Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОБРАЗЦОВ ГОРНЫХ ПОРОД

Изобретение относится к области горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для определения характеристик образцов горных пород, а именно к способу определения относительных фазовых проницаемостей образцов горных пород, и может быть использовано в геологии, газовой и нефтяной отраслях промышленности для быстрого лабораторного определения открытой пористости, проницаемости, насыщенности водой и нефтью образцов горных пород.

Функциональная зависимость относительных фазовых проницаемостей от насыщенности используется при решении большого числа задач моделирования нефтегазовых резервуаров. Так данные о фазовых проницаемостях необходимы при промышленной оценке переходных нефтегазовых зон пластов, в газогидродинамических расчетах технологических показателей разработки, при выборе методов воздействия на пласт с целью увеличения нефтеотдачи, при анализе и контроле за разработкой залежей.

Для определения относительных фазовых проницаемостей нефти и воды, а также водонасыщенности образца горной породы проводятся экспериментальные исследования. Устройства для проведения данных исследований известны (см., например, патент RU 2223400, SU 1749779). Однако в известных устройствах, применямых для определения характеристик образцов горных пород, а именно для определения относительных фазовых проницаемостей образцов горных пород, отсутствует смеситель, позволяющий получить гомогенезированную смесь нефти и воды.

Наиболее близким аналогом изобретения (прототипом) является устройство для определения характеристик образцов горных пород, содержащее кернодержатель для размещения образца горной породы, систему подачи жидкостей, состоящую из двух изолированных емкостей с исследуемыми жидкостями, и смеситель, выполненный в виде цилиндра (патент RU 2034268). Недостатком указанного устройства является то, что смеситель, описанный в данном патенте, не обеспечивает получения гомогенезированной смеси подаваемых в него жидкостей.

Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого технического решения, заключается в том, что смеситель, описанный в заявляемом изобретении в отличие от обыкновенной высокопроницаемой вставки, в которой реализуется сквозное течение жидкостей, позволяет получить гомогенезированную смесь подаваемых в него жидкостей. Этот эффект достигается за счет увеличения длины пути течения жидкостей внутри смесителя из-за огибания металлических вставок, препятствующих сквозному течению и вызывающих закручивания потока.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство для определения характеристик образцов горных пород содержит кернодержатель для размещения образца горной породы, систему подачи исследуемых жидкостей, состоящую из двух изолированных емкостей для исследуемых жидкостей, и выполненный в виде цилиндра смеситель, установленный перед кернодержателем и сообщающийся с емкостями каналами для подачи исследуемых жидкостей, по длине смесителя выполнена по меньшей мере одна последовательность из четырех несквозных прорезей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, каждая прорезь выполнена в форме усеченного круга, площадь каждой из прорези составляет от 0,7 до 0, 9 от площади поперечного сечения смесителя, причем вторая прорезь выполнена с поворотом на 180 градусов относительно первой прорези, третья прорезь выполнена с поворотом в том же направлении на 90 градусов относительно второй прорези, четвертая прорезь выполнена с поворотом на 180 градусов относительно третьей, и в каждой прорези размещена металлическая пластина, геометрическая форма которой повторяет форму прорези.

Устройство также дополнительно может содержать два расходомера, каждый из которых установлен на канале для подачи исследуемой жидкостей из емкости в смеситель.

Кроме того, в качестве материала смесителя используют высокопроницаемую спеченную керамику.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг.1 показана блок-схема устройства определения характеристик образцов горных пород, на Фиг.2,а приведен общий вид смесителя, а на Фиг.2,б - общий вид металлических вставок смесителя,

На фиг.1 показаны кернодержатель 1 с герметичной электроизоляционной эластичной оболочкой 2, в которой размещается образец горной породы 3. На переднем торце образца 3 устанавливается смеситель 4, а на заднем - высокопористая вставка 5. Подача нефти и воды производится раздельно из заполненных каждая своей жидкостью изолированных друг от друга емкостей 6 и 7 на входные отверстия смесителя 4 с заданным расходом, который регулируется расходомерами 9 и 10, установленными на соответствующих каналах для подачи. Для измерения перепада давления на образце предусмотрен дифференциальный манометр 8. После прохождения смеси жидкостей через исследуемый образец горной породы, представляющий собой фильтрационный участок, она попадает в сепаратор СИ, где разделяется на фазы. Для измерения расходов фаз на выходе предусмотрены расходомеры 11 и 12.

Конструктивная схема смесителя показана на Фиг.2,а. В цилиндрическом смесителе из высокопроницаемого материала профрезеровываются несквозные прорези на равном расстоянии друг от друга, предпочтительно это расстояние составляет от 0, 3 до 0, 7 мм, шириной 1 мм, площадь которых составляет 0,7-0,9 площади сечения самого смесителя. Каждая прорезь выполнена в форме усеченного круга. Причем прорези выполняются по следующей схеме: вторая прорезь профрезеровывается с поворотом на 180 градусов относительно первой прорези, третья прорезь - с поворотом на 90 градусов относительно второй, а четвертая прорезь выполняется с поворотом в 180 градусов относительно третьей. Все прорези выполняются с поворотом в одном направлении. Далее описанный цикл может быть повторен еще несколько раз. Затем в изготовленные прорези вставляют, например вклеивают, пластины, выполненные из любого металла и повторяющие форму прорезей. На Фиг.2,б показан один цикл расположения металлических пластин.

Устройство для определения характеристик образцов горных пород, в частности для определения относительных фазовых проницаемостей нефти и воды и водонасыщенности, позволяет провести непосредственное измерение величин в лабораторных условиях по данным установившейся двухфазной фильтрации. Предлагаемая модификация конструкции фильтрационного участка экспериментальной установки состоит в установке смесителя перед исследуемым образцом горной породы. Смеситель предназначен для выравнивания неоднородного поля водонасыщенности флюидов и позволяет получить гомогенезированную смесь нефти и воды, которая будет подаваться на торец образца. Этот эффект достигается за счет увеличения длины пути течения жидкости внутри смесителя из-за огибания металлических вставок, препятствующих сквозному течению и вызывающих закручивания потока. Таким образом, водонасыщенность образца заранее определена, а время выхода на стационарный режим уменьшается. Благодаря уменьшению неоднородности поля насыщенности минимизируется негативное влияние краевых эффектов, а точность результатов увеличится. Средняя водонасыщенность на выходном сечении смесителя равна процентному содержанию воды в суммарном потоке, подаваемом на входные отверстия смесителя. Таким образом на входной торец исследуемого образца поступает однородная двухфазная смесь с заданной водонасыщенностью. Как показывают результаты проведенных численных расчетов, в случае подачи смеси нефти и воды с известным значением водонасыщенности водонасыщенность образца станет равной водонасыщенности подаваемой на вход смеси.

При проведении эксперимента смесь нефти и воды подается в смеситель в определенном соотношении, гомогенизируется и затем поступает в образец горной породы, первоначально насыщенный нефтью. Причем суммарный объем обеих фаз остается постоянным. Каждый опыт продолжается до достижения установившегося режима фильтрации, который фиксируется по стабилизации показаний датчиков дифференциального давления при заданном постоянном расходе. После этого начинается новый опыт при измененном соотношении фаз в потоке. Эксперимент завершается при полном исчезновении нефти на выходе из образца, при этом содержание воды в потоке достигает 100%.

Значения фазовых проницаемостей для каждой из фаз определяются из закона Дарси, а значения относительных фазовых проницаемостей вычисляются путем деления фазовых проницаемостей на проницаемость образца.

Проведено численное моделирование процесса изотермической фильтрации воды и нефти через смеситель, длина которого равна 3,5 калибрам. Конструктивная схема смесителя показана на фиг.2,а. В профрезерованные на определенном расстоянии пазы шириной 1 мм вклеены металлические пластинки, показанные на фиг.2,б, площадь сечения которых составляет 0,7-0,9 площади поперечного сечения смесителя. Подвод каждой фазы осуществляется раздельно через отверстия, диаметр которых d_in=3 мм, расположенные на расстоянии 23 мм друг от друга. Исходные данные для проведения расчетов представлены в Таблице. Диаметр образца 30 мм.

Задача рассматривалась при следующих допущениях:

- флюиды считаются вязкими, ньютоновскими и несжимаемыми средами;

- материал смесителя изотропный с проницаемостью k и постоянной пористостью φ;

- течение жидкостей описывается линейным законом фильтрации Дарси;

- течение считается изотермическим;

- относительные фазовые проницаемости и капиллярные давления являются функциями насыщенности воды;

- пренебрегаем влиянием гравитационных сил.

Математическая модель изотермической фильтрации несмешивающихся несжимаемых жидкостей состоит из следующих уравнений:

- уравнения неразрывности для каждой из фаз:

где n=о - нефтяная фаза, n=w - водная фаза.

- уравнения движения в пористом теле, которое представляет собой уравнение Дарси:

Начальные условия: S_о=1, P_о=P_out,

Граничные условия:

на границе B₁: - расход воды

на границе В₂: - расход нефти

на границе В₃: - условие непроницаемости

на границе B₄:.∂w_n/∂_n=0 - условия на «вытекающей» границе.

Насыщенности удовлетворяют следующему условию: S_о+S_w=1.

В результате численного моделирования процесса смешения нефти и воды видно, что во всех случаях значение нефтенасыщенности в установившемся режиме течения на выходном торце смесителя равно значению процентного содержания нефти в суммарном потоке нефти и воды, подаваемом на вход смесителя. Следовательно, значение водонасыщенности определяется автоматически без проведения дополнительных измерений по балансу масс на выходе. Причем погрешность определения водонасыщенности составляет менее 2% в отличие от погрешности от 10-40% при традиционной схеме проведения эксперимента.

Таким образом, при помощи численного моделирования процесса двухфазной фильтрации воды и нефти была проверена работоспособность предлагаемого устройства для определения характеристик образцов горных пород, содержащего смеситель. Основной идеей предложенной конструкции смесителя является увеличение эффективной длины смешения жидкостей практически в 5 раз совместно с закручиванием потока жидкости, что позволяет добиться практически однородной смеси жидкостей в выходном сечении смесителя. Результаты расчетов показали, что оптимальная длина смесителя лежит в пределах от 80 до 100 мм, а в качестве материала смесителя предлагается использовать высокопроницаемую спеченную керамику.

Предложение соответствует критерию «промышленная применимость», поскольку его осуществление возможно при использовании существующих средств производства с применением известных технологий.