать выключение центрифуги из рабочего состояния, после чего частота вращения ее ротора падает, и клапаны 9 и 17 закрываются.
Массы воды и нефти, заливаемые в соответствующие емкости 16 и 16' верхнего пуансона 13 известны. Исходя из этих значений суммарных масс жидкостей в начале фильтрации и в конце фильтрации рассчитывают (ΔР)max и (ΔP)min, а затем среднее их значение ΔР=[(ΔР)max+(ΔP)min]/2, которое и участвует в последующих расчетах фазовых проницаемостей.
Таким образом, в устройстве, согласно изобретению за счет предложенной конструкции верхнего пуансона обеспечивается более равномерное перемешивание потоков двух не смешивающийся между собой жидкостей, поступающих в образец керна горной породы, чем достигается более высокая точность определения фазовой проницаемости жидкости в данном образце.