Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленностям и может быть использовано для измерения физических и механических характеристик кольцевых образцов горных пород со сквозным отверстием.

Известно устройство для изучения физико-механических свойств образцов горных пород кольцевой формы с осевым отверстием, содержащее цилиндрический корпус с размещенной в нем кольцевой оболочкой из эластичного материала и снабженный крышкой с осевым отверстием, закрепленной на корпусе, дном и штуцером, размещенным на цилиндрической части корпуса, при этом устройство снабжено регулируемым источником давления и измерителем перемещений (см. а.с. СССР 1619109, МПК G01N 3/10, 1991).

Недостатком известного устройства является то, что при определении механических характеристик с помощью этого устройства нельзя определить прочность образца и, кроме того, при одной установке образца в корпус устройства нельзя определить механические характеристики этого образца, насыщенного газом и насыщенного пластовой или скважинной жидкостью.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для изучения физико-механических свойств образцов горных пород, содержащем цилиндрический корпус с размещенной в нем кольцевой оболочкой из эластичного материала и снабженной крышкой с осевым отверстием, закрепленной на корпусе, дном и штуцером, размещенным на цилиндрической части корпуса, при этом устройство снабжено регулируемым источником давления и измерителем перемещений, на дне корпуса закреплен фланец с осевым отверстием, снабженный штуцером, при этом внутренняя поверхность фланца выполнена с цилиндрическим выступом, в корпусе внутри кольцевой оболочки из эластичного материала размещен вкладыш, выполненный в виде диска с хвостовиком, при этом часть хвостовика размещена в отверстии крышки, а его конец снабжен упором, взаимодействующим с измерителем перемещений, установленным на раме, закрепленной на дне корпуса, причем корпус, дно и крышка корпуса, кольцевая оболочка из эластичного материала и вкладыш образуют герметичную полость, связанную с регулируемым источником давления через штуцер. Кроме того, диаметр цилиндрического выступа на внутренней поверхности фланца равен диаметру диска вкладыша.

На чертеже изображено устройство для изучения физико-механических свойств образцов горных пород.

Устройство для изучения физико-механических свойств образцов горных пород состоит из корпуса 1, на цилиндрической части которого размещено отверстие 2 для подсоединения штуцера (на чертеже не показан). Внутри корпуса 1, толщина которого зависит от величины прикладываемого давления, размещена кольцевая оболочка 3 из эластичного материала. Дно корпуса 1 выполнено в виде закрепленного на корпусе 1 фланца 4 с осевым отверстием 5, снабженным штуцером (на чертеже не показан). На внутренней поверхности фланца 4 выполнен цилиндрический выступ 6. На корпусе 1 закреплена крышка 7 с осевым отверстием 8. В корпусе 1 размещены кольцевой образец 9 с осевым отверстием 10, вкладыш, выполненный в виде диска 11, и хвостовик 12. Чтобы повысить надежность герметизации образца, диаметр диска 11 выполнен равным диаметру цилиндрического выступа 6. Часть хвостовика 12 размещена в осевом отверстии 8 крышки 7, а конец хвостовика 12 снабжен упором 13, взаимодействующим с измерителем 14 перемещений. Устройство снабжено рамой 15, закрепленной на фланце 4 корпуса 1. На раме 15 установлен измеритель 14 перемещений. Корпус 1, фланец 4, крышка 7, кольцевая оболочка 3 из эластичного материала, диск 11 и хвостовик 12 вкладыша образуют герметичную полость 16, связанную через отверстие 2 и штуцер с регулируемым источником давления (на чертеже не показан).

Работа устройства осуществляется следующим образом. В корпусе 1 внутри кольцевой оболочки 3 из эластичного материала размещают вкладыш, выполненный в виде диска 11 и хвостовика 12 и подготовленный для исследования механических свойств кольцевой образец 9 с осевым отверстием 10. На корпусе 1 закрепляют фланец 4 и крышку 7 с осевым отверстием 8, в которое входит часть хвостовика 12. На фланце 4 с помощью гайки закреплена рама 15, на которой установлен измеритель 14 перемещений, взаимодействующий с упором 13, размещенным на конце хвостовика 12. Через штуцер и отверстие 2 в герметичную полость 16 подают известное количество рабочей жидкости с известным коэффициентом сжимаемости, создают давление в полости 16, которое воздействует на образец 9 как по наружной поверхности через кольцевую оболочку 3 из эластичного материала, так и в осевом направлении через диск 11 вкладыша. Осевое перемещение вкладыша (диска 11 и хвостовика 12) через упор 13 фиксируется измерителем 14 перемещений. При известных сжимаемости и объеме рабочей жидкости рассчитывают величину сжатия образца 9, а по величине сжатия и по изменению длины образца 9 рассчитывают модуль упругости и коэффициент Пуассона. При определении механических характеристик образца можно менять диаметры хвостовика 12 и отверстия образца, подбирая их для получения более точных результатов в зависимости от ожидаемых характеристик образца. Так, для жестких и прочных образцов увеличивают диаметр отверстия образца и уменьшают диаметр хвостовика 12, а для мягких и малопрочных образцов - наоборот.

Если обозначить отношение внутреннего диаметра образца к его наружному диаметру - «к», а отношение диаметра хвостовика 12 к наружному диаметру образца - «q», то относительное изменение объема образца можно рассчитать по формуле:

где ΔV - величина абсолютного изменения объема образца, м;

V - исходный объем образца, м³;

Р - давление в герметичной полости, МПа;

μ - коэффициент Пуассона;

Е - модуль упругости, МПа.

Относительное изменение длины можно рассчитать по формуле:

где ΔZ - величина абсолютного изменения длины образца, м;

Z - исходная длина образца, м.

Если выражение (2) разделить на выражение (1), то из полученной формулы можно определить коэффициент Пуассона:

Модуль упругости можно определить с учетом формул (1) и (2), подставляя коэффициент Пуассона:

При насыщении образца 9 жидкостью через штуцер и осевое отверстие 5 обжимают образец 9 давлением через штуцер и отверстие 2 и рассчитывают модуль упругости и коэффициент Пуассона для насыщенного образца. Создавая внутреннее давление на образец 9 через осевое отверстие 5, повторяют измерения и рассчитывают модуль упругости и коэффициент Пуассона при наличии внутреннего давления на образец. При этом нет необходимости вынимать образец из корпуса 1.

При необходимости определения прочности образца 9 увеличивают давление в герметичной полости 16 до разрушения образца 9 и рассчитывают прочность образца по формуле:

где σ - прочность образца, МПа,

Р_в - давление внутри образца, МПа.

Предлагаемое устройство позволяет за счет сжимаемости образца и осевого перемещения торцевой поверхности образца по результатам одного испытания заданным давлением в герметичной полости корпуса определять модуль упругости и коэффициент Пуассона как для сухого, так и для насыщенного жидкостью образца, при этом не требуется дополнительной разборки и сборки устройства. Кроме того, предлагаемое устройство позволяет определять прочность образца. Следовательно, предлагаемое устройство расширяет функциональные возможности, снижает трудоемкость и время испытаний при изучении физико-механических свойств образцов горных пород.