Изучение акустических свойств горных пород

На установке AutoLab-500

Цель: измерение скорости прохождения продольных и поперечных волн для расчета модуля Юнга и коэффициента Пуассона.

Задачи: научить студентов работать на установке AutoLab-500для определения акустических свойств горных пород.

Основные теоретические положения

В пласте могут распространяться два вида волн: продольные и поперечные.

Продольные волны V_р – характеризуют распространение в пласте объемных деформаций – растяжения-сжатия.

Поперечные волны V_s - характеризуют деформации сдвига.

Скорости V_р, V_s зависят от упругих свойств пород:

(3.1)

(3.2)

где Е, G – модули Юнга и сдвига; n - коэффициент Пуассона; r - плотность породы.

Выражая из (3.1) и (3.2) можно определить упругие константы Е,G, n

Е=2V_s²r(1+n); G=r V_s²; (3.4)

С увеличением давления V_p и V_s возрастают.

В пористых породах V_p и V_s меньше, чем в плотных.

 

Порядок проведения работ

Для проведения измерений используются:

- ультразвуковая измерительная система AutoLab500 фирмы New England Researcy, Inc.;

- штангенциркуль, цена деления 0.05 мм, по ГОСТ 1.66-80;

- модель пластовой воды, приготовленная по ГОСТ 26450.0-85 Породы горные «Методы определения коллекторских свойств».

Измерения выполняются при нормальных условиях, по ГОСТ 15150-69.

Перед началом измерений должены иметь конкретную программу исследований зависимостей скоростей распространения продольных и поперечных волн от давления, в которой указано:

- горное давление;

- поровое давление;

- минерализация и состав солей пластовой воды.

Образцы породы правильной цилиндрической формы и модель пластового флюида для испытания готовят по ГОСТ 26450.0-85 – 26450.2-85, при этом по каждому образцу должны быть определены следующие физические параметры:

- линейные размеры образца (длина, диаметр);

- минералогическая и объемная плотности;

- пористость;

- абсолютная проницаемость.

На установке AutoLab500 используется кернодержатель погружного типа (рис.3.1) для образцов диаметром 30 мм, при этом длина образца может изменяться от 15 до 80 мм.

Рис. 3.1 Кернодержатель

Включить установку AutoLab500, переключением тумблера в положение «On» (рис. 3.2), и персональный компьютер в сеть питания, дать прогреться электронным приборам, проверить исправность приборов согласно руководству по их эксплуатации.

Рис. 3.2 Клавиши включения системы

Надеть на подготовленный, насыщенный пластовым флюидом, образец манжету из полимерного материала или резины диаметром равным диаметру образца. Манжета должна быть длиннее образца приблизительно на 20 мм. Поместить образец между двумя торцами кернодержателя и прикрутить при помощи хомутов либо проволоки (рис. 3.3).

Рис. 3.3 – Манжета кернодержателя

Аккуратно опустить кернодержатель в специальный стальной корпус (рис. 3.4), предварительно заполненный трансформаторным маслом до метки, высеченной на внутренней поверхности корпуса и затем закрутить до упора, чтобы трубопровод от системы создания порового давления совпал с входной трубкой кернодержателя.

Рис. 3.4 – Стальной корпус

Залить в емкость (рис. 3.5), расположенный в верхней части лицевой панели установки модель пластовой жидкости. Затем, для удаления воздуха из соединительных трубопроводов, поворачивая ручку против часовой стрелки, открыть оба вентиля на этой панели (верхний вентиль – Vent (рис. 3.6), нижний вентиль - Sample On/Off (рис. 3.7)) относящиеся к системе создания порового давления Pore Pressure. Дождаться момента появления жидкости из трубопровода от системы создания порового давления закрыть верхний вентиль Vent (рис. 3.5), а затем прикрутить трубопровод к входной трубке кернодержателя.

Рис. 3.5 – Емкость для модели пластовой воды

Рис. 3.6 – Вентиль регулирования подачи порового давления

Рис. 3.7 – Вентиль включения порового давления

Внимание: на установке AutoLab500 используются новейшие соединения типа металл-металл. Поэтому закручивать все соединения следует не сильно, во избежание их деформации и как следствие выхода из строя!!!

Убедиться, что оба ручных насоса, которые создают горное (рис. 3.8) и поровое давление (рис. 3.9) находятся в рабочем положении – поршни находятся в нижнем положении и полностью заполнены трансформаторным маслом. Для приведения поршня в нижнее рабочее положение необходимо повернуть ручной переключатель, расположенный в нижней части насоса в сторону Down и при помощи ручного рычага (поочередно опуская и поднимая его вниз-вверх) опустить поршень. Затем добавить трансформаторное масло в заливное отверстие, расположенное в верхней части насоса. И переключить ручной переключатель обратно в сторону Up.

Рис. 3.8 Насос горного давления

Рис. 3.9 Насос порового давления

Удалить воздух из системы создания горного давления. Для этого, поворачивая ручку против часовой стрелки, открыть оба вентиля (верхний вентиль – Vent (рис. 3.10), нижний вентиль - Vessel On/Off (рис. 3.11)) относящиеся к системе создания горного давления Confining Pressure. Затем повернуть ручной переключатель, расположенный в нижней части насоса в сторону Up и при помощи ручного рычага (поочередно опуская и поднимая его вниз-вверх) немного поднять поршень пока весь воздух не выйдет, о чем можно визуально наблюдать по отсутствию пузырьков воздуха в пластиковой полупрозрачной трубке расположенной за лицевой панелью установки (рис. 3.12). Затем закрыть верхний вентиль Vent.

Рис. 3.10 Вентиль горного давления

Рис. 3.11 Вентиль горного давления

Рис. 3.12 – Шланг покачивания системы

Запустить программу AutoLab в панели задач компьютера. Выбрать в появившемся окне NER Laboratory Process Monitor кнопку Acquire Data (рис. 3.13), в которой необходимо выбрать тип эксперимента Velocity (рис. 3.14), затем щелкнуть мышью OK. Далее, появится окно Experimental Information Velocity (рис. 3.15), в котором ввести необходимые сведения об образце и каналах, содержащих информацию о датчиках и устройствах сбора данных, и затем снова щелкнуть мышью Done.

Рис. 3.13 Окно NER Laboratory Process Monitor

Рис. 3.14 Окно Experiment type

Рис. 3.15 Окно Experimental Information Velocity

После того как программа запуститься на экране появятся три окна: Analog Channel Monitor (рис. 3.16)(позволяет контролировать текущие значения каждого из устройств в выбранных единицах измерения), Acquisition Viewer (рис. 3.17) (отображает кривые импульсов ультразвуковых волн) и Commander (рис. 3.18) (позволяет полностью управлять экспериментом). В окне Commander необходимо щелкнуть мышью Pulser Control.

Рис. 3.16 Окно Analog Channel Monitor

Рис. 3.17 Окно Acquisition Viewer

Рис. 3.18 Окно Commander

Проверить рабочее состояние системы – оба верхних вентиля Vent на передней панели установки закрыты, оба нижних Vessel On/Off и Sample On/Off открыты. Ручные переключатели на обоих насосах повернуты в сторону Up.

Поднять давление обжима до 15-20 МПа с помощью ручного рычага (поочередно опуская и поднимая его вниз-вверх). Значение давления контролировать по программному обеспечению в компьютере в окне Analog Channel Monitor в строке CP (рис. 3.19)

Внимание: Если значение давления будет одновременно подыматься и в системе создания порового давления PP, значит масло из системы обжима попадает в образец и систему создания порового давления (манжета соскочила, либо порвалась, либо плохо затянуты соединения на трубках). Необходимо остановить эксперимент, промыть установку и начать опыт заново!!!.

Внимание: Если значение горного давления не устанавливается, а медленно падает со временем, значит в системе трубопроводов возможна утечка из-за не плотного соединения. Необходимо обнаружить утечку масла и устранить неисправность!!!

Провести донасыщение образца. Поднять поровое давление до 1-5 МПа (в зависимости от проницаемости образца, чем ниже проницаемость, тем выше может быть поровое давление для насыщения) с помощью ручного рычага (поочередно опуская и поднимая его вниз-вверх), относящегося к системе создания порового давления Pore Pressure. Значение давления контролировать по программному обеспечению в компьютере в окне Analog Channel Monitor в строке РР (рис. 3.20).

Дождаться появления жидкости из выходной трубки расположенной на кернодержателе (рис. 3.21) и плотно закрутить выходное отверстие специальной заглушкой.

Рис. 3.19 Окно Analog Channel Monitor

Рис. 3.20 Окно Analog Channel Monitor

Рис. 3.21 Выходная труба

Внимание: Не допускать, чтобы поровое давление превышало давление обжима, в противном случае может произойти разрушение манжеты и повреждение образца!!!.

Поднять поочередно давление обжима и поровое давление с помощью ручных рычагов насосов до значений, назначенных в эксперименте и выждать, пока система не придет в равновесие. Время ожидания может колебаться от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от фильтрационно-емкостных свойств образца. Поровое давление можно более точно регулировать и с помощью ручного вентиля Pore Pressure Actuator, расположенного на лицевой панели установки (рис. 3.22).

Настроить осциллограф, вмонтированный в лабораторный шкаф установки (рис. 3.23). Для чего, щелкнуть мышью кнопку Configure Scope в окне Commander (рис. 3.24) на мониторе компьютера и с помощью тумблера Energy Select (рис. 3.25), расположенном на модуле Ultrasonic Pulser и регулятора Scale (рис. 3.26) в блоке VERTICAL осциллографа увеличить или уменьшить амплитуду сигнала каждой из получаемых типов волн. Затем, щелкнуть мышью кнопку Accept Scope в окне Commander (рис. 3.27) на мониторе компьютера. Проверить формы всех типов волн поочередно переключая тумблер Wave Polarity Select (рис. 3.28) расположенном на модуле Ultrasonic Wave Polarity.

Рис. 3.22 Ручной вентиль Pore Pressure Actuator для создания порового давления

Рис. 3.23 Осциллограф

Рис. 3.24 Окно Commander

 

Рис. 3.25 Тумблер Energy Select

Рис. 3.26 Регулятор Scale

Рис. 3.27 Окно Commander

 

Рис. 3.28 Тумблер Wave Polarity Select

Рис. 3.29 Окно Commander

Выполнить измерения после стабилизации значений горного, порового давлений и настройки осциллографа. Для чего снять показания с осциллографа с помощью программного обеспечения AutoLab500 путем нажатия мышью кнопки Capture (рис. 3.29) в окне Commander на мониторе компьютера, а затем записать полученные формы волн в файл, нажав кнопку Accept в том же окне. Повторить процедуру 3-5 раз.

После проведения измерений до удаления образца из преобразователя, параметры системы привести к окружающим условиям. Поочередно сбросить сначала поровое давление, потом давление обжима до нуля, плавно поворачивая соответствующие вентили Vent против часовой стрелки. Открутить трубопровод от входной трубки кернодержателя, открутить специальную заглушку от выходной трубки кернодержателя, отвернуть кернодержатель против часовой стрелки и вытащить его из стального корпуса. Открутить хомуты и вытащить образец. Убрать рабочее место.

Внимание: Не допускать, чтобы поровое давление превышало давление обжима, в противном случае может произойти разрушение манжеты и повреждение образца!!!