КАПИЛЛЯРИМЕТР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В БАРИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
CAPILLARY METER TO CONDUCT STUDIES UNDER BARIC CONDITIONS

Изобретение относится к устройствам для исследования капиллярных и электрических свойств пород-коллекторов нефти и газа методом полупроницаемой мембраны, в частности для определения водонасыщенности порового пространства образцов горных пород по зависимости насыщенности от капиллярного давления.
Известны конструкции групповых капилляриметров, например капилляриметр В2-32 производства НТЦ "Амплитуда", в которых несколько образцов одновременно находятся на одной керамической полупроницаемой мембране в общей камере при одном давлении газа [http://amplituda.ru/ru/products/laboratornye-issledovaniya-kerna/v-32-kapillyarimetr-gruppovoy]. Установка содержит блоки подачи и контроля давления для обеспечения поддержания в испытательных камерах заданных значений избыточного давления в течение всего времени испытаний, вакуумный блок и блок дегазации воды для обеспечения технологических операций по подготовке установки к работе (водонасыщение керамических мембран). Блоки управления и контроля давления и вакуумный блок конструктивно объединены в одной стойке управления. Там же размещены все элементы пневматической схемы от входных до выходных пневматических разъемов. На передней панели стойки управления расположены приборы контроля давления и ручки регулировки давления отдельно для каждого из 6 каналов установки В32-32. В нижней части расположены приборы контроля. Управление работой установки В32-32 осуществляется с помощью микроконтроллера. Табло индикации и управления расположено в средней части передней панели стойки управления. Справа от табло расположена кнопка включения блока управления. Блок дегазации воды расположен рядом с испытательной камерой, которую используют для насыщения керамических мембран водой. Камера для испытания образцов представляет собой металлический сосуд с герметично уплотняемой крышкой, в котором создается избыточное давление. Камера имеет входной и выходной штуцеры с запорными кранами для проведения необходимых операций в процессе испытаний. Внутри камеры на уплотнительном кольце установлена полупроницаемая керамическая мембрана, которая пропускает воду, но является непроницаемым капиллярным барьером для газа, вплоть до определенного порогового значения перепада давлений по обе стороны мембраны. Установка рассчитана на использование керамических мембран, имеющих значения порогового давления (максимальное давление, при котором мембрана не будет пропускать газ) равные 0,1 МПа; 0,3 МПа; 0,5 МПа; 1,5 МПа. Для предотвращения случайного повреждения мембран для каждой мембраны предусмотрен отдельный блок подачи давления с соответствующим диапазоном регулирования. Исследуемые образцы пород устанавливают в испытательных камерах на полупроницаемые керамические мембраны, после чего в камерах создается повышенное давление.
К недостаткам таких капилляриметров относится необходимость выгрузки образцов из камеры на каждой ступени капиллярного давления для проведения операций взвешивания и измерения электрического сопротивления. При этом существует большая вероятность подсыхания образцов и нарушения надежного капиллярного контакта между образцом и мембраной. Указанные недостатки делают проблематичным исследование образцов слабосцеменированного керна, а также образцов с высокой (более 100 г/л) минерализацией модели пластовой воды.
3
Известно устройство, представляющее собой камеру капилляриметра, содержащую основание, центральную часть и крышку, герметически соединенные друг с другом с помощью винтовых зажимов, при этом внутренние полости основания и центральной части разделены водонасыщенной полупроницаемой мембраной, на которой сверху установлены водонасыщенные испытуемые образцы, причем центральная часть или крышка снабжена штуцером и вентилем, а основание - сборником жидкости, отличающаяся тем, что полупроницаемая мембрана выполнена в виде мембранного ультрафильтра, установленного на перфорированной подложке, при этом диаметр отверстий подложки превышает диаметр пор мембранного ультрафильтра в (3-5)⋅10 раз [RU 2309396 С1, МПК6 G01N 15/08, опубл. 27.10.2007].
Однако данное устройство не дает возможности моделировать естественные условия залегания пород (давление горное и пластовое, пластовая температура), замерять остаточную водонасыщенность породы и параметр насыщения при созданных условиях, что в свою очередь повышает достоверность получаемых данных.
Известно устройство для определения характеристик образцов горных пород, содержащее включающую канал для создания (подвода) обжимающего давления. камеру с размещенным в ней кернодержателем, выполненным в виде электроизоляционной эластичной оболочки, охватывающей своими оконечными частями верхний и нижний вкладыши, торцевые поверхности которых, контактирующие с испытуемым образцом, снабжены полупроницаемыми мембранами, нижняя часть камеры включает канал для отвода флюида, а верхняя - укрепленную с помощью наружной гайки верхнюю торцевую втулку со сквозным отверстием с размещенным в нем пуансоном из диэлектрического материала, включающим каналы для подвода флюида и подключения средств измерения удельного электрического сопротивления испытуемого образца [RU 2343281 С1, МПК Е21С 39/00 (2006.01), опубл. 2009].
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка устройства, обеспечивающего проведение исследований образцов слабосцеменированного керна, а также образцов с высокой (более 100 г/л) минерализацией модели пластовой воды, унификация с выпускающимися серийно групповыми капилляриметрами.
При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении достоверности получаемых данных.
г
эфпл
Сущность изобретения заключается в том, что образцы во время исследования находятся в отдельных кернодержателях с манжетой из витона, при давлении гидрообжима P, а определение текущей водонасыщенности и электрического сопротивления возможно в любой момент времени без выгрузки образцов и прерывания эксперимента. Это позволяет исследовать образцы слабосцементированного керна, а также коллектора, содержащие большой объем глинистых минералов, набухающих при контакте с водой. Кернодержатели расположены секциями по n штук в секции, что позволяет объединять в одной секции образцы с одинаковым значением пластового эффективного давления Р и близкими значениями коллекторских свойств. Исследования проводятся в барических условиях.
Предложенное техническое решение иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена гидравлическая схема гидрообжима, на фиг. 2, фиг. 3 - схема блока создания, регулировки и поддержания давления на входе в кернодержатели (различные варианты подключения).
Установка содержит блок кернодержателей 1, блок создания, регулировки и поддержания давления гидрообжима 2, блок создания, регулировки и поддержания давления 3 на входе в кернодержатели, сепаратор 4, блок измерения электрического сопротивления 5 образцов в кернодержателях.
Блок кернодержателей 1 представляет собой n секций, каждая их которых состоит из m кернодержателей 6. Все кернодержатели в одной секции во время эксперимента поддерживаются при одинаковом давлении обжима и одинаковом капиллярном давлении. В разных секциях могут быть установлены разные значения давлений обжима и капиллярного давления.
Кернодержатели обеспечивают всестороннее давление обжима на образец до 470 бар, давление газа на входе в образец (капиллярное давление) в соответствии с давлением прорыва керамической мембраны, установленной на выходном торце образца, обычно до 15 бар. Кернодержатели имеют электрическую изоляцию входного плунжера от корпуса, что позволяет измерять электрическое сопротивление образца во время эксперимента.
Блок создания, регулировки и поддержания давления гидрообжима 2 состоит из масляного пневмонасоса 7, обеспечивающего быстрое заполнение корпуса кернодержателей жидкостью гидрообжима (маслом) и подъем давления обжима, и ручного пресса 8, предназначенного для точного установления заданного давления обжима (фиг. 1). Для поддержания стабильного давления обжима при небольших колебаниях температуры в помещении, к каждой секции присоединен гидроаккумулятор 9, представляющий собой сосуд высокого давления, разделенный эластичной мембраной, в одной половине которого находится масло, а в другой азот при давлении обжима. Большие колебания температуры в помещении, например суточные, должны быть устранены установкой кондиционера.
Блок создания, регулировки и поддержания давления 3 на входе в кернодержатели состоит из k регуляторов давления 10 - их количество соответствует числу планируемых точек на графике капиллярное давление водонасыщенность (минимум - 6 точек), подключенных к линии сжатого воздуха 11 для создания давлений до 7 бар или к баллону с азотом 12 для создания давлений до 15 бар. Так как для точной регулировки давлений обычно применяются регуляторы со сбросом газа, необходимо предусмотреть на линии, подключаемой к баллону, регулятор с низким расходом сбрасываемого газа.
Сепаратор 4 представляет собой n модулей, по числу секций с кернодержателями, каждый из которых состоит из m стеклянных градуированных трубок 13, жестко закрепленных в вертикальном положении. В нижние концы трубок вставлены штуцеры с резиновыми уплотнительными кольцами, к ним подводятся пластиковые трубки с выхода кернодержателей. Высота и внутренний диаметр стеклянных мерных трубок выбираются исходя из предполагаемого полного объема выходящей воды и среднего объема воды, выделяющейся на одной ступени капиллярного давления.
Блок измерения электрического сопротивления образцов 5 в кернодержателях включает в себя прибор для измерения электрического сопротивления по двухэлектродной схеме с соединительным кабелем и клеммами.
Основные технические характеристики:
Общее количество кернодержателей
n×m
Количество секций
n
Количество кернодержателей в секции
m
Диаметр образцов
30 мм, 38 мм
Длина образцов
20-80 мм
Максимальное давление гидрообжима
470 бар
Диапазон капиллярных давлений
0-15 бар
Рабочая температура
комнатная
Материал кернодержателей
нерж. сталь 316.
Электропитание
1 фаза, 220 В, 50-60 Гц
Устройство работает следующим образом.
Подключение блока кернодержателей 1 можно осуществлять двумя способами.
К каждому редуктору 10 подсоединены: электронный датчик давления 14, для точной регулировки и измерения давления газа, и n быстроразъемных фитингов - по числу секций с кернодержателями (фиг. 2). Каждая секция подключается сначала к редуктору с минимальным давлением газа, после стабилизации насыщенности отключается от данного редуктора и подключается к следующему с более высоким давлением.
Более удобный вариант подачи газа, когда переключение каждой секции от одного редуктора к другому осуществляется с помощью отдельного переключателя каналов-давлений 16 (фиг. 3).
Высоту и внутренний диаметр стеклянных мерных трубок сепаратора 4 выбирают исходя из предполагаемого полного объема выходящей воды и среднего объема воды, выделяющейся на одной ступени капиллярного давления. В полный объем выделяющейся воды необходимо включить:
- воду, за счет уменьшения порового объема при подаче давления обжима;
- воду, выделяющуюся из входной трубки при подаче первого входного/капиллярного давления. Объем этой воды должен быть определен предварительной калибровкой. Для удобства калибровки желательно устанавливать все трубки одинаковой длины.
- воду, выделяющуюся из образца при прохождении всех ступеней капиллярного давления.
Объем воды, выделяющейся на одной ступени капиллярного давления, будет больше для образцов диаметром 38 мм и меньше для 30 мм образцов. У высокопроницаемых образцов самыми критичными будут ступени с высокими давлениями, где выделяется мало воды, у низкопроницаемых образцов выход воды, как правило, более равномерный.
Высота уровня воды в трубке уверенно определяется с точностью примерно 0,5 мм; исходя из этой величины можно определить необходимый внутренний диаметр мерных трубок сепаратора.
Клеммы прибора для измерения электрического сопротивления блока измерения электрического сопротивления 5 образцов в кернодержателях подсоединяют к входной и выходной трубкам каждого кернодержателя в секции. Измерение производят на переменном токе с частотой 1 кГц.
Подготовка к выполнению эксперимента. Для проведения экспериментов используют цилиндрические образцы горной породы диаметром 30 мм или 38 мм, длиной 20-80 мм. Образцы слабосцементированного керна упаковывают в термоусадочную пленку, на торцах устанавливают металлические сетки с размером ячейки, не допускающим высыпания частиц породы. Образцы должны быть очищены от углеводородов экстракцией в горячем растворителе, тип растворителя подбирается исходя из свойств породы и нефти.
пi
пi
Образцы сушат до постоянной массы и насыщают пластовой водой или ее моделью. По результатам взвешиваний сухих образцов и насыщенных в воде и в воздухе рассчитывают их объем пор V и пористость K.
Насыщенные водой образцы помещают в кернодержатели, между выходным торцом образца и выходным плунжером устанавливают полупроницаемую гидрофильную мембрану. Для обеспечения капиллярного контакта между образцом и мембраной устанавливают смоченную водой прокладку из фильтровальной бумаги.
атмi
aтмi
Во все m кернодержателей одной секции, при закрытом вентиле на входе, подается минимальное начальное давление гидрообжима, при этом часть жидкости выходит из кернодержателя в сепаратор 4. После стабилизации уровня жидкости h в трубках сепаратора 4 и электрического сопротивления R всех образцов в секции записываются их начальные значения в атмосферных условиях.
эф
эфпл
oi
oi
пплi
пплi
Давление гидрообжима медленно повышают до значения, равного эффективному давлению Р в пластовых условиях Р. После стабилизации уровня жидкости h в трубках сепаратора 3 и электрического сопротивления R всех образцов в секции записывают их начальные значения в пластовых условиях. Рассчитывают объем пор V и коэффициент пористости К образцов в пластовых условиях:
пплi
пi
oi
aтмi
V=V-(h-h)·k,
пплi
пплi
обрi
oi
атмi
К=100·V/(V-(h-h)·k),
3
где k - коэффициент пересчета изменения уровня жидкости в трубках сепаратора Δh в величину объема жидкости ΔV, определяется в результате предварительной калибровки, см/см,
обрi
пi
пi
V=V/(K/100),
i - индекс, соответствующий номеру образца в секции.
1i
1i
к1
Подают первое давление газа на вход кернодержателей. После стабилизации уровня жидкости h в трубках сепаратора 3 и электрического сопротивления R всех образцов в секции записывают их значения при первом капиллярном давлении Р. Давление газа повышают до следующего давления, заданного программой эксперимента, и так далее.
ji
ji
кj
После стабилизации уровня жидкости h и электрического сопротивления R на последней ступени капиллярного давления P записывают их значения.
вплji
Водонасыщенность образцов K на очередной j-й ступени давления вычисляют по следующей формуле:
вплji
пплi
ji
oi
тр
пплi
K=(V-(h-h) ·k-V)/V,
тр
3
где V - объем воды, выходящий из входной трубки чрез образец в сепаратор при подаче газа на первой ступени капиллярного давления, см.
ji
Удельное сопротивление ρ образцов рассчитывают по формуле:
ji
ji
Mi
i
i
ρ=(R-R) ·S/L,
Мi
где R - сопротивление водонасыщенной полупроницаемой мембраны, определяется в результате предварительной калибровки при том же давлении обжима, которое будет применяться в эксперименте, Ом,
i
i
2
S и L - площадь поперечного сечения и длина образца, см и см.
Образцы выгружают из кернодержателей, взвешивают и отправляют на определение содержания в них воды дистилляционным методом в реторте, или аппарате Закса, или аппарате Дина-Старка. Эти данные помогут рассчитать водонасыщенность образцов после эксперимента двумя независимыми методами и подтвердить надежность вычислений по показаниям сепаратора.
ппл
ппл
нпл
впл
На основании полученных экспериментальных данных строятся графики кривой капиллярного давления Рк=f(Кв), зависимостей параметра пористости P от К и Р от К
ппл
впi
в
ппл
нпji
впji
Р=ρ/ρ и Р=ρ/ρ,
впi
эфпл
где ρ - удельное сопротивление полностью водонасыщенного образца при Р,
в
ρ - удельное сопротивление модели пластовой воды,
нпji
эфпл
ρ - удельное сопротивление частично водонасыщенного образца при Р.
п
н
При вычислении Р и Р, входящие в них удельные сопротивления должны быть приведены к одной температуре.
Таким образом, заявляемое техническое решение обеспечивает возможность моделирования естественных условий залегания пород (давление горное и пластовое, пластовая температура), измерения остаточной водонасыщенности породы и параметра насыщения при созданных условиях, что в свою очередь повышает достоверность получаемых данных, обеспечивает проведение исследований образцов горных пород без выгрузки образцов из кернодержателей на каждой ступени капиллярного давления для определения объема выделившейся воды и измерения электрического сопротивления.