Устройство для определения характеристик образцов горных пород

Устройство для определения характеристик образцов горных пород

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к технике горного дела, добыче полезных ископаемых, в частности к устройствам для определения характеристик образцов горных пород, моделирующих термобарические условия естественного залегания. Оно может быть использовано в геологии, газовой и нефтяной промышленности для быстрого лабораторного определения открытой пористости, проницаемости, насыщенности водой и нефтью, измерения удельного электрического сопротивления, а также определения упругих характеристик (модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона) горных пород в виде кернов.

Принцип измерения удельного электрического сопротивления основан на точном измерении падения переменного электрического напряжения на исследуемом образце горной породы в виде керна.

Принцип определения упругих характеристик материала керна основан на измерении скорости распространения в нем продольных С₁ и поперечных C_t волн и использовании известных функциональных соотношений между ними

Е=ρC₁ ²(1+ν)(1-2ν)/(1-ν); G=ρC_t ²; ν=(1-2C_t ²/C₁ ²)/2(1-C_t ²/C₁ ²),

где Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига, ν - коэффициент Пуассона, ρ - плотность материала керна.

При измерении удельного электрического сопротивления керна и упругих характеристик его материала с моделированием термобарических условий естественного залегания важным конструктивным элементом любого устройства измерения является кернодержатель - устройство для фиксирования керна и подсоединения к нему электродов и измерительных датчиков.

Известно устройство с кернодержателем закрытого типа [патент РФ №2034146], состоящее из герметичной камеры, силового цилиндра с поршнем, измерительного штока, резиновых обжимных втулок и электродов, установленных между торцами испытуемого керна и равномерно по его длине, что позволяет проводить опыты по измерению изменения электрического сопротивления керна при имитации горного давления с помощью резиновых манжет.

Недостатком такого кернодержателя и измерительной системы является то, что величина давления резиновых манжет на боковую поверхность керна, как и распределение давления по длине керна, не поддается прямому контролю и определяется только расчетным путем.

Известно устройство для исследования насыщенных водой и нефтью кернов для определения коэффициента сжимаемости пор, коэффициента пористости, коэффициента проницаемости, скорости распространения продольных волн, а также для измерения электрического сопротивления керна [Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. Институт нефти и химии. Баку, 1968, №7, с.3-7]. Устройство включает корпус гидравлической камеры, кернодержатель в виде резиновой обоймы для изоляции керна от нагружающей жидкости, гидравлическую систему для моделирования радиального давления на керн, гидравлическую систему и поршни для моделирования осевого горного давления, втулки, изолирующие поршни от корпуса, дозатор непрерывного действия для фильтрации жидкости через керн, компрессор для создания пластового давления, стальные питающие и отводящие трубки.

Недостатком этого устройства является шунтирование керна стальными трубками и находящейся в них минерализованной электропроводящей водой, что значительно снижает точность измерения электрического сопротивления керна и вызывает необходимость частичной разборки стальных питающих трубок при измерении удельного электрического сопротивления кернов.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство для изучения физических свойств горных пород в виде кернов, в условиях моделирующих пластовые, которое способно обеспечить измерение удельного электрического сопротивления керна с низкой погрешностью без частичной разборки питающих стальных трубок [патент РФ №2223400]. Устройство содержит 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, соединенный с трубками подачи 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 системы подачи и отвода флюида, а полость, ограниченная внешней поверхностью эластичной оболочки и внутренними стенками камеры, соединена штоком со штуцером подачи жидкости для создания обжимающего давления. Такое сочетание конструктивных элементов камеры и кернодержателя обеспечивает электрическую изоляцию керна при измерении его удельного электрического сопротивления без частичной разборки соединительных питательных трубок.

Недостатком этого устройства является невозможность определения упругих характеристик материала керна (модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона).

Предметом изобретения является устройство для изучения характеристик горных пород в условиях, моделирующих пластовые, которое способно обеспечить измерение не только удельного электрического сопротивления керна, но и скорости распространения продольных и поперечных волн, необходимых для определения упругих характеристик материала горных пород.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для измерения характеристик горных пород.

Технический результат достигается тем, что в устройство для определения характеристик горных пород в виде кернов, содержащем камеру с кернодержателем, штуцеры с трубками системы подачи и отвода флюида, штуцер подачи жидкости для создания обжимающего давления, блок измерения удельного электрического сопротивления, соединенный с трубками системы подачи и отвода флюида, причем кернодержатель размещен в герметизированной камере и выполнен из электроизоляционной эластичной оболочки, один конец которой охватывает подвижный электрод, а другой - неподвижную торцовую втулку, ограниченная ими внутренняя полость соединена каналами с трубками системы подачи и отвода флюида, а полость, ограниченная внешней поверхностью эластичной оболочки, и внутренними стенками камеры соединена трубкой со штуцером подачи жидкости для создания обжимающего давления, введен 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, а 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 концентрические 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.

Совокупность признаков, изложенных в п.2 формулы, характеризует устройство для определения характеристик горных пород, у которого электронный блок измерения времени распространения продольных и поперечных волн состоит из коммутатора, однокристальной микро-ЭВМ, последовательного соединения цифрового синтезатора сигналов и усилителя мощности, выходом соединенного с излучающим пьезопреобразователем, двухканального усилителя высокочастотных электрических импульсов, входом подключенного к приемному пьезопреобразователю, а выходом, соединенным с сигнальным входом компаратора, управляющий вход которого подключен к первому цифроаналоговому преобразователю, а выход соединен с первым входом счетчика, второй вход которого и его выход, и вход первого цифроаналогового преобразователя соединены с однокристальной микро-ЭВМ, а третий вход счетчика подключен к первому выходу кварцевого генератора, второй выход которого соединен с цифровым синтезатором сигналов, а коммутатор подключен к двухканальному приемному усилителю и однокристальной микроЭВМ, выход которой соединен со вторым цифроаналоговым преобразователем.

Совокупность признаков, изложенных в п.3 формулы, характеризует устройство для определения характеристик горных пород, у которого на внутренних торцах вкладышей, соприкасающихся с керном, выполнены концентрические канавки, которые соединены между собой такими же канавками, расположенными по радиусу. Канавки необходимы для свободного прохождения флюида через керн.

Совокупность признаков, изложенных в п.4 формулы, характеризует устройство для определения характеристик горных пород, у которого канавки на внутренних торцах вкладышей выполнены треугольными с углом 60° при вершине.

Совокупность признаков, изложенных в п.5 формулы, характеризует устройство для определения характеристик горных пород, у которого пьезопластины вырезаны из пьезокерамики под углом к кристаллографической оси Z, величина которого позволяет последовательно излучать и принимать продольные и поперечные волны.

Совокупность признаков, изложенных в п.6 формулы, характеризует устройство для определения характеристик горных пород, у которого пьезопластины вырезаны из пьезокерамики ЦТБС-3, обладающей большим значением пьезомодуля и стабильностью характеристик, под углом 70°±3° к кристаллографической оси Z, при котором обеспечивается максимальное излучение и прием продольных и поперечных волн на разных частотах.

Особенности и преимущества предлагаемого изобретения поясняются чертежами, где на фиг.1 представлено устройство для измерения физических характеристик горных пород; на фиг.2 - структурная схема электронного блока для измерения времени прохождения продольных и поперечных волн через керн, определения по ним скоростей распространения упругих волн в материале и вычисления его упругих характеристик, на фиг.3 - конструкция вкладыша.

На фиг.1 показана герметизированная камера 1, трубка системы подвода флюида 2, трубка системы отвода флюида 3, блок 4 для измерения удельного электрического сопротивления кернов, кернодержатель 5 в виде герметичной электроизоляционной эластичной оболочки, один конец которой охватывает подвижный электрод 6, а другой - неподвижную торцовую втулку 7, штуцер 8 и трубка 2 системы подачи флюида, штуцер 9 и трубка 3 системы отвода флюида, керн 10, штуцер 11 подачи жидкости между стенками камеры и эластичной оболочкой кернодержателя для создания обжимающего керн давления, аналогичного пластовому, пьезоэлектрические пластины 12, установленные на торцах малого диаметра вкладышей 13 в виде ступенчатых цилиндров, которые с помощью высокочастотных кабелей 14 подключены к электронному блоку 15 для измерения времени прохождения продольных и поперечных волн через керн.

Пьезопластины вырезаны из пьезокерамики ЦТБС-3 под углом 70°±3° к кристаллографической оси Z, при котором обеспечивается максимальное последовательное излучение и прием продольных и поперечных волн на разных частотах.

На фиг.2 представлен электронный блок измерения времени распространения упругих волн 15, который состоит из коммутатора 16, однокристальной микро-ЭВМ 17, последовательного соединения цифрового синтезатора сигналов 18 и усилителя мощности 19, выходом соединенного с излучающим пьезопреобразователем 12_И, соединенного с керном 10, приемного преобразователя 12_П, подключенного ко входу двухканального усилителя 20 высокочастотных электрических импульсов, выход которого соединен с сигнальным входом компаратора 21, управляющий вход которого подключен к первому цифроаналоговому преобразователю 22, а выход соединен с первым входом счетчика 23, второй вход которого и его выход, и вход первого цифроаналогового преобразователя 22 соединены с однокристальной микро-ЭВМ 17, а третий вход счетчика подключен к первому выходу кварцевого генератора 24, второй выход которого соединен с цифровым синтезатором сигналов 18, третий - с однокристальной микроЭВМ 17, а коммутатор 16 подключен к двухканальному приемному усилителю 20 и однокристальной микро-ЭВМ 17, выход которой соединен со вторым цифроаналоговым преобразователем 25.

На фиг.3 представлена конструкция вкладышей 13, выполненных в виде цилиндров ступенчатой формы, причем на торце цилиндра большого диаметра, контактирующего с керном, выполнены концентрические канавки 26 треугольной формы с углом при вершине 60°±1°, соединенные такими же канавками 27, расположенными вдоль радиусов.

Устройство для определения характеристик образцов горных пород работает следующим образом.

Измерение удельного электрического сопротивления осуществляется аналогично устройству по патенту [патент РФ №2223400]. В положении, когда керн 10 внутри герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 5 отсутствует, а вкладыши 13, вставленные узким концом в подвижный торцовый электрод 6 и неподвижную торцовую втулку 7, контактируют друг с другом, измерительную схему блока 4 измерения электрического сопротивления подстраивают под конкретное сопротивление элементов измерительной цепи по переменной и постоянной составляющей выходного напряжения. Затем стандартными методами экстрагированный, высушенный и насыщенный под вакуумом нефтью исследуемый керн 10 помещают в герметичную электроизоляционную эластичную оболочку 5 между вкладышами 13. Камеру 1 через штуцер 11 заполняют маслом, являющимся диэлектриком, осуществляя при этом обжим керна 10 по боковой поверхности за счет податливости герметичной электроизоляционной эластичной оболочки 5 и вдоль оси за счет подвижности торцового электрода 6. При этом первоначально создается давление, достаточное для того, чтобы обеспечить плотный прижим электроизоляционной эластичной оболочки 5 к цилиндрической поверхности подвижного торцового электрода 6 и неподвижной торцовой втулки 7, а также обеспечить плотное соприкосновение торцов керна 10 с поверхностями вкладышей 13 большого диаметра. Блок измерения электрического сопротивления 4 перестраивают в диапазон, оптимальный с точки зрения помехозащищенности схемы для данного керна 10. Блок 4 включает в себя задающий генератор синусоидального напряжения, фильтр высокой частоты для устранения помех, генератор стабилизированного тока, переключатель диапазонов сопротивления, через который генератор стабилизированного тока подключен к керну, фильтр реактивной составляющей удельного электрического сопротивления керна, усилитель, включающий регулятор установки нуля и фильтр высоких частот, синусоидальное напряжение которого пропорционально активному сопротивлению керна, детектор постоянного выходного напряжения и аналого-цифровой преобразователь. Для измерения удельного электрического сопротивления керна 10 в процессе вытеснения нефти подают под пластовым давлением вытесняющую жидкость через трубку 2 системы подвода, а вытесняемая жидкость отводится через трубку 3 системы отвода.

Измерение времени распространения продольных и поперечных волн через керн и определение тем самым скоростей распространения этих волн и упругих характеристик (модуля Юнга, модуля сдвига и коэффициента Пуассона) осуществляют с помощью пьезопластин 12 и электронного блока 15.

В нашем случае пьезопластины 12 вырезаны из пьезокерамики ЦТБС-3, обладающей большим значением пьезомодуля и стабильностью свойств, под углом 70° к кристаллографической оси Z. На грани пьезопластин 12 наносят металлические электроды и одной стороной приклеивают к узкой части вкладышей 13. Ко вторым наружным граням пьезопластин припаивают выводы 14, с помощью которых они подключаются к электронному блоку 15. Пьезопластина, вырезанная под углом к кристаллографической оси Z из пьезокерамики, может совершать колебания как по толщине, так и в перпендикулярном направлении последовательно на разных частотах. Угол среза нами выбран 70°, при котором коэффициент преобразования по продольным и поперечным волнам максимален.

Измерение времени распространения продольных и поперечных волн осуществляется следующим образом. Цифровой синтезатор сигналов 18, управляемый от однокристальной микроЭВМ 17 периодически вырабатывает радиоимпульсы с частотой заполнения f₁, соответствующей максимуму коэффициента преобразования по продольным волнам, которые поступают на усилитель мощности 19. Частота заполнения радиоимпульсов, их длительность, период посылки и амплитуда определяются программно. После усиления усилителем мощности 19 эти импульсы подаются на излучающий преобразователь 12_И, состоящий из пьезопластины 12 и вкладыша 13. На торцах вкладышей 13 большого диаметра имеются канавки 26 и 27, по которым циркулирует флюид, обеспечивая хороший акустический контакт с керном для излучения и приема продольных волн. Прошедший через керн 10 акустический сигнал принимается приемным преобразователем 12_П и поступает на первый канал двухканального усилителя 21. Одновременно с выработкой излучающего сигнала микроЭВМ 17 запускает шестнадцатиразрядный счетчик 23. Частота счета последнего определяется кварцевым генератором 24 и равна 48 МГц. Также микроЭВМ 17 по определенному закону вырабатывает цифровой код, поступающий на цифроаналоговый преобразователь 22 (ЦАП-1) и меняющийся с каждой посылкой. ЦАП-1 22 преобразует этот код в постоянное напряжение, которое подается на компаратор 21, в котором сравнивается с прошедшим через керн и усиленным усилителем 20 сигналом. При достижении уровня напряжения амплитуде принятого сигнала, компаратор 21 вырабатывает импульс, который останавливает работу счетчика 23. Значение, полученное на счетчике, поступает в микроЭВМ 17, где пересчитывается в цифровой код, характеризующий время распространения сигнала и подается на цифроаналоговый преобразователь 25 (ЦАП-2). Последний вырабатывает постоянное напряжение, соответствующее времени распространения сигнала в керне, используемое для дальнейшей обработки.

Для измерения времени распространения поперечных волн с помощью коммутатора 16 производятся изменения в программной части. При этом синтезатор сигналов 18 вырабатывает радиоимпульс с частотой заполнения f_t, соответствующей максимуму излучения и приема поперечных волн, которые вводятся и принимаются за счет сильного давления между вкладышами и керном. Прошедшие сигналы усиливаются вторым каналом усилителя 20, переключение которого осуществляет также коммутатор 16. По измеренным временам распространения упругих волн через керн и его длине вычисляются скорости распространения продольных и поперечных волн и ν - коэффициент Пуассона, а с учетом измеренной плотности материала керна его упругие модули: Е - модуль Юнга, G - модуль сдвига.

Такое построение устройства существенно расширяет функциональные возможности измерителя физических свойств образцов горных пород.

1. 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, отличающееся тем, что дополнительно введены 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, а 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.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электронный блок измерения времени распространения упругих волн состоит из коммутатора, однокристальной микроЭВМ, последовательного соединения цифрового синтезатора сигналов и усилителя мощности, выходом соединенного с излучающим пьезопреобразователем, двухканального усилителя высокочастотных электрических импульсов, входом подключенного к приемному пьезопреобразователю, а выходом соединенного с сигнальным входом компаратора, управляющий вход которого подключен к первому цифроаналоговому преобразователю, а выход соединен с первым входом счетчика, второй вход которого и его выход, и вход первого цифроаналогового преобразователя соединены с однокристальной микроЭВМ, а третий вход счетчика подключен к первому выходу кварцевого генератора, второй выход которого соединен с цифровым синтезатором сигналов, третий - с однокристальной микроЭВМ, а коммутатор подключен к двухканальному приемному усилителю и однокристальной микроЭВМ, выход которой соединен со вторым цифроаналоговым преобразователем.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канавки на внутреннем торце вкладышей выполнены концентрическими, и соединены между собой такими же канавками, расположенными вдоль радиусов.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что профиль канавок треугольный с углом 60°±1° при вершине.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пьезоэлектрические пластины вырезаны из пьезокерамики под углом к кристаллографической оси Z, величина которого позволяет излучать и принимать последовательно продольные и поперечные волны.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что пьезоэлектрические пластины вырезаны из пьезокерамики ЦТБС-3 под углом 70°±3° к кристаллографической оси Z.