УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОСТАТОЧНОЙ ВОДОНАСЫЩЕННОСТИ И ВЫТЕСНЕНИЯ НЕСМЕШИВАЮЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
FACILITY FOR EVALUATION OF COEFFICIENTS OF RESIDUAL WATER SATURATION AND REPLACEMENT OF NON-MIXING FLUIDS IN ROCK

Изобретение относится к технике исследования физических свойств горных пород, в частности остаточной водонасыщенности, для определения коэффициентов вытеснения нефти водой и растворами химреагентов.
Известно устройство, изложенное в работе (Тульбович Б.И. Методические рекомендации по применению центрифугирования для экспресс-определения коэффициента вытеснения нефти водой и растворами химреагентов. Пермский госуд. научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности. 1984, с.5). применяемое для экспрессного определения коэффициентов вытеснения нефти, остаточной нефтенасыщенности и остаточной водонасыщенности, включающее корпус, контейнер для вытесняющей жидкости, соединяющее их опорное кольцо, перфорированную подставку для образца, расположенную в корпусе, нижний контейнер для сбора вытесненного из образца агента, присоединенный к корпусу кернодержателя. В этом устройстве гидродинамическое вытеснение нефти из образца горной породы происходит только за счет центробежных сил, действующих на нефть и вытесняющую ее жидкость, находящуюся над образцом. Устройство размещается в корзине центрифуги с термостатом, позволяющим проводить центрифугирование объектов при различных температурах, приближающихся к пластовым.
Недостатком данного устройства является невозможность регулировки расхода потока через образец, что не позволяет избежать проявления концевого эффекта на выходе из образца, а также влиять на равномерность продвижения фронта раздела двух несмешивающихся агентов внутри порового пространства, что в конечном итоге приводит к преждевременному прорыву вытесняющего агента, окончанию процесса вытеснения и снижению точности определения остаточной водонасыщенности и коэффициента вытеснения нефти водой или растворами химреагентов.
Наиболее близким по конструкции устройством (см. а.с. SU 1583799 А1, G01N 15/08, опубл. 07.08.90, Бюл. №29) к предлагаемому является устройство для определения коэффициентов остаточной водонасыщенности и вытеснения несмешивающихся жидкостей в горных породах, содержащее полый корпус с герметичной крышкой, в котором размещена гильза для образца, соединенная с питающим и приемным пуансонами, и стакан-ловушку, в котором с целью повышения точности путем установления равномерного продвижения фронта раздела жидкостей дополнительно приемный пуансон снабжен хвостовиком с осевым каналом и концевым капилляром с регулируемым сечением, при этом конец хвостовика размещен в стакане-ловушке, а приемный и питающий пуансоны соединены друг с другом посредством канала.
К недостаткам известного устройства следует отнести относительную сложность изготовления корпуса с каналами подачи сжатого воздуха для создания бокового обжима образца породы, а также функциональную ограниченность его использования, в частности сложность использования для испытаний образцов порово-кавернового типа, так как в этом случае возможен прорыв эластичной гильзы при глубоких и сообщающихся между собой кавернах, а также исключение объема каверн из объема образца при затекании в них эластичного материала. Хвостовик, оснащенный осевым каналом и концевым капилляром, проходное сечение которого регулируется иглой в его нижней части, не исключает противотока жидкости из осевого канала хвостовика в образец породы по окончании процесса центрифугирования, что повышает погрешность определения коэффициентов вытеснения и остаточной нефтенасыщенности.
Задачей изобретения является повышение надежности устройства, точности измерений и расширение его функциональных возможностей.
Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства в части технического решения внешнего бокового обжима исследуемого образца породы, при этом одновременно обеспечивается возможность установки и исследования образцов различных типов пород. Техническим результатом изобретения является также исключение обратного впитывания вытесненной жидкости в поры образца породы по окончании процесса центрифугирования.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для определения коэффициентов остаточной водонасыщенности и вытеснения несмешивающихся жидкостей в горных породах, содержащем полый корпус с герметичной крышкой, в котором размещена гильза для установки образца, соединенная с питающим и приемным пуансонами, стакан-ловушку, при этом 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, согласно изобретению 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.
На чертеже показан продольный разрез устройства, когда верхний и нижний края устройства зафиксированы.
Устройство выполнено в виде составной герметичной камеры, включающей полый корпус 1, оснащенный конической поверхностью, внутри которого расположена гильза 2, выполненная из эластичного материала и также оснащенная конической поверхностью. Уплотнение гильзы 2 в корпусе 1 обеспечивается за счет создаваемого при зафиксированных в пространстве краях верхнего и нижнего пуансонов клинового затвора резьбовым соединением корпуса 1 и накидной гайки 3, сопряженной с нижним краем бурта приемного пуансона 4. Верхний край бурта приемного пуансона 4 сопряжен с втулкой 5, надетой на верхний выступ приемного пуансона 4 и оснащенной осевым отверстием конической формы в верхней части. На плоской горизонтальной поверхности верхнего края втулки 5 выполнены радиально сходящиеся к осевому отверстию втулки 5 наклонные к горизонту каналы. Края этих каналов не сопряжены с поверхностью гильзы 2. Верхний край бурта приемного пуансона 4 сопряжен с нижним краем упорного кольца 6, внутренняя поверхность которого сопряжена с внешней поверхностью втулки 5. Верхний край упорного кольца 6 сопряжен с нижним краем гильзы 2. В полости приемного пуансона 4, на некотором расстоянии от его верхнего края, выполнена резьба для крепления резьбовой втулки 7, выполненной с осевым каналом и с возможностью сопряжения ее верхнего края с пружиной сжатия 8. Верхний край пружины сжатия 8 сопряжен с нижним краем цилиндрического бурта головки хвостовика 9, оснащенного осевым каналом, конической поверхностью с кольцевым уплотнением для исполнения роли подпружиненного запорного клапана. Хвостовик 9 по осевому каналу резьбовой втулки 7 пропущен в полость стакана-ловушки 10. На нижнем конце хвостовика 9 закреплена гайка 11 с иглой 12 с возможностью регулирования проходного сечения внутреннего канала в виде капилляра на конце хвостовика. В гайке 11 выполнены радиальные каналы. В исходном состоянии нижний конец хвостовика 9 с гайкой 11 и иглой 12 зафиксирован пружиной сжатия 8 выше дна стакана-ловушки 10 на заданном расстоянии. Перпендикулярно конической поверхности головки хвостовика 9 выполнены каналы, сообщающиеся с его осевым каналом и с радиально сходящимися каналами, выполненными на верхнем краю втулки 5 в крайнем нижнем положении хвостовика 9. Внешняя поверхность гильзы 2 выполнена в форме усеченного конуса с внутренней полостью, сопряженной в верхней части с наружной поверхностью питающего пуансона 13, а в ее нижней части - с боковой наружной поверхностью втулки 5. Верхний край гильзы 2 сопряжен с дном полого корпуса 1, а ее боковая коническая поверхность сопряжена с его внутренней конической поверхностью с возможностью реализации клинового затвора. Нижняя часть питающего пуансона 13 оснащена полостью в форме усеченного конуса 14 для размещения в ее объеме высокопроницаемой пористой среды, например, поролона. Полость стакана-ловушки 10 и полости питающего пуансона 13 соединены друг с другом посредством внешнего трубопровода 15. Внутри гильзы 2 между питающим пуансоном 13 и верхним краем втулки 5 приемного пуансона 4 размещен испытуемый образец породы 16 с возможностью уплотнения его боковой поверхности с помощью гильзы 2, полого корпуса 1, нижнего приемного пуансона 4 с втулкой 5, упорного кольца 6 и накидной гайки 3. При фиксированном положении устройства в сборе между опорными плоскостями 17 технологического приспособления (не показано) реализуется принцип клинового затвора, благодаря чему обеспечивается надежность зажима образца.
На приводимом чертеже показано устройство применительно к образцам пород цилиндрической формы. При этом устройство, согласно изобретению, может быть применено и для другой формы испытуемого образца породы, например, в форме куба, для этого необходимо лишь соответственно изменить внутреннюю конфигурацию полости гильзы 2, внешнюю конфигурацию питающего пуансона 13, втулки 5, внутреннюю конфигурацию упорного кольца 6, все остальное остается неизменным.
Устройство согласно изобретению работает следующим образом. Сначала испытуемый сухой образец породы с известной массой насыщают под вакуумом водным раствором NaCl заданной концентрации, также затем определяя его массу. После этого его помещают в гильзу 2 корпуса 1, снизу образца помещают приемный пуансон 4 с втулкой 5 и упорным кольцом 6 с заполненным той же водой хвостовиком и закрытой иглой 12. При этом сверху в радиальные каналы втулки 5 помещают смоченный водой поролон. Затем снизу на приемный пуансон 4 устанавливают накидную гайку 3 и прикрепляют ее к корпусу 1. Сверху на образец 16 устанавливают питающий пуансон 13, в полости 14 которого помещают смоченный керосином поролон. Затем навинчивают снизу на приемный пуансон 4 стакан-ловушку 10, на дно которого наливают начальное количество воды, скрывающей выходные отверстия гайки 11, предварительно приоткрыв иглу 12. После этого собранное устройство помещают в приспособление, слегка поджимая к образцу 16 питающий пуансон 13 и приемный пуансон 4 с втулкой 5. Затем навинчивают накидную гайку 3 на корпус 1, создавая с помощью упорного кольца 6 объемную деформацию гильзы 2 в кольцевом пространстве вокруг образца 16, втулки 5, питающего пуансона 13. При этом возрастает трение между гильзой 2, питающим пуансоном 13, втулкой 5, по величине достаточное, чтобы относительное положение между ними не менялось во время процесса центрифугирования, а фильтруемая жидкость не могла проскальзывать между гильзой и боковой поверхностью образца. После этого сборку кернодержателя устройства извлекают из приспособления и в камеру питающего пуансона 13 заливают необходимое количество керосина, закрывают герметично крышкой сверху и устанавливают в дюзу ротора центрифуги, аналогично поступают со следующими устройствами для других образцов пород. Затем осуществляют процесс центрифугирования, при котором керосин давит на воду в образце 16 породы, вытесняя ее вниз. Жесткость пружины 8 подбирают такой, чтобы она срабатывала при наборе частоты вращения, обеспечивающем необходимый градиент давления, при котором хвостовик 9 сдвигается до упора о дно стакана-ловушки 10 по радиусу вращения под действием центробежной силы, открывая сообщение каналов в стакан-ловушку 10 при равномерном движении фронта раздела жидкостей в образце 16, устанавливая требуемое время центрифугирования и режим оборотов.
После окончания фильтрации воды и центрифугирования устройство извлекают, стакан-ловушку 10 и крышку питающего пуансона 13 снимают, давление обжима образца 16 сбрасывают, отвинчивая накидную гайку 3 с корпуса 1, извлекают пуансоны 4 и 13 и сам образец 16, взвешивая его, после чего вычисляют остаточную водонасыщенность по потере исходной массы образца, насыщенного под вакуумом перед центрифугированием пластовой водой или ее моделью.
Питающий 13 и приемный 4 пуансоны, стакан-ловушку 10, гильзу 2 изнутри устройства вытирают насухо ветошью, после чего устройство готово для определения коэффициента вытеснения нефти водой. Последующие операции включают повторное размещение образца, насыщенного остаточной водой и керосином, внутри гильзы из эластичного материала, сборку пуансонов, обжим гильзы 2, образца 16 и пуансонов 13 и втулки 5, размещенной на пуансоне 4. Затем осуществляют заливку нефти в полость питающего пуансона 13, в объеме не менее трех объемов пор образца, и керосина - в стакан-ловушку так, чтобы конец капилляра хвостовика 9 находился под его уровнем. Осуществляют сборку стакана-ловушки 10 и крышки питающего пуансона 13 и центрифугирование с заданным временем и количеством оборотов с последующим сбрасыванием давления обжима образца 16, извлечением образца 16 и регистрацией его массы. При центрифугировании происходит замещение керосина, содержащегося в образце 16, нефтью.
Вытеснение керосина нефтью в устройстве аналогично тому, как происходило вытеснение воды керосином на первом этапе.
3
Дальнейшая операция включает размещение образца, насыщенного нефтью, в устройстве, его уплотнение гильзой 2 с помощью клинового затвора в приспособлении, заливку воды в полость питающего пуансона 13 в объеме не менее десяти объемов пор образца и нефти в полость стакана-ловушки 10, сборку стакана-ловушки к приемному пуансону 4, крышки питающего пуансона 13 и последующее центрифугирование с заданным временем и количеством оборотов, обеспечивающим объемную скорость не более (0,3-0,4) см/мин.
По окончании вытеснения нефти водой образец извлекают и определяют его массу, что позволяет рассчитать остаточную нефтенасыщенность. Объем воды в образце определяют путем ее выпаривания и последующей ее конденсации, а объем нефти, вытесненной из образца, - путем перевода ее в четыреххлористый углерод и последующего анализа раствора, после чего выполняют расчеты остаточной нефтенасыщенности.
Совокупность признаков устройства, согласно изобретению, повышает точность определения измеряемых параметров за счет исключения обратной капиллярной пропитки образца вытесненной жидкостью через каналы хвостовика 9, так как хвостовик 9 в данной конструкции стал исполнять также и функцию запорного клапана по окончании процесса центрифугирования на каждом из этапов измерений, за счет оснащения его и приемного пуансона 4 резьбовой втулкой 7, пружиной 8 сжатия, наличия конических поверхностей у головки хвостовика 9, наличия втулки 5, а также уплотнительного кольца между указанными коническими поверхностями головки хвостовика 9 и втулки 5.
Устройство позволяет также более эффективно осуществлять последовательные операции по определению коэффициентов остаточной водонасыщенности и вытеснения нефти в условиях герметично установленного образца, исключая потери агентов за счет испарения.
Совокупность признаков устройства, согласно изобретению, обеспечивает упрощение технологии изготовления устройства, расширяет его функциональные возможности, позволяя исследовать различные типы образцов пород от порового до каверно-порового и каверно-порово-трещиноватых типов пород. Конструктивное решение, согласно изобретению, позволяет исследовать образцы пород как цилиндрической, так и кубической формы, при соответствующем изменении конфигурации внутренней полости гильзы, упорного кольца, втулки, питающего и приемного пуансонов.
Устройство может быть также использовано для определения анизотропии указанных свойств образцов пород в трех измерениях.