устройство для определения характеристик образцов горных пород

Формула изобретения

1. 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, отличающееся тем, что указанная эластичная оболочка выполнена с торцевыми манжетами, сопряженными с внутренними боковыми и торцевыми поверхностями корпуса камеры, и заключена в жесткий составной кожух в виде состыкованных между собой двух пар перфорированных полуцилиндров и двух пар верхних и нижних фигурных перфорированных полуколец, сопряженных с внутренней поверхностью манжет и внешними торцевыми краями каждого из полуцилиндров, нижняя внутренняя часть корпуса камеры выполнена в виде кольцевой ступени, на которой установлен кернодержатель, и снабжена нижней ступенчатой втулкой, сопряженной с указанной кольцевой ступенью, торцом корпуса камеры и нижним вкладышем, указанная нижняя втулка скреплена с корпусом камеры с помощью замкового фланца и включает канал отвода флюида и канал для подключения средств измерения удельного электрического сопротивления образца, канал для подвода обжимающего (бокового) давления выполнен в боковой стенке корпуса камеры, а указанный пуансон в своей верхней части сопряжен с источником вертикального гидравлического давления - с поршнем гидроцилиндра.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные верхний и нижний вкладыши включают полости, внутри которых установлены подпружиненные пьезоэлектрические пластины, соединенные с электронным блоком измерения времени распространения упругих волн в керне (испытуемом образце).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что камера с кернодержателем размещена на опоре внутри жесткой рамы, включающей верхнюю и нижнюю траверсы и две вертикальные стойки, при этом указанная опора установлена на нижней траверсе и выполнена в виде полой цилиндрической подставки со сквозным проемом в ее боковых стенках, в верхней траверсе установлен источник - гидроцилиндр с поршнем - вертикального гидравлического давления, а в указанной цилиндрической подставке установлен измеритель вытесняемой жидкости, сопряженный с отверстием для отвода вытесняемой жидкости, выполненным в нижней части корпуса камеры.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что полупроницаемая мембрана, установленная на торце верхнего вкладыша, выполнена с пониженной относительно испытуемого образца проницаемостью, а на контактируемой с испытуемым образцом поверхности полупроницаемой мембраны, установленной на нижнем вкладыше, установлена дополнительная уплотняющая прокладка преимущественно из фильтровальной бумаги.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит схему измерения удельного электрического сопротивления испытуемого образца, включающую электронный блок, связанный с электродами, установленными на элементе отвода флюида и элементе подвода флюида к испытуемому образцу.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве устройства измерения объема вытесняемой жидкости при давлении флюида на выходе испытуемого образца, близком к атмосферному, оно содержит сливную емкость, снабженную сбрасывающим излишнее давление клапаном.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве устройства измерения объема вытесняемой жидкости при давлении флюида на выходе испытуемого образца, близком к пластовому, оно содержит измерительный узел, включающий связанные через монифольд вентиль, подключенный к системе подачи давления на нижний конец образца, и манометр, входной канал указанного монифольда связан с каналом отвода жидкости от испытуемого образца, а выходной канал - с входом плунжерного пресса, плунжер которого через гайку связан с червячной парой, управляемой шаговым приводом.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для определения коэффициента вытеснения нефти в испытуемом образце в условиях, близких к пластовым, гидравлическая схема подвода флюида к испытуемому образцу и отвода флюида содержит источник давления в виде камеры, выполненной с возможностью поворота относительно своей вертикальной оси и фиксацией соответствующего углового положения, внутри указанной камеры размещен груз заданной массы, взаимодействующий с заполненной вытесняющей жидкостью емкостью из эластичного материала или шприцем с выходным отверстием, связанным трубопроводом через нижнее отверстие в указанной камере и первый монифольд с входным каналом подвода флюида к испытуемому образцу, верхнее входное отверстие указанной камеры трубопроводом через второй монифольд связано с заполненной водой напорной емкостью, которая через разделительную колонку соответствующим трубопроводом связана через указанный первый монифольд с нижним выходным отверстием в камере и входным каналом подвода флюида к испытуемому образцу, указанная разделительная колонка в своей верхней части трубопроводом связана с масляным насосом, при этом канал отвода флюида из испытуемого образца связан через третий монифольд с емкостью для сбора вытесняемой нефти и отвода профильтрованной воды через отверстие в нижней части указанной емкости в указанную камеру, в своей верхней части указанная емкость связана с соединенными последовательно сепаратором и газовым счетчиком.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованию свойств образов горных пород и может быть использовано для определения их сжимаемости, удельного электрического сопротивления, упругих характеристик, структуры пор по их эффективным гидравлическим радиусам с построением капиллярной кривой в зависимости от водонасыщенности, коэффициентов вытеснения нефти в условиях, приближающихся к пластовым.

Известно устройство для определения характеристик образцов горных пород, содержащее камеру с кернодержателем, штуцеры с трубками системы подачи и отвода флюида, штуцер с трубкой подачи жидкости для создания обжимающего давления, блок измерения удельного электрического сопротивления керна, соединенный с трубками подвода и отвода флюида, причем кернодержатель размещен в герметизированной камере и выполнен из герметичной электроизоляционной эластичной оболочки, один конец которой охватывает подвижный электрод, а другой - неподвижную торцовую втулку, ограниченная ими внутренняя полость соединена каналами с трубками подачи и отвода флюида, а полость, ограниченная внешней поверхностью эластичной оболочки и внутренними стенками камеры, соединена со штуцером подачи жидкости для создания обжимающего давления (RU №2284413 С1). Устройство включает также электронный блок измерения времени распространения продольных и поперечных волн в керне, два вкладыша, выполненные в виде цилиндров ступенчатой формы, причем торцы вкладышей с меньшим диаметром установлены в цилиндрических выемках такого же диаметра в подвижном электроде и неподвижной втулке. Диаметры вторых ступеней равны диаметру керна, причем в них выполнены сквозные отверстия для подвода флюида к керну и отвода от него, а на их торцах выполнены канавки для распределения по ним флюида, причем отверстия проходят через одну из канавок, на торцах вкладышей меньшего диаметра установлены пьезоэлектрические пластины, соединенные с электронным блоком измерения времени распространения упругих волн в керне.

Недостатком этого устройства является то, что оно функционально не предусматривает измерений капиллярной кривой в зависимости от водонасыщенности образца породы и определения структуры порового пространства по эффективным гидравлическим радиусам.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является автоматизированная система RCS-760 для выполнения испытаний капиллярного давления или в режиме ступенчатого подъема давления, или в режиме непрерывной инжекции с одновременным измерением электрических свойств в существующих в пласте условиях. Система содержит держатель образца керна с гидростатическим нагруженном, муфту (камеру), порты (входы и выходы) для жидкости, систему трубопроводов, клапаны, фитинги, измеритель удельного сопротивления, насос подачи жидкости, датчики давления на входе/выходе, дифференциального, линии горного давления, систему нагружения, систему вакуумирования, полупроницаемую мембрану из керамики, тонкую бумагу, смоченные и насыщенные водой, смоченную нефтью мембрану (насадку на входном торце образца), нижнюю концевую втулку под выходным торцом испытуемого образца, концевую втулку на верхнем краю камеры, подвижный термостат для свободного доступа к системе трубопроводов, сжатому воздуху, резервуары разделителя рапы/нефти, систему управления перепадом давления. Когда процесс объемного вытеснения стабилизируется, то система RCS-760 автоматически переходит к следующему предварительно запрограммированному перепаду давления до тех пор, пока не будет достигнут полный набор давлений и произведены соответствующие измерения (см. инструкцию по эксплуатации «Система RCS-761 для определения условий образования капиллярного давления в месторождениях», CORETEST SYSTEMS, JNC, 23 Las Colinas Lane Suite 104, San Jose, California 95119).

Недостатком системы RCS-760 является ее сложная конструкция, включающая также средства, обеспечивающие автоматизацию всех измерений, вследствие чего она приобретает высокую стоимость порядка 110000 долларов. Эта система не позволяет моделировать условия образования капиллярного давления в месторождениях при различных соотношениях вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления, что не редко встречается в натуральных природных условиях.

Задачей изобретения является повышение надежности конструкции, расширение функциональных возможностей устройства для измерения других характеристик горных пород, упрощение процесса проводимых измерений и снижение стоимости устройства при обеспечении необходимой производительности.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции с возможностью при этом создания вертикальной и горизонтальной составляющих горного давления. Кроме того, техническим результатом является создание системы измерения вытесненной воды из испытуемого образца породы, его удельного электрического сопротивления.

Достигается это тем, что в устройстве для определения характеристик образцов горных пород, содержащем 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, дополнительно указанная эластичная оболочка выполнена с торцевыми манжетами, сопряженными с внутренними боковыми и торцевыми поверхностями корпуса камеры, и заключена в жесткий составной кожух в виде состыкованных между собой двух пар перфорированных полуцилиндров и двух пар верхних и нижних фигурных перфорированных полуколец, сопряженных с внутренней поверхностью манжет и внешними торцевыми краями каждого из полуцилиндров, нижняя внутренняя часть корпуса камеры выполнена в виде кольцевой ступени, на которой установлен кернодержатель, и снабжена нижней ступенчатой втулкой, сопряженной с указанной кольцевой ступенью, торцом корпуса камеры и нижним вкладышем, указанная нижняя втулка скреплена с корпусом камеры с помощью замкового фланца и включает канал отвода флюида и канал для подключения средств измерения удельного электрического сопротивления образца, канал для подвода обжимающего (бокового) давления выполнен в боковой стенке корпуса камеры, а указанный пуансон в своей верхней части сопряжен с источником вертикального гидравлического давления (с поршнем гидроцилиндра); кроме этого указанные верхний и нижний вкладыши включают полости, внутри которых установлены подпружиненные пьезоэлектрические пластины, соединенные с электронным блоком измерения времени распространения упругих волн в керне (испытуемом образце); кроме этого камера с кернодержателем размещена на опоре внутри жесткой рамы, включающей верхнюю и нижнюю траверсы и две вертикальные стойки, при этом указанная опора установлена на нижней траверсе и выполнена в виде полой цилиндрической подставки со сквозным проемом в ее боковых стенках, в верхней траверсе установлен источник (гидроцилиндр с поршнем) вертикального гидравлического давления, а в указанной цилиндрической подставке установлен измеритель вытесняемой жидкости, сопряженный с отверстием для отвода вытесняемой жидкости, выполненным в нижней части корпуса камеры; кроме этого полупроницаемая мембрана, установленная на торце верхнего вкладыша, выполнена с пониженной относительно испытуемого образца проницаемостью, а на контактируемой с испытуемым образцом поверхности полупроницаемой мембраны, установленной на нижнем вкладыше, установлена дополнительная уплотняющая прокладка, преимущественно из фильтровальной бумаги; кроме этого устройство содержит схему измерения удельного электрического сопротивления испытуемого образца, включающую электронный блок, связанный с электродами, установленными на элементе отвода флюида и элементе подвода флюида к испытуемому образцу; кроме того, в качестве устройства измерения объема вытесняемой жидкости при давлении флюида на выходе испытуемого образца, близком к атмосферному, оно содержит сливную емкость, снабженную сбрасывающим излишнее давление клапаном; кроме того, в качестве устройства измерения объема вытесняемой жидкости при давлении флюида на выходе испытуемого образца, близком к пластовому, оно содержит измерительный узел, включающий связанные через монифольд вентиль, подключенный к системе подачи давления на нижний конец образца, и манометр, входной канал указанного монифольда связан с каналом отвода жидкости от испытуемого образца, а выходной канал - с входом плунжерного пресса, плунжер которого через гайку связан с червячной парой, управляемой шаговым приводом; кроме того, для определения коэффициента вытеснения нефти в испытуемом образце в условиях, близких к пластовым, гидравлическая схема подвода флюида к испытуемому образцу и отвода флюида содержит источник давления в виде камеры, выполненной с возможностью поворота относительно своей вертикальной оси и фиксацией соответствующего углового положения, внутри указанной камеры размещен груз заданной массы, взаимодействующий с заполненной вытесняющей жидкостью емкостью из эластичного материала (или шприцем) с выходным отверстием, связанным трубопроводом через нижнее отверстие в указанной камере и первый монифольд с входным каналом подвода флюида к испытуемому образцу, верхнее входное отверстие указанной камеры трубопроводом через второй монифольд связано с заполненной водой напорной емкостью, которая через разделительную колонку соответствующим трубопроводом связана через указанный первый монифольд с нижним выходным отверстием в камере и входным каналом подвода флюида к испытуемому образцу, указанная разделительная колонка в своей верхней части трубопроводом связана с масляным насосом, при этом канал отвода флюида из испытуемого образца связан через третий монифольд с емкостью для сбора вытесняемой нефти и отвода профильтрованной воды через отверстие в нижней части указанной емкости в указанную камеру, в своей верхней части указанная емкость связана с соединенными последовательно сепаратором и газовым счетчиком.

На фиг.1 показано устройство для определения характеристик образцов горных пород согласно изобретению, общий вид; на фиг.2 - вид снизу на корпус камеры 1 (фиг.1); на фиг.3 - вид сверху на замковый фланец 16 (фиг.1); на фиг.4 - устройство 27 для измерения количества вытесняемой воды при давлении на выходе, близком к атмосферному, общий вид; на фиг.5 - гидравлическая схема измерения вытесняемой воды из испытуемого образца через полупроницаемую мембрану в условиях, приближающихся к пластовым, с устройством измерения; на фиг.6 - гидравлическая схема измерения коэффициента вытеснения нефти.

Устройство для определения характеристик образцов горных пород (фиг.1)-(фиг.6) содержит камеру 1, включающую канал 2 для создания (подвода) обжимающего давления, с размещенным в ней кернодержателем 3, выполненным в виде электроизоляционной эластичной оболочки, охватывающей своими оконечными частями верхний 4 и нижний 5 вкладыши, представляющие собой ступенчатые цилиндры, прикладываемые стороной с диаметром, равным диаметру образца 6 к его торцам. Нижняя часть камеры 1 включает канал 7 для отвода флюида, а верхняя - укрепленную с помощью наружной гайки 8 верхнюю торцевую втулку 9 со сквозным отверстием с размещенным в нем пуансоном 10 из диэлектрического материала, включающим канал 11 для подвода флюида и канал 12 подключения средства измерения удельного электрического сопротивления испытуемого образца 6. Указанная эластичная оболочка (кернодержатель) 3 выполнена с торцевыми манжетами, сопряженными с внутренними боковыми и торцевыми поверхностями корпуса камеры 1, и заключена в жесткий составной кожух 13 в виде состыкованных между собой двух пар перфорированных полуцилиндров и двух пар верхних и нижних фигурных перфорированных полуколец, сопряженных с внутренней поверхностью манжет и внешними краями состыкованных полуцилиндров, нижняя внутренняя часть корпуса камеры 1 выполнена в виде кольцевой ступени 14, на которой установлен кернодержатель 3, и снабжена нижней ступенчатой втулкой 15, сопряженной с указанной кольцевой ступенью 14, торцом корпуса камеры 1 и нижним вкладышем 5, указанная нижняя втулка 15 скреплена с корпусом камеры 1 с помощью замкового фланца 16 и включает канал 7 для отвода флюида и канал 17 для подключения средств измерения удельного электрического сопротивления образца 6, при этом канал 2 для подвода обжимающего (бокового) давления выполнен в боковой стенке корпуса камеры 1, а указанный пуансон 10 в своей верхней части сопряжен с краем поршня 18 гидроцилиндра 19, указанные верхний 4 и нижний 5 вкладыши включают полости, внутри которых установлены подпружиненные пьезоэлектрические пластины 20, соединенные с электронным блоком 21 измерения времени распространения упругих волн в керне (испытуемом образце 6), камера 1 с кернодержателем 3 размещена на опоре 22 внутри жесткой рамы, включающей верхнюю 23 и нижнюю 24 траверсы и две вертикальные стойки 25, при этом указанная опора 22 установлена на нижней траверсе 24 и выполнена в виде полой цилиндрической подставки со сквозным проемом 26 в ее боковой стенке, в верхней траверсе 23 жестко установлен гидроцилиндр 19 с поршнем 18 для создания вертикальной составляющей горного давления на испытуемый образец 6 породы, а в указанной цилиндрической подставке (опоре 22) установлен измерительный узел 27 вытесняемой жидкости, сопряженный с отверстием канала 7 для отвода вытесняемой жидкости, выполненным в нижней части нижней ступенчатой втулки 15, полупроницаемую мембрану 28, установленную на торце верхнего вкладыша 4, выполненную с пониженной относительно испытуемого образца 6 проницаемостью, а на контактируемой с испытуемым образцом 6 поверхности полупроницаемой мембраны 29, установленной на нижнем вкладыше 5, размещена дополнительная уплотняющая прокладка, преимущественно из фильтровальной бумаги. Устройство (фиг.1) оснащено схемой измерения удельного электрического сопротивления испытуемого образца, включающей электронный блок 30 измерения, связанный с электродами 17 и 12, установленными на элементах отвода 7 и ввода 11 флюида к испытуемому образцу. В качестве устройства измерения объема вытесняемой жидкости при давлении на выходе 7 флюида, близком к атмосферному, оно содержит сливную емкость 31, снабженную сбрасывающим излишнее давление клапаном 32, в которой сливное отверстие выхода флюида 7 помещено под уровень 33 жидкости (фиг.4).

При заданном давлении на выходе, значительно превышающем атмосферное и близкое к внутрипластовому, гидравлическая схема измерительного устройства содержит измерительный узел 27 в составе монифольда, манометра, вентиля и пресса, обеспечивающий заданное давление на выходе воды из полупроницаемой мембраны 29 путем ее отбора с помощью системы его управления шаговым приводом (фиг.5). Система нагружения испытуемого образца 6 боковой и вертикальной составляющими горного давления содержит насосную станцию 34, трубопроводы 35, подсоединенные к камере 1 по каналу 2 и гидроцилиндру 19, с использованием соответствующих монифольдов 36, регистрирующих давление манометров 37 и запорных вентилей 38. Гидравлическая схема устройства (фиг.5) содержит камеру 1 в сборе с испытуемым образцом 6 горной породы, измерительный узел 27, предназначенный для измерения вытесняемой через полупроницаемую мембрану 29 модели пластовой воды (рапы) из испытуемого образца 6. Как упоминалось выше, узел 27 включает монифольд 36, к которому подсоединены выход 7 трубопровода, манометр 37, вентиль 38 (или пневматический клапан), пресс 39 с плунжером 40, связанным своей резьбой с гайкой, а гайка с зубчатым колесом 41 и червяком 42, хвостовик которого связан с шаговым приводом 43. Вентиль 38 измерительного узла 27 связан трубопроводом с помощью крестовины, тройника, обратного клапана 44 и параллельно ему подключенными монифольда 36 и вентиля 38 с нижними краями разделительных колонок 45 и 46, заполненных рапой до указанного уровня 47, совпадающего с верхним краем полупроницаемой мембраны 29. Верхний край разделительной колонки 45 соединен одним трубопроводом с вакуумным насосом 48, оснащенным вакуумметром 49, а другим трубопроводом - с источником гидравлического давления 50 (например, мультипликатором, приводом которого служит воздух низкого давления, или плунжерным прессом вида (39, 40), или насосом с регулируемым расходом), связанным с аккумулятором 51, заполненным рабочим агентом (например, нефтью или керосином), верхний край которого связан трубопроводом с вакуумным насосом 48 с помощью соответствующих вентилей 38 и монифольда 36.

Верхний край разделительной колонки 46 одним трубопроводом, оснащенным фильтром - влагоотделителем 52 с автоматическим спуском конденсата, связан с каналом 11 для подвода флюида к испытуемому образцу по монифольду 36 с манометром 37, другим - с вакуумным насосом 48.

Устройство для определения характеристик образцов горных пород (фиг.1-5) согласно изобретению работает следующим образом. Например, для определения минимальной остаточной водонасыщенности при некотором максимальном перепаде давления в испытуемом образце породы, определяемом величиной давления прорыва полупроницаемой мембраны, структуры порового пространства по эффективным гидравлическим радиусам с определением капиллярного давления в виде функции от текущей водонасыщенности S, меняющейся при каждом ступенчатом перепаде давления на торцах образца, используют гидравлическую схему, показанную на фиг.5. Сначала вакуумируют залитую рапу в колонки 45, 46 и измерительный узел 27 и устанавливают насыщенные под вакуумом рапой испытуемый образец 6 горной породы и полупроницаемую мембрану 29 с влагонасыщенной прокладкой между ними из фильтровальной бумаги на верхний край вкладыша 5, расположенного на верхнем краю нижней втулки 15 внутри кернодержателя 3, размещенного в камере 1 на ее кольцевую ступень 14. Втулка 15 скрепляется с нижним краем камеры 1 (фиг.2) с помощью замкового фланца 16 (фиг.3). Уровень рапы в напорных разделительных колонках 45 и 46 должен находиться на уровне 47, являющемся продолжением верхнего края полупроницаемой мембраны 29 и может регулироваться по высоте соответствующим смещением опоры колонок. На верхний край испытуемого образца устанавливается низкопроницаемая мембрана 28, насыщенная под вакуумом рабочим агентом (нефтью или керосином) вместе с насыщенной тем же агентом прокладкой из фильтровальной бумаги между ними. Сверху прижимается к мембране 28 пуансон 10 из диэлектрического материала с верхним вкладышем 4. Вход 11 рабочего агента подсоединен к монифольду 36 (фиг.5). Верхняя втулка 9 скреплена с верхней частью камеры 1 с помощью накидной гайки 8. Затем создают давление всестороннего обжима образца 6, подавая рабочий агент (трансформаторное или индустриальное масло) от насосной станции 34 по каналу 2 и в гидроцилиндр 19. Если известно соотношение боковой и вертикальной составляющих горного давления, то перекрывая один из вентилей внешнего давления 38, добавляют давление в линии с другим вентилем или наоборот. После этого заполняют колонки 45, 46 нефтью (керосином) и с помощью вакуумного насоса 48, вакуумметра 49 и открытия и закрытия соответствующих вентилей производят вакуумирование залитого рабочего агента в колонках, вакуумирование входного канала 11 и связанного с ним трубопровода с фильтром 52, вакуумирование аккумулятора 51 с рабочим агентом. После достигнутого необходимого вакуума в верхней части гидравлической системы (фиг.5) производят включение источника 50 давления для заполнения отвакуумированной системы нефтью (керосином) (Н). При этом нефть (керосин) (Н) в колонке 45 при закрытых вентилях 38 в измерительном узле 27 будет создавать начальное минимальное давление на раствор пластовой воды (рапу) в колонке 46, заполняя верхний трубопровод до полупроницаемой мембраны 28 рабочим агентом (Н). После этого открывают вентили 38 в измерительном узле 27 и продолжают создавать внутрипластовое заданное давление с двух сторон испытуемого образца 6. Достигнув указанное заданное внутрипластовое давление, перекрывают правый вентиль 38 измерительного узла 27 и начинают после этого повышать давление ступенями Р_i на входном торце испытуемого образца, создавая перепад давления. Под действием перепада давления на торцах образца начнется фильтрация агента (Н) сверху вниз, вытесняя первоначально рапу (Р) из самых крупных пор испытуемого образца через полупроницаемую мембрану 29, вследствие чего давление в измерительном узле начнет повышаться и поэтому автоматически включится шаговый привод, с помощью которого червячная пара 41, 42 начнет перемещать плунжер 40 вниз, не давая возрасти давлению под полупроницаемой мембраной 29 выше заданного внутрипластового. По окончании вытеснения рапы при первом перепаде P₁, его повышают до следующего значения Р₂, и все действия, описанные выше, будут повторяться. Диаметр плунжера 40 известен, выход плунжера вниз до начала вытеснения и в процессе вытеснения при Р_i также известен. Можно рассчитать вытесненный объем рапы из образца 6. Кроме этого шаговый привод можно предварительно протарировать, сколько его шагов, например, требуется на 1 см³ вытесняемой рапы, в том числе объем рапы, приходящийся на 1 шаг привода. Зная вытесняемые объемы рапы V_i при различных перепадах давления Р_i и используя формулу Лапласа для расчета эффективных радиусов пор, можно построить капиллярную кривую Р=f(S), где S - насыщенность образца рапой при давлении вытеснения Р, а затем построить гистограмму (структуру) освобождающихся пор с гидравлическими радиусами r_i от рапы, зная значения V_i. Давление прорыва полупроницаемых мембран 29 составляет не выше 15 кг/см² . Поэтому число ступеней Р_i ограничено. При каждом значении насыщенности S производят измерение удельного электрического сопротивления испытуемого образца с помощью электронного блока 30, подсоединенного к электроканалам 12 и 17. После проведения испытаний давления обжима и внутрипластовое постепенно ступенчато сбрасываются до нуля. Затем камеру 1 извлекают из рамы, вентили 38 внизу и вверху перекрывают, извлекая нижнюю втулку 15 с нижним вкладышем 5 и пуансон 10 с верхним вкладышем 4 и извлекают образец 6 из кернодержателя 3 вниз. Затем все операции по сборке и зарядке следующего образца повторяются.

Заметим, что в случае проведения испытаний образца 6 в условиях, близких к атмосферным, давление всестороннего обжима образца доводят до 2,5 МПа, а давление на выходе 7 вытесняемого флюида из образца поддерживают равным атмосферному с помощью сливной емкости 31, оснащенной сбрасывающим клапаном 32. Выход канала 7 при этом погружен под уровень вытесняемой рапы 33 (фиг.4). Количество вытесненной рапы из образца определяется взвешиванием на электронных весах. Все расчеты определения капиллярной кривой и структуры эффективных пор по гидравлическим радиусам остаются такими же, как указано выше.

Для определения коэффициента вытеснения нефти из испытуемого образца породы, прошедшего анализ на получение минимальной остаточной водонасыщенности, структуры пор по эффективным гидравлическим радиусам с функциональной зависимостью Р=f(S) с полноценным насыщением порового пространства нефтью при проведенном предварительном вытеснении рапы нефтью с использованием гидравлической схемы (фиг.5), теперь как нельзя лучше используют сложившуюся ситуацию для отключения от работы гидравлической схемы (фиг.5) и перехода на другую гидравлическую схему (фиг.6), которую подключают к кернодержателю (фиг.1) с использованием тех же самых монифольдов, что и для гидравлической схемы (фиг.5).

Гидравлическая схема устройства для определения характеристик образцов горных пород, а именно для определения коэффициентов вытеснения нефти водой в условиях, близких к пластовым (фиг.6), содержит помимо кернодержателя 3, размещенного в камере 1, емкость 54 с водой, в которой могут быть растворены поверхностно активные вещества (ПАВ) и другие реагенты, повышающие нефтеотдачу, которая с помощью вентилей 38 и монифольда 36 связана трубопроводом с разделительной колонкой 55, в которой в нижней части налита вода (рапа), а в верхней части - масло, масляной насос 56 с емкостью 57 под масло, источник давления 58 вытесняющей воды, корпус которого в виде камеры снабжен шарнирами 59 с возможностью фиксации угла наклона его продольной оси относительно горизонтальной плоскости и резиновой грушей (шприцом) 60, заполненной вытесняющей водой (рапой), грузом 61 известной массы, сборник 62 под вытесненную нефть (керосин) и профильтрованную воду (рапу) через образец 6 породы, внутри которого в его нижней части выполнены каналы разной высоты ввода жидкости (слева) и канал выхода лишней жидкости (справа), а в его верхней части выполнен канал, снабженный вентилем 38 и соединенный с сепаратором 63, последний соединен трубопроводом с газосчетчиком 64.

Указанная гидравлическая схема работает следующим образом. Сначала внутренняя емкость источника давления 58, находящегося в горизонтальном положении, груша 60, трубопровод, связанный с верхней частью источника давления 58, и трубопровод, связанный со сборником 62 и далее с выходным каналом 7, заполняются водой (рапой) из емкости 54 с помощью соответствующих монифольдов 36 и вентилей 38. Затем с помощью насоса 56, питаемого маслом (индустриальным или трансформаторным) из емкости 57, создают давление в замкнутой системе, близкое к внутрипластовому, предварительно создав заданные значения обжимающего давления на образец 6 и вертикальную составляющую горного давления после извлечения из кернодержателя 3 полупроницаемых мембран 28 и 29, имея ввиду, что они уже выполнили свою роль при создании остаточной водонасыщенности в образце при заполнении его пор вытесняющей нефтью. Теперь настала пора вытеснять нефть из образца водой, чтобы определить сколько же ее остается в породе при разработке месторождения под действием нагнетаемой воды по нагнетательным скважинам. Перепад давления в нагнетательных и добывающих скважинах обычно известен, он определяется технологией разработки месторождения, при этом известно и среднее расстояние между рядом нагнетательных скважин и рядом добывающих скважин. Разделив известный указанный перепад давления на известное указанное расстояние, получаем градиент давления на единице длины пласта, после чего определяем необходимый перепад давления на торцах испытуемого образца путем умножения полученного градиента давления на длину испытуемого образца. Этот перепад, как показывают расчеты, находится в пределах от 0,005 МПа до 0,01 МПа. Такой перепад давления можно создать с помощью груза 61 известной массы, задавая необходимый угол наклона его линии скольжения (качения) внутри корпуса 58 источника давления к горизонтальной плоскости. Разлагая вес груза 61 с учетом выталкивающей силы Архимеда на две составляющие: одну параллельно линии наклона образующей цилиндрического корпуса 58, а другую - перпендикулярно ей, находим создаваемое давление флюида на входном торце образца 6, разделив первую силу на площадь поршня шприца или на внутреннюю площадь поперечного сечения корпуса 58 в зависимости от того, что используется - шприц с поршнем или резиновая груша 60. Создав необходимый расчетный перепад давления на торцах образца, начинается вытеснение нефти из испытуемого образца 6 в кернодержателе 3, которая по выходному каналу 7 при закрытом вентиле поступает в измерительный узел 27 и при открытом вентиле по пути попадает в сборник 62 и далее при открытом вентиле из сборника 62 попадает в корпус 58 источника давления. При этом все остальные вентили 38, мешающие фильтрации и вытеснению нефти из образца 6, перекрыты. Нефть (керосин), попадая в сборник 62 по левому каналу, поднимается в его верхнюю часть и там собирается. После прокачки через образец от 6 до 14 объемов пор образца процесс вытеснения прекращают, корпус 58 возвращают при этом в горизонтальное положение. Перекрывая затем необходимые вентили, включая насос 56 при низком регулируемом расходе и открывая незначительно вентиль точной регулировки в верхней части сборника 62, производят перемещение собранной нефти (керосина) в его верхней части в сепаратор 63, в котором производят окончательное разделение нефти (керосина) от капель воды и выделяемого при этом растворенного газа и ее количество, количество газа определяют с помощью газосчетчика 64.

После этого все давления постепенно сбрасывают до нуля, подготавливая кернодержатель 3 для извлечения испытуемого образца 6 и зарядки последующего, и все описанные выше операции повторяются.

Предлагаемая конструкция устройства позволяет проводить испытания как при всестороннем равномерном сжатии, так и при неравномерном сжатии, когда одна из составляющих горного давления ощутимо отличается от другой составляющей, чего не было осуществлено в аналогичных конструкциях. Упрощена также операция смены образца породы, не извлекая кернодержатель 3 из масляной ванны камеры 1. Кроме этого предлагаемая конструкция устройства позволяет расширить его функциональные возможности. Например, освободив кернодержатель от полупроницаемых мембран 29 и 28, заменив нижнюю мембрану 29 на непроницаемый диск, можно определить сжимаемость полностью влагонасыщенного образца при заданном внешнем давлении по выжиманию рапы по каналу 11, измеряя ее количество путем отвода в мерный капилляр или в сливную емкость (фиг.4).

Или, например, устройство позволяет измерять проницаемость по нефти (Н) испытуемого образца с остаточной водой при определенном заданном градиенте давлений, измеряя при этом удельное электрическое сопротивление образца породы и скорость упругих волн.

Или, наоборот, осуществляя затем фильтрацию нагнетаемой воды через водонефтенасыщенный образец породы, проводя те же самые указанные измерения, моделируя процесс разработки месторождения и определяя коэффициент вытеснения нефти в условиях, приближающихся к пластовым.