Определение пористости на установке TPI – 219

Цель: определение коэффициента пористости образцов керна.

Задачи: научить студентов работать на установке TPI – 219 для определения пористости образцов керна.

Введение

Пористость характеризует способность горной породы вмещать жидкости и газы. Под открытой пористостью понимают наличие в горной породе сообщающихся между собой (открытых) пор. Под коэффициентом открытой пористости понимают отношение суммарного объема открытых пор к объему образца.

Все методы определения открытой пористости основаны на двух основных идеях. Первая из них основана на сравнении массы образца до и после насыщения его жидкостью. Сухой образец породы взвешивают, тщательно насыщают жидкостью под вакуумом и снова взвешивают. Частное от деления разности полученных масс на плотность жидкости равно объему пор, заполненных жидкостью. В качестве жидкости обычно применяют керосин.

Второй способ определения объема пор основан на определении объема газа, который извлекается из пор породы в приборе при понижении давления на образец (путем понижения уровня ртути). В лабораторных условиях согласно ГОСТ 26450.1-85 открытую пористость определяют методом насыщения (метод И.А. Преображенского).

Для определения общей пористости используют метод парафинизации (способ Мельчера), сущность которого заключается в покрывании образцов керна тонким слоем парафина, взвешивании его в воздухе, затем в дистиллированной воде. Далее зная массу образца без парафина, массу в парафине на воздухе и в дистиллированной воде, массу твердых частиц, определенных с помощью пикнометра, определяют объем пор в образце.

В нашем случае для определения общей пористости воспользуемся модернизированным методом, который основан на законе Бойля-Мариотта, описывающим зависимость между объемом сухого идеального газа и его давлением. Это соотношение позволяет определить объем твердой фазы образца породы или объем его порового пространства, используя камеру давления, практический инертный газ и высокоточные датчики давления. Так как гелий является инертным газом с мельчайшим размером атома, он лучшим образом подходит для заполнения мельчайших пор в образцах пород. Далее, зная объем порового пространства и объем образца, можно определить коэффициент пористости.

Система TPI-219 – это управляемый вручную гелиевый порозиметр, используемый для определения объема минеральной фазы образцов пород. Работа прибора основана на законе Бойля, который описывает зависимость между объемом сухого идеального газа и его давлением.

Объем порового пространства и пористость образца могут быть рассчитаны из объема твердой фазы образца, если известен объем всего образца. Объем пор получается при вычитании объема твердой фазы из общего объема породы. Коэффициент общей пористости рассчитывается как отношение объема порового пространства образца к его общему объему. Если необходимо посчитать пористость в процентах, то следует помножить полученный коэффициент пористости на 100.

Минералогическая плотность или плотность твердой фазы рассчитывается как отношение массы сухого образца к объему твердой фазы. Данные минералогической плотности могут быть использованы для определения типа породы. Основные типы пород, такие как песчаники, известняки, аргиллиты, доломиты и др. характеризуются минералогической плотностью в определенном диапазоне. Иногда минералогическая плотность может использоваться для определении типа породы. Если в ее состав входят обломки пород или иные минеральные включения плотность может использоваться как параметр, контролирующий содержание в образце посторонних примесей. Ниже приведены усредненные значения минералогической плотности для некоторых типов пород:

2,65 г/см³ - песчаники (глинистая примесь понижает плотность)

2,71 г/см³ - известняки

2,85-2,87 г/см³ - доломиты

Для расчета пористости образца, с помощью кернодержателя порозиметра TPI-219 можно определить объем пустотного пространства образца.

Описание составных частей

Управляемая вручную система TPI-219 состоит из двух основных компонентов: 1) блока управления и 2) камеры (камер) для измерения объема твердой фазы. Отдельное описание частей приведено ниже.

Рис. 2.1 Передняя панель блока управления

 

Клапан подачи газа(SUPLY GAS) 1 – с помошью высокоточных регуляторов давления нагнетает газ в систему. При открытом клапане в системе создается давление, необходимое в данный момент для измерений.

Клапан продувки(VENT) 2 позволяет сбрасывать давление из системы. При открытом клапане к образцу(TO CORE) 4, клапан продувки стравит все давление, находящееся в других внутренних или внешних узлах, подключенных к выходному клапану (OUTLET), например камера для измерения объема твердой фазы 3 или кернодержатель 4.

Клапан камера 2(REL VOL 2) 3 – открывает подток газа в камеру дополнительного объема, предназначенную для измерения высокопористых образцов. Эта камера добавляет к системе дополнительные 25 см³, что позволяет измерять пустоты до 300 см³. В большинстве случаев, при измерении на цилиндрических образцах диаметром 1,5 дюйма, этот клапан должен быть открыт.

Регулятор P1 (Adjust P1) 5 – данный регулятор используется для точной настройки давления в системе, взамен клапана на задней панели блока управления. При подаче в систему давления с помощью регулятора на задней панели, оно должно быть ограничено значением 6,5 атм. (95 psi). Используя для более точной настройки регулятор P1, позволит каждый раз при включении регулятора создавать необходимое давление до 6,5 атм. (95 psi).

Рис. 2.2 Задняя панель блока управления

 

Регулятор(REGULATOR) 1 – регулятор давления, позволяющий вручную создавать давление на вход до 200 атм (3000 psi) и регулировать давление на выходе до 7 атм (100 psi).

Примечание: Будьте бдительны и не допускайте подачи в систему давления более 6,5 атм (95 psi). Это может привести к повреждению датчиков давления. Для предотвращения этого перед открытием клапана на подачу гелия в систему, поверните регулятор до упора против часовой стрелки.

Кнопка питание(POWER)– служит для включения или выключения электропитания системы, обеспечивающего работу датчиков давления и электронных дисплеев на панели управления. Разъем для подключения питания расположен справа от кнопки включения. Кабель питания должен быть подключен к блоку питания порозиметра TPI-219.

Разъем подключение газа(GAS INLET)– это разъем SwagelokTM на 1/8 дюйма на задней панели блока управления, предназначенный для подключения баллона с гелием. Этот разъем управляется регулятором, с помощью которого оператор создает давление в системе. Максимально допустимое давление для подачи в систему 200 атм. (3000 psi).

Рис. 2.3 Камера с плашками для образцов диаметром 30 мм

 

Камера для измерения твердой фазы (плашки под образцы) – эти плашки обладают известным объемом и предназначены для фиксации образца породы во время измерений. После помещения образца в камеру, убедитесь, что край образца или плашки не торчит из камеры.

Порядок проведения работ

Перед каждым использованием прибора TPI-219 необходимо определять калибровочный объем системы (калибровка прибора):

1. Убедитесь, что клапан подачи газа (SUPPLY GAS) 1 закрыт (в вертикальном положении).

2. Убедитесь, что баллон с гелием подключен к задней панели порозиметра и баллон открыт. Если на баллоне с гелием используется редуктор, то убедитесь, что давление установлено в пределах 95-100 psi. Если давление с помощью регулятора было выставлено правильно, то на цифровом табло передней панели блока управления должно регистрироваться давление около 95 psi. Если нет, то проверьте редуктор на баллоне или поверните регулятор, до появления на табло значения около 95 psi.

3. Выберете камеру для измерения объема твердой фазы, подходящую по диаметру для измеряемого образца. Проверьте чистоту камеры и плашек. Протрите сухой материей плашки, внутреннюю часть камеры для измерений и ее верхнюю часть. Не закрывайте камеру на данном этапе измерений.

4. Закройте клапаны продувка (VENT) 2 и к образцу (TO CORE) 4 на передней панели блока управления порозиметра.

5. Откройте клапан подачи газа (SUPPLY GAS) 1 и подайте давление в порозиметре в пределах между 92 и 95 psi. Дайте давлению стабилизироваться в течение 15 секунд.

Примечание: Для достижения лучшего результата подайте давление в систему, как это описано в пункте 5, приблизительно за 30 минут – 1 час до проведения измерений (для прогрева прибора). Эта процедура поможет устояться уплотнительным кольцам под давлением и позволит избежать спадов давления в системе в процессе измерений.

6. Закройте клапан подачи газа (SUPPLY GAS) 1 и отследите показания датчика давления в течение 10 секунд. Давление может незначительно упасть вследствие усадки уплотнительных колец клапана. Если давление упало больше чем на 0,1 или продолжает падать, это, возможно, свидетельствует об утечке из системы. (Если возможна утечка, то следует продуть систему и повторно создать давление, для того чтобы определить причину сбоя – ошибка может повториться или исчезнуть, если причиной была песчинка, попавшая под уплотнительное кольцо). Откройте клапан продувки (VENT) 2 и сбросьте давление в системе. Повторите эту операцию, по крайней мере, два раза для того, чтобы подготовить систему для дальнейшего использования. Эта процедура также поможет удостовериться в правильной настройке регулятора давления.

7. Открыв клапаны продувка (VENT) 2 и к образцу (TO CORE) 4 на передней панели блока управления порозиметра, отметьте и запишите значение давления на цифровом табло в таблицу 2.1 данных в раздел данные калибровки (CALIBRATION DATA), в секцию данные заполненной камеры (FULL CUP DATA) как значение начального давления в установке - Р₀₁.

8. Поместите в камеру всеплашки и вставьте камеру в корпус. Убедитесь, что центр камеры расположен прямо под прижимным болтом корпуса. Зафиксируйте крышку, поворачивая ее по часовой стрелке.

9. Закройте сначала клапан к образцу (TO CORE) 4, а затем клапан продувка (VENT) 2 на передней панели блока управления порозиметра.

10. Откройте клапан подачи газа (SUPPLY GAS) 1 и создайте давление в порозиметре в пределах между 92 и 95 psi. После того, как значение давления устоится в пределах между 92 и 95 psi, закройте клапан подачи газа (SUPPLY GAS) 1 и отследите показания датчика давления в течение 10 секунд. Давление должно медленно уравновеситься в вышеуказанном промежутке.

11. Запишите значение давления с цифрового табло в таблицу 2.1 данных в раздел данные калибровки (CALIBRATION DATA) в секцию данные заполненной камеры (FULL CUP DATA) как начальное давление в системе (FULL CUP REFERENCE PRESSURE) – Р_0с.

12. Откройте клапан к образцу (TO CORE) 4. Дайте созданному давлению перейти в камеру (для уравновешивания давления всегда используйте такой же промежуток времени, как и для уравновешивания при наличии образца в камере). Когда давление устоится, запишите значение давления с цифрового табло в таблицу данных в раздел данные калибровки (CALIBRATION DATA) в секцию данные заполненной камеры (FULL CUP DATA) как давление с плашками (FULL CUP PRESSURE) – Р_0п.

13. Откройте клапан продувка (VENT) 2 и спустите давление.

14. Открутите крышку, поворачивая ее против часовой стрелки. Уберите камеру из корпуса.

15. Удалите из камеры одну или несколько плашек (желательно, чтобы была удалена одна плашка с объемом, близким к объему измеряемого образца). Занесите номер удаленной плашки в таблицу данных в раздел данные удаленных плашек (REMOVED BILLET DATA) как № удаленной плашки (REMOVED BILLET ID).

16. Повторите действия пунктов 8-14 (в пункте 9 не помещайте в камеру плашку, удаленную согласно пункта 15). Занесите соответствующее значение давления в таблицу данных в раздел данные удаленных плашек (BILLET REMOVED DATA). Используйте тоже исходное давление (ZERO PRESSURE). Обязательно записывайте объем удаляемых плашек V_по и их номера.

17. Давление, записанное в шаге 11, теперь будет записано в таблицу 2.1 данных как начальное давление в системе (REMOVED BILLET REFERENCE PRESSURE) - Р_сп, а шаг 12 будет записан как давление без плашек (REMOVED BILLET CUP PRESSURE) - Р_бп.

Начальный объем системы рассчитывается по следующему уравнению:

, (2.1)

где - калибровочный объем системы, см³; - Начальное давление в системе, psi; - давление с плашками, psi; - начальное давление в установке; - начальное давление в системе без плашек, psi; - давление без плашек, psi, V_по – объем удаленных плашек, см³.