устройство для испытания образцов горных пород

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД, включающее герметичную камеру для образца горной породы, размещенную в ней обжимную втулку, поршень, тензодатчики радиальной деформации образца, измерительный шток, один конец которого размещен в камере, а другой соединен с нагрузочным штоком, индикатор радиальной деформации закреплен на планке, свободный конец которой соединен с измерительным штоком, в нижней части камеры выполнены отверстия для подачи жидкости для обжима боковой поверхности образца, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей за счет учета влияния внутрипорового давления на деформационные свойства образца, оно снабжено электрически изолированным от нагрузочного штока цилиндром-накопителем с датчиком уровня, датчиками температуры, двумя подставками, в которых установлены стойки, размещенным в нижней подставке гидравлическим цилиндром с дополнительным поршнем, взаимодействующим с нижней частью герметичной камеры, при этом последняя выполнена составной, цилиндр-накопитель установлен в верхней части герметичной камеры, а в силовом штоке и в нижней части герметичной камеры выполнены каналы для фильтрации пластовой жидкости через образец.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе устройства, выводы чувствительных элементов датчиков уровня, осевой и радиальный деформации и температуры выполнены в виде скользящих контактов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для определения физико-механических свойств образцов горных пород при воздействии высокого геостатического и внутрипорового давления.

Известны устройства для определения таких физических свойств, как пористость, проницаемость, газонефтеотдачи [1, 2] Однако с помощью этих устройств нельзя определить объемную сжимаемость и другие механические свойства.

При лабораторном определении газонефтеотдачи в процессе вытеснения флюида минерализованной водой бывает необходимо знать количество вытесненного флюида и насыщенность керна флюидом, которую обычно определяют по изменению общего электрического сопротивления керна. При этом необходима предварительная тарировка сопротивления образца при разных водонефте(газо) насыщенностях. Ввиду того, что в процессе фильтрации нельзя избежать шунтирования керна стальными трубками и корпусом кернодержателя, точность определения значительно снижается.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство, позволяющее определять линейную и объемную деформации, а также коэффициент Пуассона и модуль Юнга образца и изучать явление делатансии и разрушения в зависимости от геостатического давления [3] Однако с помощью этого устройства нельзя определять влияния на механические свойства внутрипорового давления, которое действует во многих случаях, в массивах и пластах горных пород, и нельзя определять нефтеводогазоотдачу образцов.

Кроме того, недостатком этого устройства является частый обрыв проводников вывода сигналов тензодатчика. Вывод проводников от датчиков измерения деформации, температуры, сопротивления для данного типа приборов является проблемой. При наличии многих: шести и более проводников, вероятность выхода из строя устройства значительно повышается.

Целью изобретения является определение механических свойств образцов горных пород с учетом давления, насыщающих поры пластовых флюидов, а также одновременного определения физических свойств (пористости, проницаемости, нефтегазоотдачи, при вытеснении флюида пластовой водой).

Цель достигается тем, что в устройстве для испытания образцов горных пород [3] состоящем из герметической камеры, силового цилиндра с поршнем измерительного штока, кольцевых тензодатчиков, индикатора, резиновых обжимных втулок, опоpы для образца, в верхней части герметической камеры между торцами нагрузочного штока и образца установлен полый цилиндр-накопитель с датчиком уровня жидкости, электрически изолированный от нагрузочного штока с отверстиями, соединяющими поровой объем образца с фильтрующимся пластовым флюидом, а между торцами испытуемых образцов или на их цилиндрической поверхности на заданном расстоянии друг от друга установлен ряд электродов, соединенных с измерительными приборами. Для устранения обрывов выводных пpоводников применены скользящие, изолированные от корпуса контакты.

Указанные устройства не дают возможности определять объемную сжимаемость образца, другие механические свойства и определять продвижение границы электропроводящего флюида по высоте, длине и насыщенности образца.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг.2, 3 устройства скользящих контактов вывода электропроводников; на фиг.4 схема соединения электродов и измерения сопротивления.

Устройство состоит из гидравлического цилиндра 1, ввинченного в подставку 2. В цилиндр входит поршень 3, на верхнюю часть которого установлена нижняя площадка 4, средняя часть площадки 4 имеет прямоугольную, а верхняя цилиндрическую ступенчатую формы.

На цилиндрическую часть площадки навинчен цилиндр 5, внутри которого помещен поршень 6. В верхнюю часть цилиндра 5 ввинчена нижняя часть герметической камеры, которая состоит из ряда одинаковых цилиндров 7, имеющих внизу наружную, а наверху внутреннюю резьбу, с помощью которой они свинчиваются друг с другом в зависимости от заданной длины испытуемого образца горной породы (модели пласта). В герметическую камеру вставлены резиновые втулки 8, а в них испытуемые образцы 9. На верхний торец испытуемого образца установлен пустотелый цилиндр (накопитель) 10 с помещенным внутри датчиком 11 уровня, цилиндр 10 закрыт изоляционной вставкой 12. В самый верхний цилиндр 7 герметической камеры ввинчен направляющий штуцер 13. В штуцер входит цилиндрическая часть верхней площадки 14. Верхняя прямоугольная часть площадки имеет форму и размеры, одинаковые с нижней площадкой. Верхняя и нижняя площадки соединяются и стягиваются между собой гайками 15 и откидными болтами 16, шарнирно закрепленными на осях в нижней площадке и входящие в прорези в верхней.

В подставку ввинчены две резьбовые колонны 17, на которые навинчены четыре гайки 18, ограничивающие по высоте положение откидной перемычки 19. В перемычке имеется трапециевидная резьба, в которую ввинчен упорный винт 20, действующий на верхнюю часть силового штока 21, нижняя часть которого контактирует с торцом изоляционной вставки 12.

Индикатор 22 часового типа закреплен на планке 23, которая закреплена на измерительном штоке 24. Измерительная ножка индикатора упирается в торец штуцера 13. Измерительный шток 24 скользяще помещен в осевом отверстии силового штока и жестко закреплен в его нижней части.

На торце цилиндрического выступа нижней площадки и торце силового штока 21 имеются кольцевые и радиальные канавки, которые с помощью осевого отверстия в измерительном штоке, выточек и канала 25 соединены со штуцером 26. Резьбовые колонны 17 и откидные болты 16 выполнены разъемными. В случае применения герметической камеры, собранной из небольшого количества цилиндров 7, колонны 17 и откидные болты 16 могут быть укорочены. Верхние их части могут быть отсоединены с помощью гаек 27 и 28. Испытуемый образец разделен на равные участки, ограниченные электродами. Если испытуемая порода состоит из нескольких установленных один над другим образцов, тогда электроды имеют вид прокладываемой между торцами образцов сетки 29 с припаянными выводами или медной проволоки 0,2-0,4 (со счищенной изоляцией), свернутой спиралью. Сетки (спирали) присыпают измельченной породой того же состава, что и испытуемые образцы. При испытании целикового образца или при значительной проницаемости испытуемой породы электроды могут состоять каждый из 1 2 витков проволоки со счищенной изоляцией, намотанных на боковую поверхность образца.

Тензодатчики 30 сопротивления предназначены для определения радиальной деформации, каждый из них состоит из 20 30 витков манганиновой проволоки 0,1 0,2 с двойной эмалевой и шелковой изоляцией, намотанных на образец с клеем БФ-2. Камера 31 для подачи жидкости под поршень 6 для обжима боковой поверхности образцов соединена со штуцером 32. Камера 33 для подачи масла под давлением под поршень 3, создающий осевой обжим образцов, соединена со штуцером 34. Камеры с цилиндрами 7 термостатированы с помощью нагревателя 35. Устройство скользящих контактов (фиг.2) состоит из текстолитового (или асбоцементного) кольца 36, поставленного на эпоксидном клее в цилиндр 7 (с внутренней стороны кольцо 36 имеет радиальные прорези, в которые вставлены неподвижные контакты 37). На торце резиновой втулки 8 уложены подвижные контакты 38, к которым припаиваются с внутренней стороны проводники от электродов и датчиков температуры и деформации. К неподвижным контактам припаяны проводники 39 для присоединения к измерительной схеме.

Неподвижные контакты изолированы от цилиндра кольцами 40. Отверстия для вывода проводников 39 заливаются эпоксидным клеем 41.

На фиг.4 показана схема соединения датчика 11 уровня и электродов (29) с измерительным прибором, где 29 электроды; 11 датчик уровня (250-500 ом); 42 резисторы (5О 100 ом каждый); 43 столб воды в порах образца; 7 корпус герметической камеры; 8 резиновые втулки; 9 образец; 12 изоляционная вставка; 10 цилиндр-накопитель; 44 генератор питания; 45 выпрямитель; 46 двухкоординатный самописец; 47 сопротивление 4,0 10 ком каждый.

Устройство работает следующим образом.

Испытуемый образец, предварительно экстрагированный, высушенный и заполненный пластовым флюидом с намотанными электродами 29, устанавливается в цилиндре герметической камеры устройства, после чего обжимается заданным давлением. Для этого в камеру 38 через штуцер 34 подают масло под начальным давлением. При этом поршень 3 вместе с площадками 4 и 14, герметической камерой, состоящей из цилиндров 7 и штуцера 13, движутся вверх относительно силового штока 21, который верхним концом упирается в винт 20 и перемычку 19. Нижний конец штока 21 передает давление на полый цилиндр 10 и через него на торцы образцов 9.

После этого давление в камеру 31 подают через штуцер 32. Поршень 6 движется вверх и создает давление на торцевую поверхность втулок 8, которые сжимаются и обжимают боковую поверхность образцов 9.

Давление на боковую поверхность определяют по формуле

P₁ P где Р давление в камере 31; Р₁ давление на боковую поверхность образца; - коэффициент Пуассона резины. Коэффициент Пуассона резины = 0,48 0,49, т.е. несколько меньше половины. Поэтому давление на боковую поверхность образцов несколько отличается от давления поршня на торцевую поверхность втулок 8. Для того, чтобы скомпенсировать этот эффект, поршень 6 выполнен ступенчатым, т. е. его торцевая поверхность, действующая на торцы втулок 8, несколько меньше торцевой поверхности, на которую действует давление масла в камере 31. Эта разница диаметров поршня 6 подобрана таким образом, чтобы давление на торцевую поверхность испытуемых образцов равнялось давлению в камере 31.

Потери на трение в уплотнениях поршня 3 и поршня 6 одинаковы. Потери на трение резиновых втулок о внутреннюю поверхность цилиндров 7 отсутствуют, так как коэффициент трения покоя резины по металлу равен нулю (уплотнения втулки не перемещаются относительно цилиндров). Поэтому при одинаковом давлении масла в камерах 31 и 33 давление на боковую и торцевую поверхности кернов одинаково и распределено равномерно по всей длине испытуемого образца.

Осевую деформацию образцов определяют по индикатору 22. Приращение диаметра определяют по формуле

D см,

где D приращение диаметра, см; R приращение сопротивления кольцевого тензодатчика, Ом; q удельное сопротивление проволоки тензодатчика, Ом/см; n количество витков тензодатчика. Объемную деформацию определяют по формуле

2 где V приращение объема образца, см³; V_o первоначальный объем образца, см³; h приращение длины образца, см; h первоначальная длина образца, см; D_o диаметр образца, см. Коэффициент Пуассона и модуль Юнга определяют при неравностороннем давлении. Например, при большей осевой нагрузки (_h>_r).

где _r относительная радиальная деформация; _h- относительная осевая деформация по оси действия нагрузки =_h>_r, где _h- осевая нагрузка, кгс/см² (МПа); _r радиальная нагрузка, кгс/см² (МПа).

Модуль Юнга определяется по формуле:

E

В процессе деформирования под действием внешних сил твердые тела испытывают не только изменение формы, но и изменение объема. Возрастание объема относительно упругих изменений, вызванных деформированием, в механике горных пород называется делатансией, которая вызывается перестройкой порового пространства.

Предлагаемое устройство позволяет в процессе вытеснения нефти (газа) водой изучать явление делатансии и различных степеней разрушения в зависимости от геостатического равностороннего и неравностороннего и порового давления.

Обычно процесс вытеснения делится на два периода: первый период вытеснения чистой нефти за время замыкания контакта на нижнем торце до замыкания контакта на верхнем торце образца. Количество воды, вошедшей в керн за этот период, можно определить по нагнетательному измерительному прессу.

После того как вода пройдет через весь образец и замкнется верхний контакт, начнется водный период вытеснения. При этом вода вместе с нефтью входит в цилиндр 10, где нефть поднимается в верхнюю часть цилиндра, а вода остается внизу. Количество воды можно определить по сопротивлению датчика 11 уровня.

При фильтрации через поровый объем образца, одновременно нефти и воды, столб воды 43 передвигается снизу вверх, последовательно входит в соприкосновение с контактами 42 и уменьшает сопротивление цепи каждый раз на приблизительно одинаковую величину, что вызывает скачкообразное смещение каретки самописца. Так как расстояние между контактами известно, это дает возможность совершенно точно определять положение водо-нефтяного контакта на данный момент времени и определять значение коэффициента проницаемости для нефти, воды и газа в зависимости от водонасыщенности в данный период, а также в зависимости от величины расходов воды и пластовой жидкости, при двухфазной фильтрации.

После замыкания контактов на верхнем торце испытуемого образца непрерывно измеряют и подают на координату Y напряжение, которое по мере насыщения образца пластовой водой возрастает. Одновременно измеряют зависящие от объема воды в накопителе напряжение на датчике 11, которое подается на координату Х самописца. Таким образом записывается кривая зависимости объема воды в накопителе от напряжения на образце. После вытеснения всего возможного количества нефти из образца напряжение на его торцах стабилизируется, а объем воды, скопившейся в накопителе, будет в этой точке соответственно объему вытесненной из образца нефти.

Начало и насыщенность водного периода вытеснения для каждого участка образца позволяет определить насыщенность образца при окончании безводного периода для всех участков (появление воды на верхнем торце последнего образца перед цилиндром 10). Путем периодического определения насыщенность первого участка за время передвижения границы водонефтяного контакта в остальных образцах можно определить окончание всего процесса вытеснения. Определения можно производить как при вытеснении нефти (газа) водой, так и при одновременной фильтрации нефти и воды с различными расходами и определить фазовую проницаемость.

Возможность определять физико-механические свойства в широком диапазоне заданных условий позволяет с большой точностью моделировать процессы разработки и эксплуатации месторождений полезных ископаемых, а также различные способы воздействия на горные породы. Все основные свойства горных пород могут быть получены в одном устройстве без перестановки образца. Это во много раз ускоряет процесс исследовательских и испытательных работ.

Таким образом за более короткие сроки можно получить больше информации о месторождении. Это позволяет более точно определять извлекаемые запасы и более обоснованно выбирать методы и параметры разработки и эксплуатации, что дает большой технико-экономический эффект.