CC BY
31
УДК 553.98:620.192.47,
УДК 553.98.061.4.082:539.217.3 Ю.А. Афиногенов
ФГУП «СНИИГГиМС», Новосибирск
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРИСТОСТИ И ПРОНИЦАЕМОСТИ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ ПЛОЩАДЕЙ
Yu.A. Afinogenov
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Resources
(FGUP “SNIIGGiMS”), 67, Krasnii Prospekt, Novosibirsk, 630091, Russian Federation
DEVICE FOR POROSITY AND PERMEABILITY DETERMINATION OF ROCK SAMPLES IN OIL AND GAS BEARING REGIONS
Represented device for porosity and permeability determination of the rock samples is honored for its simplicity in construction, attendance accessibility in work, in relation to the foreign ones of the same function, and for its low cost of production that is of a great importance for the further application and usage.
Предлагается оригинальное устройство для определения открытой пористости и абсолютной газопроницаемости образцов горных пород, отличающееся простотой конструкции и удобством обслуживания в работе относительно импортных приборов подобного назначения, незначительными затратами в изготовлении, что немаловажно для последующего внедрения и использования [1].
Оно включает жестко скрепленную раму в виде верхней траверсы 1, нижней траверсы 2 и стоек 3 (рис. 1). В верхней траверсе размещен винтовой упор 4 с рукояткой. В нижней траверсе выполнен рабочий цилиндр, оснащенный подводящим рабочий агент радиальным каналом 5. Внутри указанного рабочего цилиндра размещен поршень 6 с осевым и радиальным 7 каналами. На верхней части поршня 6 установлен удлиненный нижний пуансон 8 с осевым каналом. Его длина должна быть несколько больше или равна длине муфты в сборе, включающей верхнюю и нижнюю крышки 9, 10, корпус 11 муфты с радиальным каналом 12, фигурную гильзу 13 из эластичного материала. Крышки 9, 10 жестко скреплены с корпусом 11 болтовым соединением. На верхнем краю удлиненного нижнего пуансона 8 установлен испытуемый образец породы 14. Верхний край образца 14 сопряжен с нижним краем верхнего пуансона 15, оснащенного осевым и радиальным 16 каналами. Верхний край верхнего пуансона 15 сопряжен с нижней торцевой поверхностью корпуса 17, содержащего пневматическую камеру 18 переменного объема с помощью поршня 19, размещенного в ней. Управление движением поршня 19 будет показано на других рисунках.
Верхний край корпуса 17 пневматической камеры 18 сопряжен с нижним краем винтового упора 4. Указанная муфта, охватывающая испытуемый образец 14 породы выполнена с возможностью ее опускания вниз до контакта
с верхним краем поршня 6 при изъятии подставки 20, выполненной в виде П-образного швеллера.
Рис. 1
( 1,2 - траверсы, 3 - стойки, 4 - винтовой упор с рукояткой; 5,7,12,16 - радиальные каналы,
6 - поршень; 8,15 - пуансоны; 9,10 - крышки, 11 - корпус, 13 - гильза, 14 - образец породы, 17 - корпус пневматической камеры 18, 19 - поршень, 20 - подставка)
Таким образом, сборка и заправка образца 14 в кернодержатель-муфту сводится к простейшим операциям соосной установки его между двух пуансонов 8 и 15, при опущенной муфте в крайнее нижнее положение до контакта с поршнем 6, и корпуса 17 с последующим их поджатием винтовым упором 4, а затем надвиганием вверх указанной муфты так, чтобы образец 14 находился в средней части фигурной гильзы 13 и фиксацией муфты подставкой 20 в заданном положении.
После этого создают постепенно внешнее давление на образец породы до заданной величины, подавая рабочий агент (трансформаторное масло) по каналам 12 и 5. При этом может создаваться как всестороннее равномерное давление, так и неравномерное внешнее давление на испытуемый образец породы, если известны напряжения, действующие на породу в конкретной геологической обстановке.
вес дистиллированной воды найти затем объем, на который уменьшился На рис. 2 и 3 показана конструкция пневматической камеры 17-19 регулируемого переменного объема. Корпус пневматической камеры 17 содержит в своей внутренней полости перемычку с осевым каналом для размещения в нем поводка 21, шарнирно связанного с поршнем 19, и
продольными каналами, параллельными осевому, предназначенными для выпуска воздуха за пределы корпуса 17 по радиальному каналу 22. Корпус 17 оснащен крышкой 23 с осевым глухим каналом для шарнирного размещения в нем верхней части поводка 21. Средняя часть поводка 21 оснащена продольными шлицами для шарнирного сцепления с червячной парой 24, зубчатое колесо которой шарнирно подпружинено пружиной растяжения, верхний край которой опирается на нижний край крышки 23. На рис. 3 показан поперечный разрез А-А корпуса 17 на рис. 2, из которого видно, что вращая рукоятку червяка, вращается зубчатое колесо, которое сцеплено с шлицами поводка 21, вызывая его поступательно вращательное движение вверх или вниз, заставляя соответственно перемещаться поршень 19 внутри пневматической камеры 18, изменяя ее объем от первоначально известного объема. Например, в крайнем верхнем положении поршня 19 объем камеры 18 будет максимальным Vk=Vmax, в его крайнем нижнем положении - объем камеры будет Vk=0. При промежуточных положениях поршня 19 между указанными его крайними положениями пневматическая камера 18 рис. 1-3 оснащена связью с ловушкой 25 с помощью вентиля 26 (рис. 4). Внутри ловушки 25 размещена дистиллированная вода 27. Через нижний край ловушки впаян патрубок 28, по которому может поступать воздух из камеры 18 при открытом вентиле 26, когда поршень 19 уменьшает ее объем, вытесняя при этом находящийся там воздух в ловушку 25, создавая давление на верхнюю поверхность воды 27 как показано стрелками вверху. Воде при этом приходится вытекать по нижнему патрубку 29 в емкость 30, которую в конце вытекания воды можно взвесить и зная удельный первоначальный объем камеры. Ловушка 25 фиксируется в пространстве с помощью прижимов 31 штатива.
(17 - корпус, 18 - пневматическая камера, 19 - поршень, 21 - поводок, 22
- радиальный канал, 23 - крышка, 24 - червячная пара)
А — А
Рис. 3
(17 - корпус пневматической камеры, 21 - поводок, 24 - червячная пара)
(25 - корпус ловушки, 26 - вентиль, 27 - дистиллированная вода, 28 - патрубок, 29
- нижний патрубок, 30 - емкость, 31 - прижимы штатива)
Следует заметить, что изменение объема камеры 18 можно регистрировать и другим путем. Например, используя светодиод на поверхности воды 27 в виде поплавка и кодовую связь на наружной поверхности ловушки 25, предварительно протарировав эту взаимосвязь. Здесь потребуется и уменьшение диаметра корпуса ловушки, чтобы увеличить цену деления по ее высоте и тем самым повышая точность измерения.
Монтажная схема устройства показана на рис. 5. Обозначим осевые каналы нижнего пуансона 8 и верхнего пуансона 9 позициями соответственно 32, 33. Элементами монтажной схемы являются монифольды 34, 34', 35, 36. Монифольд 34 оснащен вентилями 37, 38, монифольд 34' - вентилем 39, монифольд 35 - вентилями 40,41, монифольд 36 - вентилями 42, 43, 44, 45. К монифольду 34 подсоединен манометр 46, к монифольду 34' - манометр 46'; а к вентилю 37 жидкостный регулируемый насос 47. В схему входит также баллон 48 с газообразным азотом и подсоединенными к нему редукторами 49, 50 давления с соответствующими манометрами. Редуктор 49 подсоединен к вентилю 40, а редуктор 50 - к вентилю 43. К вентилю 42 подсоединяется шлангом ловушка 25, которая на схеме не показана. Монифольд 36 оснащен цифровым манометром 51. К вентилю 44 подсоединен пьезометр 52. Вентили 38, 41, 45 служат для сброса давления по мере необходимости. Монтажная схема позволяет создавать как всестороннее равномерное давление, так и заданное осевое и боковое неравномерное давления на образец породы 14.
Рис. 5
(4,6 - винтовой упор и поршень; 8,15 - пуансоны; 7,12,16,22 - радиальные каналы; 9,10 - крышки, 1-корпус кернодержателя, 13 - гильза, 14 - образец породы, 17 - корпус пневматической камеры 18, 19 -поршень, 32,33 - осевые каналы пуансонов; 3434',35,36 - монифольды; 37-45 - вентили; 46, 46' -манометры, 47 - жидкостный насос; 48 - баллон с газообразным азотом или гелием; 49,50 - редукторы
давления, 51 - цифровой манометр, 52 - пьезометр)
Заполнение азотом (гелием) пористого образца 14, пневматической камеры 18, поднимая в ней поршень 19 в крайнее верхнее положение, подводящих трубок и каналов можно производить после некоторой фильтрации газа через пористую среду, например, снизу, при отключенном редукторе 50 и открытом вентиле 45 (рис. 5), который после указанной начальной фильтрации перекрывают, перекрытыми остаются вентили 43, 44, 37, 39. После подачи давления Ро фильтруемого газа по каналам 7,32 и заполнения пневмокамеры 18 при крайнем верхнем положении поршня 19 вентиль 40 перекрывают, давление Ро в замкнутом объеме Уо, включающем подводящие трубки и каналы, объем пор образца породы, объем пневматической камеры 18, регистрируют по цифровому манометру 51.
Монтажная схема устройства (рис. 5) позволяет производить заполнение выше указанных объемов, одновременно подавая давление рабочего агента на два торца образца 14. Получили, что в указанный выше объем Уо введен газ некоторой массы mo при постоянной температуре Т, под некоторым давлением Ро, при заданном внешнем давлении на скелет образца 14 горной породы. Если теперь эту же массу газа сожмем так, чтобы объем Ук пневматической камеры 18 стал равным нулю, то масса газа то разместится в оставшемся объеме (Vo-Vk) под другим давлением Р1, что будет зарегистрировано по цифровому манометру 51. По закону Бойля-Мариотта имеем:
Vo-Po = (Vo-Vk) • P1 = const (1)
Обозначая искомый объем пор образца через Vx, объем подводящих каналов и трубок через V^ уравнение (1) в новых обозначениях запишем в виде:
(Vx + Vk + VT) • Po = (Vx + VT) • P1 (2)
Отсюда находим объем пор Vx p
WjiT- V (3)
P1 P0
Объем пневматической камеры 18 находят из геометрических ее размеров:
л ' dl /,\
vk=—^-hk, (4)
где dk - диаметр пневматической камеры, см;
hk - высота пневматической камеры, см.
Максимальный объем Vk пневмокамеры 18 можно найти
экспериментально с помощью ловушки 25, подсоединенной к вентилю 42. Vk = const при всех измерениях в случае, если Т = const. Тогда измерения будут сводиться к регистрации давлений Po и Рг на цифровом манометре 51.
Если на торцах пуансонов, контактирующих с торцами испытуемых образцов, выполнены концентрические и радиальные канавки, которые необходимы при измерении проницаемости, то их объем войдет в величину Ут. Например, устанавливая в гильзу 13 металлический образец с осевым отверстием известного диаметра и известной величиной Vx и зная величину Vk и проделывая описанные выше операции, аналогичные операциям с образцом пористой среды, используя выражение (3), найдем общую величину VT:
р
VT = Vk'T^"F'; (5)
Г\ Г0
Величина Vx будет константой, известной до проведения опыта с образцом пористой среды. Встает вопрос каким должен быть объем пневмокамеры 18? Задаваясь максимальной длиной испытуемого образца породы в 50 мм и максимально возможной его пористостью в 40 %, для образца породы диаметром 30 мм найдем объем пор, который будет
-5
составлять порядка Vn = 14,14 см , следовательно, максимальный объем Vk пневматической камеры выбираем сравнимым с этой величиной, что конструктивно достигается при dk = 30 мм, hk = 20 мм.
Определив объем Vx пор испытуемого образца из выражения (3), находим его пористость Кп = Vx/V^, где V^p - объем образца породы.
После определения пористости определяют величину проницаемости Кпр. Для этого поршень 19 поднимают вверх. Далее открывают вентили 41, 45, предварительно перекрыв вентиль 42, стравливают давление из объемов Vk, Vx, Vx до атмосферного. С помощью водяного пьезометра 52 при закрытых вентилях 44, 45 создают давление ниже атмосферного. Затем открывая вентиль 44, начинается процесс нестационарной фильтрации через пористую среду до полного выравнивания давлений на торцах образца 41 до величины атмосферного, так как вентиль 41 открыт, вентиль 40 закрыт и давление воздуха на нижнем торце образца равно атмосферному, и рассчитывают величину проницаемости в соответствии с [2]
Заметим, что если к монифольду 35 подсоединить другой цифровой манометр, то тогда можно определять газопроницаемость при стационарной фильтрации, подсоединив к вентилю 45 газосчетчик типа ГСБ-400, как это регламентируется [2].
1. Афиногенов Ю.А. Устройство для определения пористости и проницаемости образцов горных пород. Патент на изобретение № 2342646. Патентообладатель: ФГУП «СНИИГГиМС» (ЯР). Заявка № 2007106661, приоритет изобретения 21 февраля 2007 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27.12.2008 г. Опубликовано: 27.12.2008 г. Бюл. № 36.
2. ГОСТ 26450.0-85 - ГОСТ 26450.2-85. Породы горные. Методы определения коллекторских свойств. М., Изд. Стандартов, 1985. - 28 с.
© Ю.А. Афиногенов, 2009
